（精密仪器及机械专业论文）近景摄影测量在LAMOST光纤位置检测中的应用研究.pdf

摘要 摘要 “大天区面积多目标光纤光谱望远镜( l a r g es k ya r e am u l i t o b j e c tf i b e r s p e c t r o s c o p i ct e l e s c o p e ，l a m o s t ) 是我国的一项重大科学工程项目，在其直径 1 7 5 米的焦面板上，布置有4 0 0 0 根光纤。l a m o s t 观测时，望远镜光学系统使 天体目标成像在焦面上，然后光纤定位系统控制4 0 0 0 根光纤与这些天体的像对 准而获取它们的光谱。由于存在控制、机械加工、安装、工作环境改变等引起的 误差，如果光纤定位系统是开环控制，精度不易保证，因此为了修正这些误差， 使l a m o s t 能够准确运转，必须要对光纤在焦面上的位置进行精密检测。 l a m o s t 光纤位置检测有如下要求：大视场、多离散目标、高精度、快速、 非接触，几乎囊括了所有的高检测标准。在常规的位置测量方法中，近景摄影测 量最有可能全部符合这些要求，因此本文对近景摄影测量在光纤位置检测中的应 用进行了详细研究。 摄影测量有基于线阵c c d 和面阵c c d 的两种可选设备，针对各自优缺点， 本文提出了多线阵c c d 的扫描检测方案和面阵c c d 像机的分区检测方案，并 对这两种方案都从原理和方法上进行了细致的探讨。 论文的主要内容包括： 1 设计并研制了一套由3 个线阵c c d 组成的光纤位置试验检测系统，该 系统检测静止光纤坐标的误差为0 9 1 x m ( 2 0 ) ，具有很好的稳定性。 2 实现了线阵c c d 试验检测系统对动态光纤的位置测量。对线阵c c d 姿 态标定、转换拼接和参数优化后，实验显示，该系统检测光纤之间距离 的误差只有+ 5 9 m ( 2 0 ) ，具有较高的精度。但高检测精度需要复杂的标 定和优化，该过程需要大范围高密度的标定光纤。 3 建立了光斑定位算法( 光重心法) 的误差分析模型，结合实验研究，提 出了一个最佳的检测条件，在该条件下，光重心法的精度达到0 0 4 像素， 并以光重心法的精度为依据确立检测子区域的大小。 4 提出一种改进的光束法平差自标定方法，实现面阵c c d 像机的在线高 精度标定。实验结果显示，该标定方法只需要数量很少的控制点就能够 获得与多控制点的传统标定方法相当的精度。 本文对线阵c c d 方案的研究结果是，该方案具有较高的理论检测精度，若 要在l a m o s t 现场应用，不仅需要大范围高密度的标定光纤，而且对系统硬件 的性能和精度都有很高要求，以目前技术手段难以实现。 本文研究并解决了面阵c c d 方案中的几个关键问题，保证了面阵c c d 方 摘要 案从实验室论证顺利移植到l a m o s t 现场应用。 关键词：近景摄影测量；线阵c c d ；坐标转换；面阵c c d ；光重心法；光束法 平差；像机标定 l i a b l s t r a c t a b s t r a c t l a r g es k y a r e am u l i t o b j e c tf i b e rs p e c t r o s c o p i ct e l e s c o p e l a m o s t , w i t ha 1 7 5 m d i a m e t e rf o c a lp l a t eo nw h i c h4 0 0 0o p t i c a lf i b e r sa r ea r r a n g e d ，i so n eo fm a j o r s c i e n t i f i cp r o j e c t si nc h i n a d u r i n gt h es u r v e y i n gp r o c e s so fl a m o s t , t h eo p t i c a l i m a g i n gs y s t e mm a k e st h ea s t r o m e t r i co b j e c t sb ei m a g e di nt h ef o c a lp l a n e ，a n dt h e o p t i c a lf i b e rp o s i t i o n i n gs y s t e mc o n t r o l st h e4 0 0 0f i b e r st ob ea l i g n e dw i t ht h e s e o b j e c t sa n do b t a i nt h e i rs p e c t r u m i ft h eo p t i c a lf i b e rp o s i t i o n i n gs y s t e mw o r k si n o p e n - l o o pc o n t r o lm o d e ，i t sd i f f i c u l tt oe n s u r et h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yb e