CN109116543B - 多芯光纤探头位置平移的光纤光谱望远镜***及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多芯光纤探头位置平移的光纤光谱望远镜***及定位方法，属于光纤位置传感技术及光纤光谱望远镜领域，利用一种基于多芯光纤束探头位置平移的光纤光谱望远镜光纤位置调节***，通过对多芯光纤束探头进行两次位置平移，以多芯光纤束探头卫星光纤出射光强作为位置反馈信号，引导多芯光纤束探头完成位置调整，实现与光纤光谱望远镜像斑的精确对准。所述基于多芯光纤束探头位置平移的光纤光谱望远镜光纤位置调节***包括纤芯成环形分布的多芯光纤束探头、位置调整架、多芯光纤束探头安装架、定位检测CCD、光谱仪和控制系。该方法具有对准精度高，可调节范围大，调节过程中不遮挡光纤光谱望远镜星光像斑观测光路，不需要外加光源的优点。
Description
技术领域
本发明属于光纤位置传感技术及光纤光谱望远镜领域，具体涉及多芯光纤探头位置平移的光纤光谱望远镜***及定位方法，主要用于实现光纤与光纤光谱望远镜像斑的精确对准。
背景技术
光纤因其自身具有体积小、易于实现长距离传输、空间排布灵活和抗电磁干扰的特点，被广泛地应用到各个领域中。光纤技术在天文观测领域的应用极大地推动了天文观测学的发展，典型的例子是多目标光纤光谱望远镜的出现。多目标光纤光谱望远镜采用光纤为光传输媒介，在其焦面板上安装有数百乃至数千根光纤用以传输星光。光纤由光纤定位装置放置到焦面板上像斑所在的位置。每一个像斑准确的落在各自对应的光纤纤芯中央，星光被耦合到光纤中并经由光纤被传输到多目标光纤光谱仪中进行光谱分析。星光光谱的采集效率直接取决于光纤定位的精度。如果光纤定位存在误差，使得像斑偏离光纤纤芯中心，在光谱仪一端形成环形斑，这将严重影响星光光谱采集效率，并极大地增加后续数据处理的难度。
由于光纤光谱望远的光纤直接接入光谱仪，无法通过监测光纤的透射光功率实现光纤与星光像斑的对准，所以光纤光谱望远镜中光纤的精确定位成为一个难题。目前，美国的多目标光纤光谱望远镜光纤定位采用孔板定位法(York,D.et al.,The Sloan DigitalSky Survey:Technical Summary,the Astronomical Journal,120(3),1579-1587,2000)(Gunn,J.E.et al.,The 2.5m Telescope of the Sloan Digital Sky Survey,theAstronomical Journal,131(4),2332-2359,2006)，即在焦面板上打孔放入光纤，光纤位置不能进行调整，在观测不同天区时换装对应的焦面板。我国自行设计并建造的大天区多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)采用双回转臂式的光纤定位单元，可实现光纤位置的调整，从而满足对不同天区的观测需求(Hu,H.et al.,New type optical fiber positioningunit device for LAMOST,Proc.SPIE,4837,548-555,2003)。由于该光纤定位单元采用开环控制，自身无法对定位精度进行反馈，所以LAMOST***现采用基于视觉成像的技术对光纤定位单元定位精度进行检测(王梦欣等，前照条件下LAMOST焦面板光纤定位精度检测***设计，天文研究与技术，11(2)，157-164，2014)。在实现对光纤定位单元定位精度检测的同时，前照光源和前置检测相机的引入使得望远镜光路被阻挡，天文观测必须在前置光源和前置检测相机移除后才能进行。每次光纤定位单元完成走位后，前置光源和前置检测相机的安装和移除缩短了观测时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤光谱望远镜机械结构得以简化、不会对光纤光谱望远镜观测光路造成遮挡并提高了光纤的定位精度的多芯光纤束探头位置平移的光纤光谱望远镜光纤定位方法。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
利用基于多芯光纤束探头位置平移的光纤光谱望远镜光纤位置调节***，对多芯光纤束探头1进行两次位置平移，以多芯光纤束探头卫星光纤尾纤5出射光强作为位置反馈信号，引导多芯光纤束探头1完成位置调整，实现与光纤光谱望远镜所成像斑的精确对准。
