一种光纤光谱望远镜的参考光纤分布设计方法技术

本发明专利技术公开了一种光纤光谱望远镜的参考光纤分布设计方法，属于摄像测量技术领域，包括以下步骤：S1：确定工作区域范围；S2：确定参考光纤数量；S3：确定边缘参考光纤分布；S4：确定内部参考光纤分布。本发明专利技术对所有参考光纤使用Voronoi算法提取其多边形面积，其中每一根参考光纤对应一个多边形，求取其所有面积的标准差，该值与工作光纤的稳定性呈正相关，故将多边形面积的标准差大小作为参考光纤二维分布均匀程度的评判依据，再使用粒子群算法进行迭代收敛找到多边形面积标准差的最小值，最终确定了在二维环境中的特定形状区域内参考点数目、参考点如何分布，以得到最好的拟合效果，进而大大提高光纤定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤光谱望远镜的参考光纤分布设计方法
本专利技术涉及天文望远镜高精度摄像测量
，具体涉及一种光纤光谱望远镜的参考光纤分布设计方法。
技术介绍
光纤定位技术在我国首次使用到光纤光谱望远镜上，光纤定位技术的发展经历了开环控制即每一根光纤被一个光纤单元的步进电机接收定量脉冲所控制移动到目标位置，到后来申请人团队提出的通过闭环控制即控制光纤机器人移动到目标位置之后，采用视觉摄影测量的方法来识别数千个光纤位置目标，再驱动光纤机器人向目标位置进行补偿移动，直到达到目标位置并满足定位精度要求。在目前使用的闭环控制中摄影测量的识别精度决定了光纤定位的定位精度，其相机拍摄的稳定性在光纤定位中十分重要。在黑暗的工作环境下只点亮工作光纤，通过视觉测量系统的相机对光纤光斑进行识别定位。由于现场的工作状况复杂，视宁度较差，故在检测成像焦面上选用一定数目的参考光纤来代替工作光纤，参考光纤的作用是修正相机抖动、气流波动等环境因素带来的误差。使用相机首先识别参考光纤，之后通过对识别到的参考光纤位置坐标与理论坐标进行多项式拟合的修正，使用多项式拟合修正后的参数来对工作光纤进行识别定位，此方法可以降低大部分误差，提高识别精度。在使用参考光纤时其数目越多会使得工作光纤定位精度越精确，但是由于参考光纤占用了工作光纤的位置，参考光纤数量过多会使工作光纤的数目减少，工作光纤数目过少会影响望远镜正常观测，所以参考光纤数目需要选定在一个合理的范围。在使用参考光纤时其分布均匀会大大提高系统光纤位置检测精度，由此通过反馈逐渐逼近目标的方法会提高光纤机器人的最终定位精度。由于焦面孔位限制参考光纤限制于分布在固定的焦面孔中，故需要找到一个方法使参考光纤做到在二维平面上满足均匀分布最优方式，上述问题亟待解决，为此，提出一种光纤光谱望远镜的参考光纤分布设计方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于：如何使参考光纤做到在二维平面上最优分布，提供了一种光纤光谱望远镜的参考光纤分布设计方法。该方法基于Voronoi算法设计了在现有的焦面孔位做到尽可能均匀分布的参考光纤，对所有参考光纤使用Voronoi算法提取其多边形面积，其中每一根参考光纤对应一个多边形，求取其所有面积的标准差，总体标准差越小则认为分布越均匀；并且总体标准差越小的参考光纤分布对应计算求得工作光纤的稳定性越好，故使用此方法来寻找一种参考光纤的分布方式。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本专利技术包括以下步骤：S1：确定工作区域范围根据相机视场与工作光纤的运动范围确定相机的工作区域；S2：确定参考光纤数量先拍摄一段时间的光纤稳定性并确定一个初始数目的参考光纤在所有工作光纤中大量多次随机分布，再选取当前确定数目中最小的重复性误差值作为当前数目的最小误差值，之后通过改变参考光纤的数目来确定参考光纤数目与最小误差的关系，选择参考光纤数目满足给定要求；S3：确定边缘参考光纤分布在确定参考光纤使用数量之后，通过限定光纤定位机器人定位边界条件，将在相机视场与焦面边缘处分布的参考光纤连线之后所得到的平面可以将所有工作光纤区域完全覆盖；S4：确定内部参考光纤分布根据参考光纤Voronoi多边形面积标准差确定内部参考光纤的位置；使用粒子群算法将Voronoi多边形面积的标准差作为目标函数进行迭代求其最小值；最终收敛得到所有参考光纤最终的位置分布。更进一步地，在所述步骤S2中，光纤稳定性的计算过程如下：S21：将相机对焦至光纤端部，在无外界光源的黑暗环境下背光点亮光纤；S22：设置相机拍摄参数，包括但不限于每一分钟拍摄五张照片，总共拍摄一小时，共拍摄300张照片；S23：处理拍摄图片，使用光重心法识别光斑位置；S24：选用一定数量的光纤作为参考光纤，剩余光纤作为工作光纤，使用参考光纤计算像素坐标位置与理论坐标位置的转换参数；S25：使用转换参数将工作光纤的像素坐标转换为实际微米坐标；S26：计算300张照片中每一根光纤位置的均方根误差，并将所有光纤的均方根误差取平均值作为最终的光纤稳定性的值。在所述步骤S4中，所有参考光纤Voronoi多边形的面积标准差与工作光纤一段时间内的稳定性标准差呈正相关关系。更进一步地，在所述步骤S4中，参考光纤Voronoi多边形面积标准差数值作为参考光纤二维分布均匀程度的评判依据。本专利技术相比现有技术具有以下优点：该光纤光谱望远镜的参考光纤分布设计方法，基于Voronoi算法设计了在现有的焦面孔位做到尽可能地均匀分布参考光纤，对所有参考光纤使用Voronoi算法提取其多边形面积，其中每一根参考光纤对应一个多边形，求取其所有面积的标准差，将多边形面积的标准差大小作为参考光纤分布二维分布均匀程度的评判依据，确定了在二维环境中的特定形状区域内参考点数目、参考点如何分布，以得到最好的拟合效果，进而大大提高光纤定位精度，值得被推广使用。附图说明图1是本专利技术实施例二中光纤光谱望远镜的参考光纤分布设计方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例二中相机视场中所有光纤位置示意图；图3是本专利技术实施例二中边缘参考光纤示意图；图4是本专利技术实施例二中所有参考光纤Voronoi多边形示意图；图5是本专利技术实施例二中Voronoi多边形的面积标准差与稳定性均方根误差关系图。具体实施方式下面对本专利技术的实施案例作详细说明，本实施案例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。其中实施例一主要介绍了一种特定情况下的二维均匀分布的量化标准，具体地应用在光纤光谱望远镜参考光纤的分布上。实施例二介绍了如何在光纤光谱望远镜中选择参考光纤的数量以及分布。实施例一在光纤光谱望远镜中光纤定位技术使用了摄像测量，通过测量相机拍摄光纤位置来对光纤进行定位。由于测量相机与光纤距离较远环境干扰较大使用此方法的定位精度会大打折扣，故在拍摄定位时选用一定数量的光纤作为参考光纤，参考光纤的作用为对工作光纤进行定位前先对参考光纤进行识别，之后利用参考光纤的位置对整体位置进行修正。降低了环境对定位精度的影响，本实施案例的研究核心是一种在二维的环境中如何在特定形状区域内参考点数目的选择，以及将参考点如何分布才能得到最好的效果。以光纤稳定性作为效果好坏的评判依据，即一定时间内拍摄所有光斑的位置重复性计算其均方根误差。具体地光纤稳定性计算步骤为：1、将相机对焦至光纤端部，在无外界光源的黑暗环境下背光点亮光纤。2、设置相机拍摄参数，包括但不限于每一分钟拍摄五张照片，总共拍摄一小时，共拍摄300张照片。3、处理拍摄图片，使用光重心法识别光斑位置。4、选用一定数量的光纤作为参考光纤剩余光纤作为工作光纤，使用参考光纤计算像素坐标位置与理论坐标位置的转换参数。5、使用转换参数将工作光纤的像素坐标转换为实际微米坐标。...