c a u s eo f t h ee r r o r sc a u s e db yc o n t r o l ，m a c h i n i n g ，i n s t a l l a t i o na n dc h a n g e so ft h ew o r k e n v i r o n m e n t s i no r d e rt oc o r r e c tt h e s ee r r o r sa n dm a k et h el a m o s tr u na c c u r a t e l y , i ti sn e c e s s a r yt od e t e c tt h ep o s i t i o no fo p t i c a lf i b e r si nt h ef o c a lp l a n ea c c u r a t e l y t h ed e t e c t i o no fo p t i c a l f i b e r s p o s i t i o n i nl a m o s th a st h ef o l l o w i n g r e q u i r e m e n t s ：l a r g ef i e l d ，m u l t i - d i s c r e t et a r g e t s ，h i g ha c c u r a c y , r a p i da n d n o n 。c o n t a c t ， i n c l u d i n ga l m o s ta l lh i g ht e s t i n gs t a n d a r d s i nt h ec o n v e n t i o n a lp o s i t i o n d e t e c t i o n m e t h o d s ，t h ec l o s e r a n g ep h o t o g r a m m e t r yh a s t h em o s tp o s s i b i l i t yo fm e e t i n ga l l t h e s er e q u i r e m e n t s ，s ot h ea p p l i c a t i o no ft h ec l o s e - r a n g ep h o t o g r a m m e t r yi ss t u d i e d d e t a i l e d l yi nt h i sp a p e r p h o t o g r a m m e t r yh a st w oo p t i o n a li m a g i n gd e v i c e s ：l i n e a rc c d a n da r e ac c d f o rt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，m u l t i l i n e a rc c ds c a n n i n gd e t e c t i o nm e t h o d a n da r e ac c dc a m e r ad i s t r i c td e t e c t i o nm e t h o di sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , a n dt h e i r m e a s u r i n gp r i n c i p l e sa n dp r o c e s s e sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h i sp a p e r sm a i nc o n t e n ti n c l u d e s ： 1 t h ee x p e r i m e n t a ld e t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hi sc o n s i s t e do ft h r e el i n e a rc c d ， i s d e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h ea c c u r a c y o fd e t e c t i n gt h es t a t i co p t i c a l f i b e r sc o o r d i n a t e si s 0 9 1 x m ( 2 0 ) w h i c hs h o w st h es y s t e mh a sag o o d s t a b i l i t y 2 t h ep o s i t i o nd e t e c t i o no fd y n a m i co p t i c a lf i b e rb yt h el i n e a rc c ds y s t e mi s a c h i e v e d a f t e ra t t i t u d ec a l i b r a t i o no ft h