所多芯光纤探头位置平移的光纤光谱望远镜***，包括：纤芯成环形分布的多芯光纤束探头1、位置调整架2、多芯光纤束探头安装架3、定位检测CCD 6、光谱仪7、和控制***8。
所述多芯光纤束探头1由一根位于多芯光纤束探头中央的中心光纤和多根均匀环绕分布在中心光纤周围的卫星光纤构成。多芯光纤束探头1可以有但不限于有12个卫星光纤。多芯光纤束探头1的中心光纤和卫星光纤的尺寸可以相同也可以不同。多芯光纤束探头卫星光纤和中心光纤的尾纤是分离的，分别接入定位检测CCD6和光谱仪7。所述定位检测CCD 6用于监测多芯光纤束探头1的卫星光纤尾纤5的出射光强，光谱仪7用于采集多芯光纤束探头1的中心光纤尾纤4的传输光谱。
所述位置调整架2由控制***8控制实现三维位置调节。多芯光纤束探头安装架3安装在位置调整架2上。控制***8用于控制定位检测CCD6进行图像采集，并计算采集图像的光强灰度值。
多芯光纤探头位置平移的光纤光谱望远镜定位方法，包括以下步骤：
1)将13芯光纤束探头1的卫星光纤沿顺时针方向依次编号，并与卫星光纤尾纤5排列顺序相对应。
2)将多芯光纤束探头1安装到位置调整架2上的多芯光纤束探头安装架3上，并调整12号卫星光纤使其在中心光纤正上方。
3)用控制***8控制位置调整架3，对多芯光纤束探头的位置进行调整，同时中心光纤尾纤4后端的光谱仪7进行光谱采集，直到中心芯尾纤4有光出射。
4)将此时位置调整架2的位置设置为原点。
5)用控制***8控制位置调整架2进行沿x轴负向移动，行程为D，步进量为d，每次步进后记录步进次数，并用位于卫星光纤尾纤5后端的定位检测CCD6进行图像采集。
6)位置调整架2沿x轴负向移动，行程达到D后，控制***8控制位置调整架2复位。
7)由控制***8对采集到的照片进行处理，得到有光出射的卫星光纤尾纤编号和每根卫星光纤在位置调整架2每次步进移动后出射光强的灰度值。
8)确定出射光强值最大的卫星光纤尾纤编号N，并确定该卫星光纤尾纤出射光强最大时位置调整架2沿x方向的步进次数n1。
9)由多芯光纤束探头1几何结构和卫星光纤尾纤出射情况计算出多芯光纤束探头1在x轴方向的偏移量，计算公式为
10)用控制***8控制位置调整架2根据计算出的x轴方向偏移量进行调整，若Δx>0，则位置调整架2沿x轴正方向调整，若Δx<0，则位置调整架2沿x轴负方向调整，调整完成后光纤光谱望远镜所成像斑位于多芯光纤束探头水平方向中心。
11)用控制***8将此时位置调整架2的位置设置为原点。
12)用控制***8控制位置调整架2进行沿y轴负向移动，行程为D，步进量为d，每次步进后记录步进次数，并用位于卫星光纤尾纤5后端的检测CCD6进行图像采集。
13)位置调整架2沿y轴负向移动行程达到D后，控制***8控制位置调整架2复位。
14)由控制***8对采集到的照片进行处理，得到有光出射的卫星光纤尾纤编号和每根卫星光纤在位置调整架2每次步进移动后出射光强的灰度值。
15)确定出射光强值最大的卫星光纤尾纤编号M，并确定该卫星光纤尾纤出射光强最大时位置调整架2沿y方向的步进次数n2。
16)由多芯光纤束探头几何结构和卫星光纤尾纤出射情况计算出多芯光纤束探头在y轴方向的偏移量，计算公式为
17)用控制***控制位置调整架根据计算出的多芯光纤束探头在y轴方向的偏移量进行调整，若Δy>0，则位置调整架沿y轴正方向调整；若Δy<0，则位置调整架沿y轴负方向调整，调整完成后光纤光谱望远镜所成像斑位于多芯光纤束探头中心，光纤定位完成。通过对多芯光纤束探头进行位置平移，增大了多芯光纤束探头提供位置反馈信号的响应区间，提高了对准精度。该方法的理论对准精度取决于步进量d的选取，在d＝5微米情况下，对准误差不大于5微米。
本发明的有益效果在于：
通过对多芯光纤束探头进行位置平移，增大了多芯光纤束探头提供位置反馈信号的响应区间，提高了光纤的定位精度。
利用多芯光纤束探头卫星光纤提供位置反馈信号不需要外加光源，不会对光纤光谱望远镜观测光路造成遮挡，使光纤光谱望远镜机械结构得以简化。
由于检测多芯光纤束探头尾纤出射光信号的定位检测CCD位于望远镜后端，工作时不会对光纤光谱望远镜观测光路造成遮挡。
附图说明
图1为基于多芯光纤束探头位置平移的光纤光谱望远镜光纤位置调节***。
图2为所使用多芯光纤束探头结构图。
图3为12芯光纤束探头光纤编号情况及坐标系。
图4为多芯光纤束探头位置平移量与探头卫星光纤出射光强的关系。(a)多芯光纤束探头沿x方向平移过程中3号卫星光纤出射光强随探头平移量变化。(b)多芯光纤束探头沿y方向平移过程中12号卫星光纤出射光强随探头平移量变化。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