【技术保护点】
1.一种光纤光谱望远镜的参考光纤分布设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：确定工作区域范围/n根据相机视场与工作光纤的运动范围确定相机的工作区域；/nS2：确定参考光纤数量/n首先进行实验检测一段时间的光纤稳定性，并确定一个初始数量的参考光纤通过在所有区域内大量多次随机分布参考光纤来替换工作光纤，每次分布后计算工作光纤的稳定性误差值，再选取当前参考光纤数目下工作光纤的最小的稳定性误差值作为当前数目的最小误差值，稳定性误差即一定时间内拍摄所有工作光纤的位置重复性均方根误差；之后通过改变参考光纤的数目来确定参考光纤数目与最小误差值的关系，根据此关系来确认参考光纤数目以满足给定误差要求；/nS3：确定边缘参考光纤分布/n在确定参考光纤使用数量之后，在限定光纤定位机器人定位边界的条件下，在相机视场与焦面边缘处分布设置边缘参考光纤使得其连线之后的平面可以将所有工作光纤完全覆盖；/nS4：确定内部参考光纤分布/n将剩余参考光纤在工作区域内部的焦面孔位上进行排布，并画出所有参考光纤的Voronoi图，根据所有参考光纤Voronoi多边形面积标准差确定内部参考光纤的位置，即得到所有参考光纤最终的位置分布。/n...

【技术特征摘要】
1.一种光纤光谱望远镜的参考光纤分布设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定工作区域范围
根据相机视场与工作光纤的运动范围确定相机的工作区域；
S2：确定参考光纤数量
首先进行实验检测一段时间的光纤稳定性，并确定一个初始数量的参考光纤通过在所有区域内大量多次随机分布参考光纤来替换工作光纤，每次分布后计算工作光纤的稳定性误差值，再选取当前参考光纤数目下工作光纤的最小的稳定性误差值作为当前数目的最小误差值，稳定性误差即一定时间内拍摄所有工作光纤的位置重复性均方根误差；之后通过改变参考光纤的数目来确定参考光纤数目与最小误差值的关系，根据此关系来确认参考光纤数目以满足给定误差要求；
S3：确定边缘参考光纤分布
在确定参考光纤使用数量之后，在限定光纤定位机器人定位边界的条件下，在相机视场与焦面边缘处分布设置边缘参考光纤使得其连线之后的平面可以将所有工作光纤完全覆盖；
S4：确定内部参考光纤分布
将剩余参考光纤在工作区域内部的焦面孔位上进行排布，并画出所有参考光纤的Voronoi图，根据所有参考光纤Voronoi多边形面积标准差确定内部参考光纤的位置，即得到所有参考光纤最终的位置分布。


2.根据权利要求1所述的一种光纤光谱望远镜的参考光纤分布设计方法，其特征在于：在所述步骤S2中，光纤稳定性的计算过程如下：
S21：使用相机拍摄所有光纤一段时间，获得光纤位置随时间变化的图片；
S22：选用一定数量的参考光纤针对...

【专利技术属性】
技术研发人员：段仕鹏，周增祥，左家乐，黎梦涛，胡红专，刘志刚，褚家如，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34