el i n e a rc c d ，c o n v e r s i o ns p l i c i n g a n do p t i m i z a t i o no fp a r a m e t e r s ，t h ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t e st h a tt h ee r r o r o fd e t e c t i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h eo p t i c a lf i b e r si so n l y + 5t t m ( 2 0 ) w h i c hi sah i g ha c c u r a c y h o w e v e r , t h eh i g hd e t e c t i o na c c u r a c yr e q u i r e s c o m p l e xc a l i b r a t i o na n do p t i m i z a t i o nw i t haw i d er a n g eo fh i g h d e n s i t y i i i a b s t r a c t r e f e r e n c eo p t i c a lf i b e r s 3 a ne r r o ra n a l y s i sm o d e lo ft h e s p o tl o c a t i o na l g o r i t h m ( 1 i g h tc e n t r o i d m e t h o d ) i se s t a b l i s h e d ，a n dt h eb e s td e t e c t i o nc o n d i t i o ni s s u g g e s t t e d c o m b i n e dw i t ht h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t s u n d e rt h i sc o n d i t i o n t h e a c c u r a c yo fl i g h tc e n t r o i dm e t h o di so 0 4p i x e l sw h i c hc o u l db eu s e dt o j u d g et h es i z eo fd e t e c t i o ns u b - r e g i o n 4 a ni m p r o v e db u n d l e a d j u s t m e n ts e l f - c a l i b r a t i o nm e t h o di s p r o p o s e dt o r e a l i z et h eo n l i n e h i g h p r e c i s i o nc a l i b r a t i o no fa r e ac c dc 锄e r a t h e r e s u l t so fe x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h i sc a l i b r a t i o nm e t h o dn e e d s o n l yaf e w c o n t r o lp o i n t sw h i l et h et r a d i t i o n a lc a l i b r a t i o nm e t h o d sn e e dm u c hm o r e c o n t r o lp o i n t st og e tt h es a m e a c c u r a c y t h e s t u d yo ft h i sp a p e ro nl i n e a rc c dm e t h o ds h o w st h a ti th a sh i g ht h e o r e t i c a l d e t e c t i o na c c u r a c y h o w e v e r , i tw i l ln e e daw i d er a n g eo f r e f e r e n c eo p t i c a lf i b e r sa n d h i g hr e q u i r e m e n t so nt h ep e r f o r m a n c ea n dp r e c i s i o no fh a r d w a r ei ft h el i n e a rc c d m e t h o di sa p p l i e do nl a m o s ti np r a c t i c e ，a n di t s d i f f i c u l tt or e a l i z ew i t hc u n e n t t e c h n o l o g y s o m ek e y p r o b l e m so fa r e ac c d m e t h o da r er e s e a r c h e da n ds o l v e di nt h i sp a p e r s ot h ea r e ac c d c a m e r ad i s t r i c td e t e c t i o nm e t h o dc a nb es m o o t h l yt r a n s p l a n t e dt ot h e l o c a l eo fl a m o s t f r o mt h el a b o r a t o r y k e y w o r d s ：c l o s e 。