中心開孔型四象限探測器光纖定位閉環(huán)控制方法
發(fā)布時間：2021-03-02 01:12
光纖定位技術是多目標光纖光譜望遠鏡中的關鍵技術,光纖定位精度是影響望遠鏡觀測效率的重要因素,隨著光譜巡天項目的開展,光纖定位單元的小型化、高密度化、集成化和高精度定位要求成為普遍趨勢,這對光纖定位系統(tǒng)提出了更高技術要求和挑戰(zhàn)。光纖定位技術也期望實現(xiàn)高精度的實時監(jiān)測和反饋系統(tǒng),形成有效的閉環(huán)控制�；诖颂岢隽艘环N中心開孔型四象限探測器光纖定位技術,并利用二維高斯模型對中心開孔型四象限探測器定位算法進行了設計,該算法對單元光斑束腰單次標定,可實現(xiàn)高精度的多次實時光斑位置確定和光纖位置調整。利用光纖光譜儀望遠鏡原理搭建了模擬實驗對此裝置和算法的性能進行了模擬,應用此閉環(huán)控制方法,在四象限探測器零點偏置直徑為4 mm、光纖截面積達到1 000μm2情況下,絕對定位誤差可以控制在6μm之內,相對誤差可控制在0.15%范圍內,可以有效提高望遠鏡星象和光纖的耦合效率。
【文章來源】：紅外與激光工程. 2020,49(06)北大核心
【文章頁數】：7 頁
【部分圖文】：
四象限探測器焦面結構示意圖Fig.1Schematicdiagramofthefocalplanestructureofthe4-Qdetector
UBO+1/2UHUAO+UBO+UCO+UDO+UH=1√2πσ∫∞0exp[(yy)22σ2]dy(8)在公式(8)中，有束腰半徑σ和偏移量坐標(x，y)三個變量，通過定準(可利用四個象限的電壓值數據進行比對驗證定準)實現(xiàn)偏移量置零可以解得束腰半徑σ。束腰半徑對于單個單元是一個常量，因此同一個單元的偏移量坐標(x，y)可近似地采用恒定的σ進行計算。2中心開孔型四象限探測器中心定位模擬實驗2.1實驗裝置設計實驗中使用如圖3所示的系統(tǒng)，以模擬中心開孔型四象限探測器與光纖的耦合體在實際天文觀測中的性能。氦氖激光器在實驗中常用來模擬星光，此實驗中使用的激光器波長為632.8nm。鑒于實驗中所用激光器功率遠超實際星光輻照功率，實驗中使用由擴束鏡、準直透鏡、光闌、會聚透鏡組成的光學系統(tǒng)來模擬望遠鏡成像系統(tǒng)。圖3基于中心開孔型四象限探測器的實驗系統(tǒng)Fig.3Experimentalsystembasedoncenter-drilled4-Qdetector實驗中使用的四象限探測器采樣頻率為2.5kHz，四象限探測器單象限取樣電壓范圍為(1V，1V)，四象限探測器零點偏置范圍為(2mm，2mm)，四象限探測器測量單位為mm，以VR-L表示四象限探測器右半焦面與左半焦面的電壓之差，VT-B表示四象限探測器上半焦面與下半焦面的電壓之差，VSUM表示四象限探測器整個焦面的電壓之和，(X,Y)為實際的光斑中心坐標位置。由中心開孔型四象限探測器定位原理可以得到：VR=1/2(VSUM+VRL)VT=1/2(VSUM+VTB)(9)式中：VR表示右半焦面的電壓值；VT表示上半焦面的電壓
驗系統(tǒng)，即可采集到如表3所示的實驗數據，利用中心開孔型四象限探測器的高斯中心定位算法可得到光斑中心偏移量。由于實驗中采用的是未打孔的四象限探測器，模擬中心開孔型四象限探測器需要對采樣數據進行預處理。表3中心開孔型四象限探測器模擬采樣數據Tab.3Center-opening4-Qdetectorsimulationsamp-lingdataNo.VR-LVT-BVSUM/VX/mmY/mmD00010.0030.0040.6520.0170.021D00020.0030.0040.6500.0200.022D00030.0020.0020.6500.0140.015………………D20000.0010.0040.6480.0070.022圖4中，在焦面上黑色區(qū)域內即為中心開孔區(qū)域，即X2+Y2≤R2(10)區(qū)域內的采樣數據在實際的中心開孔型四象限探測器之中無法得到需要剔除，其中R表示圓孔半徑大校天文觀測中所用光纖芯徑通常在幾十微米至幾百微米之間，比如LAMOST中通常使用320μm的光纖，最粗的光纖達440μm[14]。本模擬裝置中四象限探測器的零點偏置直徑為4mm，據此，取光纖截面積在1000μm2范圍內進行計算，得到絕對誤差，計算數據如表4所示，其中(X’,Y’)為計算得到的理論中心坐標值，R2=0時即為高斯擬合的未開孔四象限探測器中心結果，Er(X)、Er(Y)為實驗定位絕對誤差，光斑實際中心位置坐標為(0.0150,0.0201)，單位為mm。表4中心開孔型四象限探測器模擬結果Tab.4Simulationresultsofthecenter-drilled4-QdetectorR2/μm2VL/VSUMVT/VSUMX"/mmY"/mmEr(X)/mmEr(Y)/mm00.501880.497380.01450.02010.000502000.501880.497360.01450.02010.000503000.501890.497320.01460.02040.00040.00034000.501930.497320.01500.020600.0005