结合图1、图2，多芯光纤探头位置平移的光纤光谱望远镜***，利用基于多芯光纤束探头位置平移的光纤光谱望远镜光纤位置调节***实现多芯光纤束探头中心光纤与模拟像斑的精确对准。此处光谱仪7由CCD7代替。
其中，多芯光纤束探头1具有1根中心光纤和12根相同的围绕中心光纤均匀环形分布的卫星光纤，中心光纤纤芯直径为320微米，卫星光纤纤芯直径100微米，中心光纤纤芯中心与卫星光纤中心的间距为254微米。多芯光纤束探头1端面直径为1毫米。多芯光纤束探头1安装于位于位置调整架2上的多芯光纤束探头安装架3上。多芯光纤束探头安装架3可以安装直径为1毫米到3毫米的光纤束探头。位置调整架2可以在x、y、z三个方向上进行位置调整，调节精度为5微米。位置调整架2和位置调整架控制***8之间由数据线9实现数据通讯。中心光纤尾纤4后端由CCD7进行出射光强检测。卫星光纤尾纤5出射端排列成3×4阵列，且尾纤编号与多芯光纤束探头端面光纤编号一一对应。卫星光纤尾纤5后端由定位检测CCD6进行出射光强检测。定位检测CCD6与控制***8之间由数据线11实现数据通讯。CCD7与控制***8之间由数据线10实现数据通讯。
以下以示例性的实施例说明本具体实施方式实现13芯光纤束探头中心光纤的定位。
实施例
本实施例实现13芯光纤束探头的中心光纤定位，具体包括以下步骤：
1)所使用13芯光纤束探头1直径为1毫米，具有一个纤芯直径为320微米中心光纤和12个纤芯直径为100微米卫星光纤，中心光纤中心与卫星光纤中心间的间距为254微米。2)13光纤束探头1的卫星光纤沿顺时针方向依次编号为1到12号，同时将其卫星光纤尾纤对应编号并排列成3×4阵列。3)将13芯光纤束探头1安装到位置调整架2上的多芯光纤束探头安装架3上，并调整12号卫星光纤使其在中心光纤正上方。4)13芯光纤束探头1的中心光纤尾纤4和卫星光纤尾纤5出射端分别利用CCD7和定位检测CCD6检测光纤出射光强。5)用控制***8控制位置调整架进行位置调节，使模拟像斑在13芯光纤束探头1端面上，并继续调节位置调整架2使CCD7采集图片的光强灰度值达到最大，记录该光强灰度值894763，完成中心点标定，并将此时位置调整架2位置设为原点。6)用控制***8控制位置调整架沿x轴负方向移动80微米，沿y轴负方向移动50微米，制造偏移量。并将此时位置调整架2的位置设置为原点。8)用控制***8控制位置调整架2进行沿x轴负向移动，行程为250微米，步进量d＝10微米，每次步进后记录步进次数，并用位于卫星芯尾纤5后端的定位检测CCD6进行图像采集。9)13芯光纤束探头位置调整架2沿x轴负向移动行程达到250微米后，架控制***8控制位置调整架2复位。10)由控制***8对采集到的照片进行处理，得到有光出射的卫星光纤尾纤编号和每根卫星光纤在位置调整架2每次步进移动后出射光强的灰度值。11)确定出射光强值最大的卫星光纤尾纤编号为3，并确定该卫星光纤尾纤出射光强最大时位置调整架2沿x方向的步进次数n1＝18。12)用控制***8计算出多芯光纤束探头在x轴方向的偏移量
微米，控制位置调整架沿x轴正方向移动74微米，调整完成后光斑位于多芯光纤束探头1水平方向中心。13)用控制***8将此时位置调整架2的位置设置为原点。14)用控制***8控制位置调整架2进行沿y轴负向移动，行程为250微米，步进量为d＝10微米，每次步进后记录步进次数，并用位于卫星芯尾纤5后端的检测CCD6进行图像采集。15)位置调整架2沿y轴负向移动行程达到250微米，控制***8控制位置调整架2复位。16)由控制***8对采集到的照片进行处理，得到有光出射的卫星光纤尾纤编号和每根卫星光纤在位置调整架2每次步进移动后出射光强的灰度值。17)确定出射光强值最大的卫星光纤尾纤编号为12，并确定该卫星光纤尾纤出射光强最大时位置调整架2沿方向的步进次数n2＝22。18)用控制***8计算出多芯光纤束探头在y轴方向的偏移量