r a n g ep h o t o g r a m m e t r y ；l i n e a rc c d ；c o o r d i a t ec o n v e r t i o n ；a r e a c c d ；l i g h tc e n t r o i dm e t h o d ；b u n d l ea d j u s t m e n t ；c a m e r ac a l i b r a t i o n w 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 签字日期：塑! 旦：鱼：三 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 回公开口保密( 年) 作者签名：导师签名： 签- te lg q ：塑! ! ：鱼：三 签字日期： 第一章绪论 第一章绪论 本论文的研究内容来源于“大天区面积多目标光纤光谱望远镜( l a r g es k y a r e am u l i t o b j e c tf i b e rs p e c t r o s c o p i ct e l e s c o p e ，l a m o s t ) 项目，它是我国天文 学家自主提出的一种大i ：1 径兼备大视场的反射式施密特望远镜【l 】，是我国刚刚完 成的一项重大科学工程项目。 在本章中，首先介绍l a m o s t 的基本结构和重大的科学意义，然后重点叙 述l a m o s t 焦面光纤定位系统，从而引出焦面板上光纤位置检测这一重要问题。 最后介绍本文的研究内容和行文安排。 1 1l a m o s t 项目简介 l a m o s t 是一架横卧于南北方向的中星仪式的主动反射施密特望远镜，其 有效口径4 m ，焦距2 0 m ，视场角直径为5 。，光谱覆盖范围为3 7 0 9 0 0 n t o ，光 谱分辨率为1 0 2 5 r i m ，观测天区为赤纬。1 0 。至+ 9 0 。的2 4 0 0 0 平方度【2 】。 l a m o s t 的主要任务有三： 第一，河外光谱巡天： 第二，恒星光谱巡天： 第三，天体多波段交叉证认。 1 1 1l a m o s t 基本构造 l a m o s t 由在北端的主动反射改正镜( m a ) 、在南端的固定球面主镜( m b ) 和 在中间的焦面机构构成，如图1 1 所示。球面主镜和焦面机构固定，反射改正镜 作为定天镜跟踪天体运动，望远镜在天体经过中天前后时观测。天体的光经m a 反射到m b ，再经m b 反射后成像在焦面上，最后经焦面上放置的光纤传输到光 谱仪中。 l a m o s t 在其反射改正镜上同时采用了薄镜面主动光学和拼接镜面主动光 学技术，实现了在世界上光学望远镜大口径同时兼备大视场的突破。由于大i z l 径， 在曝光1 5 小时内可以对暗至2 0 5 等的天体进行观测；由于大视场，其焦面上可 以放置4 0 0 0 根光纤，可同时获得多至4 0 0 0 个天体的光谱，成为世界上光谱获取 率最高的望远镜。 第一章绪论 图1 il a m o s t 总体结构蚓 1 1 2l a m s o t 焦面光纤定位系统 l a m o s t 焦面是一个线直径17 5 m 、曲率半径约1 98 8 m 豹球冠面，其上分 布4 0 0 0 根光纤，在每次观测时，使每一根光纤对准一颗星像，本人所在实验室 承接的即是该系统的研制。 光纤定位系统的具体目标是在直径l7 5 m 焦面范围内，使每一根光纤端面满 足下面的条件p j ； 定位误差小于4 0 u m ： 每次改变观测天区时，要在2 0 分钟内完成4 0 0 0 根光纤的重新定位； 光纤的入射光方向上不得有任何遮挡； 焦面的周围不得有任何机构，以免遮藏光路： 光纤在焦面上的定位要无盲区； 光纤端面离焦量小于0l m m ： 定位过程中光纤的指向保持不变： 定位运动时，4 0 0 0 根光纤之间不能有相互碰撞等。 课题组邢晓正教授开创性提出基于分区思想的并行可控式双回转光纤定位 方案l ，相对于国外的孔板法和磁扣法光纤定位，具有可安置光纤多、定位时 间短、可进行误差补偿、成本低等诸多优点。如图12 所示，该方案在直径i7 5 m 的焦面板上按蜂窝状布最4 0 0 0 个光纤定位单元每个定位单元上安装一根光纤。 第一章绪论 图1 2l a m o s t 焦面板定位单元分布图 每个定位单元是一个双回转机构【6 7 】，如图1 3 所示，其活动范围是直径3 3 m m 的圆区域，由两个步进电机通过两级蜗轮蜗杆减速器驱动【8 1 。