本文編號：3058317
【文章來源】：紅外與激光工程. 2020,49(06)北大核心
【文章頁數】：7 頁
【部分圖文】：
四象限探測器焦面結構示意圖Fig.1Schematicdiagramofthefocalplanestructureofthe4-Qdetector
UBO+1/2UHUAO+UBO+UCO+UDO+UH=1√2πσ∫∞0exp[(yy)22σ2]dy(8)在公式(8)中，有束腰半徑σ和偏移量坐標(x，y)三個變量，通過定準(可利用四個象限的電壓值數據進行比對驗證定準)實現(xiàn)偏移量置零可以解得束腰半徑σ。束腰半徑對于單個單元是一個常量，因此同一個單元的偏移量坐標(x，y)可近似地采用恒定的σ進行計算。2中心開孔型四象限探測器中心定位模擬實驗2.1實驗裝置設計實驗中使用如圖3所示的系統(tǒng)，以模擬中心開孔型四象限探測器與光纖的耦合體在實際天文觀測中的性能。氦氖激光器在實驗中常用來模擬星光，此實驗中使用的激光器波長為632.8nm。鑒于實驗中所用激光器功率遠超實際星光輻照功率，實驗中使用由擴束鏡、準直透鏡、光闌、會聚透鏡組成的光學系統(tǒng)來模擬望遠鏡成像系統(tǒng)。圖3基于中心開孔型四象限探測器的實驗系統(tǒng)Fig.3Experimentalsystembasedoncenter-drilled4-Qdetector實驗中使用的四象限探測器采樣頻率為2.5kHz，四象限探測器單象限取樣電壓范圍為(1V，1V)，四象限探測器零點偏置范圍為(2mm，2mm)，四象限探測器測量單位為mm，以VR-L表示四象限探測器右半焦面與左半焦面的電壓之差，VT-B表示四象限探測器上半焦面與下半焦面的電壓之差，VSUM表示四象限探測器整個焦面的電壓之和，(X,Y)為實際的光斑中心坐標位置。由中心開孔型四象限探測器定位原理可以得到：VR=1/2(VSUM+VRL)VT=1/2(VSUM+VTB)(9)式中：VR表示右半焦面的電壓值；VT表示上半焦面的電壓
驗系統(tǒng)，即可采集到如表3所示的實驗數據，利用中心開孔型四象限探測器的高斯中心定位算法可得到光斑中心偏移量。由于實驗中采用的是未打孔的四象限探測器，模擬中心開孔型四象限探測器需要對采樣數據進行預處理。表3中心開孔型四象限探測器模擬采樣數據Tab.3Center-opening4-Qdetectorsimulationsamp-lingdataNo.VR-LVT-BVSUM/VX/mmY/mmD00010.0030.0040.6520.0170.021D00020.0030.0040.6500.0200.022D00030.0020.0020.6500.0140.015………………D20000.0010.0040.6480.0070.022圖4中，在焦面上黑色區(qū)域內即為中心開孔區(qū)域，即X2+Y2≤R2(10)區(qū)域內的采樣數據在實際的中心開孔型四象限探測器之中無法得到需要剔除，其中R表示圓孔半徑大校天文觀測中所用光纖芯徑通常在幾十微米至幾百微米之間，比如LAMOST中通常使用320μm的光纖，最粗的光纖達440μm[14]。本模擬裝置中四象限探測器的零點偏置直徑為4mm，據此，取光纖截面積在1000μm2范圍內進行計算，得到絕對誤差，計算數據如表4所示，其中(X’,Y’)為計算得到的理論中心坐標值，R2=0時即為高斯擬合的未開孔四象限探測器中心結果，Er(X)、Er(Y)為實驗定位絕對誤差，光斑實際中心位置坐標為(0.0150,0.0201)，單位為mm。表4中心開孔型四象限探測器模擬結果Tab.4Simulationresultsofthecenter-drilled4-QdetectorR2/μm2VL/VSUMVT/VSUMX"/mmY"/mmEr(X)/mmEr(Y)/mm00.501880.497380.01450.02010.000502000.501880.497360.01450.02010.000503000.501890.497320.01460.02040.00040.00034000.501930.497320.01500.020600.0005
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