微米，控制位置调整架沿y轴正方向移动34微米，调整完成后模拟像斑位于多芯光纤束探头1正中心，完成13芯光纤束探头中心光纤的定位。用CCD7采集此时中心光纤尾纤4的出射光强，计算其光强灰度值为889813，与标定中心点时中心光纤尾纤4的出射光强相比相差0.55％，可以满足天文应用要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.多芯光纤探头位置平移的光纤光谱望远镜***定位方法，多芯光纤探头位置平移的光纤光谱望远镜***，包括纤芯成环形分布的多芯光纤束探头(1)、位置调整架(2)、多芯光纤束探头安装架(3)、中心光纤尾纤(4)、卫星光纤尾纤(5)、定位检测CCD(6)、光谱仪(7)、和控制***(8)；多芯光纤束探头(1)固定在位置调整架(2)上方，多芯光纤束探头(1)与中心光纤尾纤(4)、卫星光纤尾纤(5)分别相连；控制***(8)一端与纤芯成环形分布的多芯光纤束探头(1)通过电缆相连，另一端通过电缆分别与定位检测(6)CCD、光谱仪(7)相连；中心光纤尾纤(4)的末端朝向光谱仪(7)，卫星光纤尾纤(5)末端朝向定位检测CCD(6)；所述多芯光纤束探头由一根位于多芯光纤束探头中央的中心光纤和多根均匀环绕分布在中心光纤周围的卫星光纤构成；所述多芯光纤束探头可以有但不限于有12个卫星光纤；所述多芯光纤束探头的中心光纤和卫星光纤的尺寸可以相同也可以不同；所述多芯光纤束探头中心光纤和卫星光纤的尾纤是分离的，分别接入光谱仪和定位检测CCD；所述的多芯光纤束探头安装架安装在位置调整架上，位置调整架由控制***控制实现三维位置调节；所述定位检测CCD和光谱仪分别用于监测多芯光纤束探头卫星光纤尾纤的出射光强和采集多芯光纤束探头中心光纤的传输光谱；所述控制***用来控制定位检测CCD进行图像采集，并计算采集图像的光强灰度值；其特征在于，具体包括以下步骤：
1)将13芯光纤束探头的卫星光纤沿顺时针方向依次编号为1、2、…12，并与卫星光纤尾纤位置对应；
2)将多芯光纤束探头安装到位置调整架上的多芯光纤束探头安装架上，调整12号卫星光纤使其在中心光纤正上方；
3)中心光纤尾纤后端的光谱仪进行光谱采集，用控制***控制位置调整架调整多芯光纤束探头位置，直到中心光纤尾纤有光出射；
4)用控制***将位置调整架此时的位置设置为原点；
5)用控制***控制位置调整架沿x轴负向移动，行程为D，步进量为d，每次步进后记录步进次数，同时位于卫星光纤尾纤后端的定位检测CCD进行图像采集；
6)移动行程达到D后，对位置调整架进行复位；
7)对采集到的图像进行处理，得到有光出射的卫星光纤尾纤编号和每根卫星光纤出射光强的灰度值；
8)确定出射光强值最大的卫星光纤尾纤编号N，该卫星光纤尾纤出射光强最大时位置调整架在x轴方向的步进次数为n1；
9)由多芯光纤束探头几何结构和卫星光纤尾纤出射情况计算出多芯光纤束探头在x轴方向的偏移量，计算公式为
10)用控制***控制位置调整架根据x轴方向偏移量进行调整，若Δx>0，则位置调整架沿x轴正方向调整；若Δx<0，则位置调整架沿x轴负方向调整，调整完成后光斑位于多芯光纤束探头水平方向中心；
11)通过控制***将此时位置调整架位置设置为原点；
12)用控制***控制位置调整架沿y轴负向移动，行程为D，步进量为d，每次步进后记录步进次数，同时位于卫星光纤尾纤后端的定位检测CCD进行图像采集；
13)移动行程达到D后，位置调整架复位；
14)对采集到的图像进行处理，得到有光出射的卫星光纤尾纤编号和每根卫星光纤出射光强的灰度值；
15)确定出射光强值最大的卫星光纤尾纤编号M，该卫星光纤尾纤出射光强最大时位置调整架在y轴方向的步进次数为n2；
16)计算多芯光纤束探头在y轴方向的偏移量，计算公式为
17)用控制***控制位置调整架根据y轴方向的偏移量进行调整，若Δy>0，则位置调整架沿y轴正方向调整；若Δy<0，则位置调整架沿y轴负方向调整。
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| WO2008139187A3 (en) * | 2007-05-14 | 2008-12-31 | Qinetiq Ltd | Covert illumination |
| CN104898214A (zh) * | 2015-06-09 | 2015-09-09 | 哈尔滨工程大学 | 嵌入式多芯光纤瞄准器及定位装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 大型天文望远镜中星像传输光纤的设计;杨菁;《工程科技Ⅱ辑》;20180331;第2018卷(第03期);论文正文第15-43页及相应的附图 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109116543A (zh) | 2019-01-01 |
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