相邻两根光纤回转 中心距离为2 5 6 m m ，而单根光纤的有效覆盖区是直径3 3 m m 的圆，这样相邻光 纤产生一定的重叠区，既保证了观测没有盲区，也能提高观测效率。 1 1 3 光纤定位误差 图1 3 双同转光纤定位原理图 光纤定位的首要任务是满足定位精度，在基于分区思想的并行可控式双回转 光纤定位方案中，定位误差可来自以下几个方面： 机械误差，包括焦面板及其孔群的加工误差、焦面板的重力变形、双回 转机构的零件加工误差等； 装配误差，包括焦面板的安装误差、双回转机构的装配误差等； 控制误差，如步进电机失步造成的误差； 环境变化造成的误差，如温度、湿度等的改变，都会引起整个机械结构 参数的变化。 这些影响因素是多方面的，如果是开环控制，精度不易保证，因此，为了修 第一章绪论 正这些因素造成的定位误差，必须要对光纤位置进行精密测量。若有一套高精度 的光纤位置检测装置，则能使光纤定位系统构成完美的闭环系统，这对于 l a m o s t 准确、高效率运转具有极其重要的意义，而本论文的研究内容就基于 此展开。 1 2 大尺度目标的位置检测 l a m o s t 焦面板上分布的光纤有以下特点：分布区域大( 直径1 7 5 m 的圆 区域) 、目标多( 4 0 0 0 个) 、目标尺寸微小( 光纤发光端面直径o 3 2 m m ) 和球冠 面分布( 需要三维坐标) 。因此，焦面上光纤位置检测可以定义为大尺度下的三 维坐标测量。 1 2 1大尺度三维坐标测量方法 有许多种可以实现大尺度三维坐标检测的方法，如三坐标测量机( c m m ) 、 经纬仪测量系统( t h e o d o l i t e s ) 、全站仪测量系统( t o t a ls t a t i o n ) 、激光跟踪测量 系统( l a s e rt r a c k e r ) 、激光扫描测量系统( l a s e rs c a n n e r ) 、关节式坐标测量机 ( a r t i c u l a t e da r m s ) 、室内g p s ( i n d o o rg p s ) 、近景摄影测量( c l o s er a n g e p h o t o g r a m m e t r y ) 等，由于检测原理的不同，它们所能达到的测量精度也不相同， 下面重点介绍其中精度较高的几种方法。 三坐标测量机是最常用的传统通用三维坐标测量仪器，通过测量头沿三个坐 标轴方向的直线导轨运动来实现坐标检测。它的优点是测量准确、通用性好、可 以一次装夹完成许多尺寸的测量，但它缺点是接触式测量、不易对准特征点、不 便携、只能测量静态物体、对测量环境要求高【9 】。 经纬仪测量系统是由两台或两台以上的高精度电子经纬仪构成的空间角度 前方交会测量系统。经纬仪只能测量物体的水平或俯仰角度，一次测量不能确定 物体的空间三维坐标，因此系统中需要两台或两台以上的经纬仪，另外还需要一 根标准尺，利用标准尺来确定经纬仪之间的相互方位，最后通过多台经纬仪的测 角数据来确定物体的三维坐标【l0 1 。经纬仪测量系统的优点是测量范围较大( 可达 几十米) 、光学非接触式测量、测量精度比较高，但其缺点也很明显，一般采用 手动照准目标、逐点测量、测量速度慢、自动化程度不高。 激光跟踪测量系统是一种由单台激光跟踪仪构成的球坐标测量系统【l l 】，使用 光栅编码器测量目标点的水平和垂直方向的偏转角，使用单频激光干涉器测量目 标点的距离。该系统测量速度快、精度高，但其测距为相对测距，且需要保持在 跟踪过程中激光束不能丢失，另外测距需要反射靶的配合，因此是一种接触式测 4 第一章绪论 量。 l a m o s t 光纤端面是一个微小的可移动平面，这样的特点要求其位置检测 是非接触式的；在直径1 7 5 m 范围内分布4 0 0 0 根光纤，这是目标点数量巨大且 分布密集的测量；l a m o s t 要求定位时间小于2 0 分钟，则检测时间应当在1 0 分钟以内。而三坐标测量机和激光跟踪测量系统都是接触式测量，经纬仪测量系 统由于是逐点测量，它测速很慢，这些方法都无法满足l a m o s t 的要求，因此 我们使用了目前已被各个领域广泛使用的近景摄影测量法，它的特点恰好都能符 合这些要求。 近景摄影测量是摄影测量的一个分支，通常指测量范围小于1 0 0 m 、像机布 设在物体附近的摄影测量，它基于三角形交会法原理，通过在不同的位置和方向 获取同一物体的2 幅或2 幅以上的图像，经图像匹配等处理及相关数学计算后得 到待测点精确的三维坐标。它经历了从模拟、解析到数字方法的变革，硬件也从 胶片像机发展到数字像机【1 2 1 ，近年来，随着半导体、微电子技术的飞速发展， 尤其是固体阵列像机和计算机硬件的发展，使得近景摄影测量已进入全数字近景 摄影测量时代l l 引，本文所指近景摄影测量即为数字近景摄影测量。 数字近景摄影测量是相比其它三维测量方法是具有如下优点【1 4 】： 瞬间获取被测物体大量物理信息和几何信息，适用于众多e t 标的检测， 测量速度快，实时性好； 非接触性测量，不伤及被测目标，不干扰被测物自然状态； 适合于动态物体外形和运动状态的测定，适用于微观世界和较远目标的 测量； 基于严谨的理论和现代的软硬件，具有高精度和高可靠性； 设备便携，现场工作量小，自动化程度高。 