[发明专利]一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量装置及方法

权利要求书

1.一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量方法，其特征在于：CCD相机的镜头采用远心镜头，并对CCD相机进行标定，CCD相机在半径200mm内的平面位置测量精度得到极大提高；在各个测量区域内，CCD相机测量各个参考光纤位置，经过定位精度测试的参考光纤定位单元多步定位误差优于20um，将各个参考光纤送达各个测量区域内的指定位置，在每个测量区域内构建参考光纤标定板，参考光纤标定板指在测量区域内各个参考光纤位置均匀排列，且每个参考光纤坐标误差满足精度要求的标定板；

具体实现步骤如下；

（1）划分焦面板测量区域以及参考光纤定位单元的安装，包括以下步骤：

（11）对装配完成的光纤定位单元进行定位精度试验，将满足定位精度要求的光纤定位单元称为参考光纤定位单元，所携带的光纤称为参考光纤；

（12）在焦面板表面均匀划分出5个或以上的测量区域，尺寸小于或等于半径200mm圆形，并编号为i，i=1，2，…,n；在每个测量区域i内选择j个参考光纤定位单元安装孔，j=15，16，…,n；

（13）在测量区域i内安装参考光纤定位单元，所携带的各个参考光纤处于一个平面，

参考光纤端部视为标记点；

（2）在焦面板上各个测量区域i构建参考光纤标定板Pi，包括以下步骤：

（21）将CCD相机镜头更换为远心镜头，选择参考光标板， 500mm×500mm大小的方形圆点标定板，完成CCD相机的线下标定；

（22）标定完成的CCD相机对测量区域1内参考光纤位置进行测量，计算出各个参考光纤与理想点的位置误差，参考光纤定位单元再次携带参考光纤向理想点逼近运动，对该位置误差进行修正,构建出测量区域1内的参考光纤标定板P1；

（23）对其他测量区域i，同样采用步骤（22）完成在每个测量区域i内都构建一块相同尺寸的参考光纤标定板Pi；

（3）建立CCD相机与参考光纤标定板Pi的位置关系，具体包括以下步骤：

（31）各个测量区域i内的参考光纤标定板Pi的标记点位置分布是相同的，建立参考光纤标定板Pi的世界坐标系OPi；

（32）使焦面板测量区域1位于CCD相机的视场中心，将CCD相机的镜头更换为焦距合适的普通镜头并标定出CCD相机内部参数fu，fv，u0，v0，k0，k1，k2，k3，k4；fu和fv是CCD相机的等效焦距；u0，v0是图像的主点坐标；k0，k1，k2，k3，k4是考虑径向畸变和切向畸变的像差模型系数；

（33）三维精密相机移动云台控制CCD相机移动到测量区域1的正前方，拍摄测量区域1的参考光纤标定板P1，获得参考光纤标定板P1像片IMG1，采用角锥体法计算出像片IMG1位于CCD相机的外方位元素初值，采用单像片后方空间交会法对外方位元素的初值进行迭代优化，获取IMG1准确的外方位元素，即旋转矩阵Ri和平移矩阵Ti；记录下三维精密相机移动云台的三维移动参数；所述三维精密相机移动云台控制CCD相机回到CCD相机的初始位置；

（34）利用光纤光谱望远镜焦面装置的自身旋转机构，辅以地面移动平台，将参考光纤标定板Pm移动到CCD相机的视场中心，m=2，3，…,n；重复步骤（31）-（33），获取参考光纤标定板Pm世界坐标系OPm转换到CCD相机坐标系的旋转矩阵Rm和平移矩阵Tm；激光跟踪仪测量焦面板每次移动的空间位置，即为参考光纤标定板移动前后的空间相对位置；

（4）求取在焦面板基准位置下各个参考光纤标定板之间的位置关系，包括以下步骤：

（41）对于各个参考光纤标定板i，选择CCD相机位于三维精密相机移动云台初始位置时，参考光纤标定板的世界坐标系OPi在CCD相机坐标系下的旋转矩阵Ri和平移矩阵Ti；

（42）以参考光纤标定板P1的坐标系OP1为基准坐标系，其他的参考光纤标定板Pm通过焦面板在欧式空间的刚体运动依次移动到CCD相机视场中心；在激光跟踪仪坐标系下，各个参考光纤标定板Pm移动到CCD相机视场中心过程中，焦面板的旋转和移动参数等于各个参考光纤标定板Pm移动到CCD相机视场中心的旋转和移动参数；

（43）坐标系转换模块标定出CCD相机坐标系和激光跟踪仪坐标系之间转换关系，将激光跟踪仪下，每个参考光纤标定板Pm移动CCD相机视场中心的旋转和移动参数转换到CCD相机坐标系下的旋转向量和平移向量；

（44）参考光纤标定板Pm位于CCD相机视场中心时，焦面板所在位置设为基准焦面板位置，在CCD相机坐标系下，测量区域1内的参考光纤标定板P1为基准参考光纤标定板，将测量区域m参考光纤标定板世界坐标Pm通过旋转向量和平移向量转换到基准焦面板位置下的CCD相机坐标系下，得到参考光纤标定板Pm的世界坐标OPm在CCD相机坐标系下的相对位置；

（45）在基准焦面板位置下，将各个测量区域m内的参考光纤标定板Pm的世界坐标OPm，通过旋转矩阵Rm和平移矩阵Tm转换到CCD相机坐标系下的坐标，加上参考光纤标定板的世界坐标Pm在CCD相机坐标系下的相对位移，在基准位置焦面板下，得到参考光纤标定板的世界坐标Pm在CCD相机坐标系下实际坐标；

（46）选择基准参考光纤标定板P1的CCD相机外部参数旋转矩阵R1和平移矩阵T1，将转换到基准参考光纤标定板的世界坐标系下OP1下，得到在OP1下的坐标，j为参考光纤标定测量区域m内的第j个参考光纤。