1 2 2 数字近景摄影测量的发展 数字近景摄影测量的发展可以归纳为五个不同特征的时期i l 5 j ： 1 9 6 4 至1 9 8 4 年是数字近景摄影测量的早期阶段，这时期的研究成果奠定了 其理论基础，包括图像处理算法、图像传感器件的研究和应用、误差理论、模板 匹配算法及多张像片的同时处理技术等【l 酬。 1 9 8 4 至1 9 8 8 年是初步进入数字阶段的逐步发展期，开始陆续研发出许多数 字近景摄影测量系统l l ，虽然很少能够实用，但为后续的研发奠定了基础。 1 9 8 8 至1 9 9 2 年，数字近景摄影测量进入全面发展期，越来越多的研究者在 此方向进行研究和开发，在许多领域获得了成功的应用( 如工业测量、流量测量、 生物立体测量、空间探测等) 。 第一章绪论 1 9 9 2 至1 9 9 6 年，数字近景摄影测量的研究和开发处于稳步的发展，不像前 一阶段那样不断涌现新成果，业内更关注的是扩展应用和成型系统的市场化推 广。已有的老公司更新换代为新的数字化产品( 如美国g s i 公司在1 9 9 4 年推出 了数字测量系统v - s t a r s ) ，同时也出现了许多新的专业化的小公司和新系统 ( 如德国g o m 公司的t r i t o p 系统、挪威m e t r o n o r 公司的m e t r o n o r 系统等) 。 1 9 9 6 年至今，数字近景摄影测量已经进入成熟期。其研究的重点已从几何 测量精度转变为全自动化、实时性和测量结果的深加工等方面【l8 1 。 1 2 3 数字近景摄影测量系统的构成 参照市场主流产品的特点，一套高性能的数字近景摄影测量系统由以下几个 方面组成： 人工标志：在测量应用中被广泛作为控制点或测量点使用，一是可以保 证或提高测量精度和稳定性，二是在测量环境中容易被布置。常用人工 标志有不同的材料、形状、大小等，如图1 4 所示。 + 豳回o 图1 4 常用人工标志形状 科学级量测数字像机：由数字图像传感器与摄影镜头以及相关电子电路 等附件组合就构成数字像机。现在市场绝大多数图像传感器都为c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件) 和c m o s ( c o m p l e m e n t a r y m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 两种，它们在性能指标上已经很接近，只是 c m o s 光敏成像时，其暗电流的电子热噪声随时间的累积效应比c c d 大，即曝光时间较长时，c m o s 成像的信噪比会降低。c c d 有普通级 和专业级之分，专业级c c d 具有更好的像元一致性、更低的信噪比等 特性。因此，目前科学量测用途的像机绝大多数都使用专业级c c d 。如 图1 5 所示，即为本文实验中所用p u l n i x 公司的t m l 0 4 0 型科学级c c d 像机。c c d 又有面阵和线阵之分，通常面阵c c d 使用较为普遍，线阵 c c d 用在只需一维检测或超大视场等特殊情况下。 辅助测量设备：包括标定靶、自动定向棒、基准尺等。 数据处理软件：它是数字近景摄影测量系统最为核心的部分，相当于人 类的大脑，需要完成像点精确定位、编码标志识别、像片概略定向、像 点匹配、平差处理、结果分析与显示等功能。 6 第一章绪论 图15p u l n i x 科学级c c d 像机t m l 0 4 0 1 3 数字近景摄影测量在光纤位置检测中的应用 为了能够成功应用于l a m o s t 工程我们的光纤位置检测系统需要满足以 下几点要求： 夺高精度：光纤定位误差小于4 0 1 t m ，这要求检测系统要能达到更小的测 量误差： 夺快速性：光纤重新定位时间小于2 0 m i n 需要能在1 0 m i n 内完成目标点 检测： 无盲区：要求能够检测视场内每一个位置的目标点，无遗漏； 4 - 自动化：检测系统在现场能够对所有目标进行无人 二干预的自动检测。 在具体实施摄影测量时必须能够获取焦面上光纤端面的影像，我们通过在 光纤另一端连接光源使光纤焦面端发光的办法来达到这一要求，光纤端面发光区 域的直径即为光纤的内芯直径( 03 2 r a m ) ，也就是说，我们的被测目标是直径仅 有0 3 2 m m 的圆，而整个被测区域的直径为1 7 5 m ，可见，目标尺度只占视场区 域的1 5 5 0 0 ，届于超大视场的检测，这对摄影测量系统提出了巨大的挑战性。 目前，已有许多近景摄影测量的应用实例最常见的是对曲面面形的检测， 如对大型天线面形的测量，对汽车模具实型的测量等，一般可以达到 1 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 的精度口“。市面上也有许多商用的近景摄影测量系统，其中最 有代表性、最成熟的如美国g s ! 公司的v - s t a r s 系列，该系列中最高端的 v - s t a r s s 8 系统在2 m 范围内的检测精度可以达到1 5 i t m 列，但商用系统的价格 非常昂贵。 在近景摄影测量中，为了获得高精度的检测结果，一般需要人工标志的配台， 但l a m o s t 光纤端面的尺寸非常小而且需要保持透光性，所以无法添加这些人 工标志。另外，现有面阵c c d 像机的分辨率( 如v - s t a r s 系统中的像机分辨率 为3 5 0 0 x 2 3 0 0 像素) 不足以一次拍摄整个光纤焦面，无法将这些现有的应用直接 引入到我们的检测之中。因此，我们针对焦面光纤这一特殊被测目标，建立自己 的摄影测量系统。 摄影测量有基于线阵c c d 和面阵c c d 的两种可选设各通过调研并针对 第一章绪论 各自优缺点，设计了两套检测方案：基于多线阵c c d 的扫描检测方案和基于面 阵c c d 像机的分区检测方案。 1 3 1基于多线阵c c d 的扫描检测方案 线阵c c d 的优势是其一维尺度大( 长度可超过5 0 m m ，如t c d l 7 0 3 c ) 、分 辨率高( 能达1 0 0 0 0 像素以上，如t c d 2 9 0 l d ) 、频率响应快、价格低廉，虽然 只能获取一维信息，但是配以扫描运动，也能够检n - 维信息，经常用于大视场 场合，如航空的三线阵c c d 摄影2 3 1 、大视场立体视觉【2 4 1 1 等。 我们的检测方案中，没有采用常规的通过光学镜头成像的方法，而是使用直 接扫描的方式【2 引，整个焦面对线阵c c d 是一种正直的平行投影，可以称作为一 种特殊的摄影测量。如图1 6 所示，在紧贴光纤焦面的位置安装一根圆弧型扫描 梁，其上排列多个线阵c c d ，为了使检测无盲区，相邻线阵c c d 错位放置并确 保在半径方向有一定的重叠区域，如果线阵c c d 长度为5 0 m m ，则线阵c c d 的 个数为2 0 个左右。旋转轴与焦面中心重合，其上安装有角度传感器( 如圆光栅 编码器) 。检测时，扫描梁作匀速圆周扫描运动，每转过一个微小角度，线阵c c d 就对光纤端面进行一次光信息采集，同时角度传感器记录角度信息，当完成一周 的扫描后，由计算机合成，得到整个焦面区域的数字图像，其中每个像素的灰度 值和径向坐标由线阵c c d 提供，而角度坐标由角度传感器提供，这样利用一种 类似极坐标的方式就能表达光纤在焦面内的位置。 a a 向 重叠区 图1 6 线阵c c d 检测方案示意图 线阵c c d 方案的优点是具有较高的理论精度： 省却了摄影测量系统中重要的一项误差来源光学成像系统； 与面阵c c d 系统中缩小成像不同，它对被测目标是1 ：1 的复制，从测量 原理上来讲，该过程没有误差放大； 8 第一章绪论 因为是1 ：1 的成像，即使是光纤发光端面这样微小的日标，也有足够的 分辨率确保光斑定位的精确性。 该方案的缺点： 增加了扫描机构，使系统复杂，机构的机械误差和扫描运动的不平稳性 都会带来测量误差； 夺通过扫描方式来获取二维坐标，检测的实时性会减弱。 1 3 2 基于面阵c c d 像机的分区检测方案 面阵c c d 最大的优点是瞬时就能获取二维图像信息、实时性好，而且测量 系统结构非常简单，它的缺点是尺度小、分辨率不高，常用的科学级c c d 分辨 率仅为1 0 2 4 1 0 2 4 像素或2 0 4 8 x 2 0 4 8 像素，4 0 9 6 x 4 0 9 6 像素的一般需要定制，而 且价格非常昂贵。 显然使用单个面阵c c d 拍摄整个焦面，其分辨率根本无法满足这样的大 视场要求，为了解决这个问题，一般采用各种c c d 拼接方法1 2 6 。2 8 1 ，下面介绍几 种典型拼接法。 第一种，直接拼接法，将多块小面阵c c d 直接拼接成一块大c c d 。如美国 的k e 叫e r 太空望远镜i 圳。它的焦平面由4 2 块1 0 2 4 x 2 2 0 0 像素的c c d 组成，图 17 所示即为其整个焦平面的图片。直接拼接时，由于c c d 芯片都有一定的外封 装，相邻c c d 之日j 会存在一些间隙，正如图17 中所示，这样会使测量时出现 盲区。c c d 的直接拼接不仅需要先进的工艺手段。由于感光面积的增大，也需 要相应大光学系统的支持，因此该方法一般用于大型的观测望远镜居多，而在测 量场合应用较少。 e t p e 二 图l7 k e p l e r 望远镜的整个焦平面削片 第二种光路拼接法，通过特定光学系统分光的方法进行拼接。如使用分光 棱镜、单心球透镜圳等将视场光路分割成多个独立部分，每个部分使用一个 第一章绪论 c c d 成像。该方法在系统中增加了复杂的分光光路，可能会使成像质量变差， 而且分割光路数有限，在超大视场的检测中不易达到很高精度。 第三种，图像拼接法，使用一个或多个面阵c c d 像机对视场的多个子区域 进行拍摄，然后通过后期数据处理将多幅图像拼接成一幅完整图像【3 2 , 3 3 】。该方法 系统简单、成像质量好、无盲区、依靠软件方法实现拼接、操作灵活、成本低， 非常适于近景摄影测量这种图片数量不是很多的场合。 因此，我们采用图像拼接原理的面阵c c d 像机分区检测方案，课题组的金 熠博士已经在这方面进行了部分研究【3 4 1 ，将整个大视场分成若干个检测子区域， 通过移动或旋转单个面阵c c d 像机分别对这些子区域拍摄，如图1 8 所示，该 方法在实验室内实现了6 0 0 m m x 6 0 0 m m 区域内3 0 i t m 的光纤位置检测精度。 图1 8 分区检测示意图 面阵c c d 方案的优点是： 系统结构非常简单，很容易构建检测系统； 检测速度快、实时性好。 但其缺点是不易保证很高的理论精度： 像机镜头会带来像差尤其是视场较大的时候； 物距往往是像距的许多倍，属于缩小测量，测量过程中的微小误差都可 能被放大许多倍； 受分辨率的限制，光斑定位的精确性不易保障。 1 4 本文的研究内容及行文安排 1 4 1本文研究内容及关键技术 1 0 第一章绪论 前一节中叙述到，为了完成焦面光纤位置检测这一挑战性任务，我们设计了 基于线阵c c d 和基于面阵c c d 的两套检测方案，这两套方案各有优缺点，本 文的主要内容就是寻找一种更适合于l a m o s t 的光纤位置检测方案。 针对线阵c c d 方案，搭建了一套试验检测系统，然后通过具体实验探讨该 方案的检测精度，这里涉及到的关键技术有：线阵c c d 安装姿态的标定、多线 阵c c d 之间的转换拼接及其参数的优化。 针对面阵c c d 方案，因为既有工作已经在实验室内完成了6 0 0 m m x 6 0 0 m m 视场区域的检测，本文则重点研究如何将检测视场扩大到直径1 7 5 m 的焦面区域 并移植到现场检测，关键是解决如下两个问题： 第一，光斑定位算法的精度分析与检测子区域大小的判定。若检测子区域越 小，即整个视场被分割成更多的拍摄分区，这样在增加检测时间的同时，因为拼 接区域的增多，会带来更大的拼接误差。若检测子区域越大，则不能满足分辨率 的需求。因此，应该在保证足够分辨率的i j 提下，尽量增大检测子区域。通过对 光斑定位算法的精度分析，不仅能为检测子区域大小的判定提供依据，还能提高 光纤位置检测精度。 第二，面阵c c d 像机的标定问题。因为分区检测时像机需要频繁移动，而 且检测现场的环境较为恶劣，致使像机的内外参数并不固定，为了能够经常对像 机重标定，需要实现像机的在线标定功能。单个c c d 像机的检测区域较大，这 样为了标定像机，也需要相应大小的精密标定靶，制作这种大尺寸的标定靶，在 技术上非常困难、成本也很高，而且受空间条件的限制，l a m o s t 现场很难安 装大尺寸标定靶。 面阵c c d 方案中使用的关键技术有：光斑定位算法的精度分析、标定参考 点的获取和c c d 像机的高精度在线标定。 1 4 2 本文的行文安排 在第二章中介绍了线阵c c d 试验检测系统的搭建过程；第三章阐述了线阵 c c d 检测的具体方法，包括线阵c c d 的姿态标定、多线阵c c d 之间的转换拼 接及其参数的优化等，并进行了相关实验论证和精度分析；第四章对面阵c c d 检测所使用的光斑定位算法进行了误差分析，并对如何判定检测子区域的大小进 行了论证；第五章详细描述了面阵c c d 像机高精度在线标定的方法和过程；最 后在第六章中总结了本文的工作，并对未来需要进行了展望。 第二章线阵c c d 试验检测系统的搭建 第二章线阵c g d 试验检测系统的搭建 多线阵c c d 扫描检测过程中，光纤焦面对线阵c c d 是1 ：l 的投影成像，该 过程没有误差放大，而且有足够的分辨率保证光斑定位的精确性，因此该方案相 对于面阵c c d 检测，具有更高的理论精度。为了具体验证线阵c c d 方案在 l a m o s t 光纤位置检测中的可行性，需要搭建一套试验检测系统用于其精度的 评定。本文首先介绍该系统的总体结构设计，然后介绍硬件功能的实现，最后完 成采集软件的编写。 2 1 检测系统的原理与结构 在第一章的1 3 1 节中，已经介绍了线阵c c d 检测方案，而我们在搭建试验 检测系统的时候，从降低开发难度、缩短开发周期和减少成本方面考虑，对原有 检测方案进行了部分简化： 第一，使用3 个线阵c c d 搭建试验系统，该系统已经满足实际系统的所有 特质，可以用于检测方法中拼接、参数优化等技术的验证； 第二，使用直线扫描梁代替圆弧型扫描梁，即将球冠状焦面当作平面来处理。 l a m o s t 焦面虽为球冠面，但其曲率半径约为2 0 m ，这样在直径1 7 5 m 的区域 内，焦面的平面度小于0 0 2 m ，近似为一个平面，而且平面与球冠面之间可以建 立严格的对应关系，可以对此误差进行修正； 第三，使用直线扫描代替圆周扫描。采用圆周扫描时，距离旋转中心越远， 其分辨率就越低，只要焦面边缘处的光纤能满足定位精度要求，其余的光纤也能 满足。针对处于焦面边缘的线阵c c d ，如图2 1 所示，因为单个c c d 的尺度相 对于焦面的半径来说非常小，它在图示的局部区域内可以近似看作直线移动。 图2 1焦面边缘的线阵c c d 运动示意图 1 2 第二章线阵c c d 试验检测系统的搭建 简化后，检测系统的结构如图2 2 所示，该系统由线阵c c d 、扫描梁、移动 平台、光栅尺和计算机等组成。3 个c c d 错位安装于扫描梁上并与之平行，c c d 之间有一定的重叠，该重叠不仅能够确保c c d 的扫描没有盲区，也为后文第三 章所述c