Ccd探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種CCD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法。該方法詳細介紹了用于全自動天體測量儀器終端上CCD探測器的選取、CCD探測器的安裝與使用、CCD探測器的自動調焦原理及方法以及利用CCD探測器拍攝的圖像進行恒星位置精確測量。本發(fā)明在天體測量望遠鏡上使用CCD探測器進行恒星位置的測量工作，提高了觀測效率、結構簡單、使用方便，可在天體測量望遠鏡上推廣和應用。
【專利說明】CCD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及天文觀測領域，特別是天體測量中天文時間緯度的測量工作。
【背景技術】
[0002]天體測量是天文觀測方法，通過測量來歸算獲取天體的高精度位置等信息，這些將用于地球自轉參數(shù)(ERP)的研究、大地測量等方面的研究。探測器是觀測儀器中的重要設備之一，由望遠鏡采集到的光子，只有通過探測器記錄后才可以被客觀地采集和利用。我國傳統(tǒng)的天體測量儀器的記錄終端，基本上都是在焦平面上，被測星通過光柵，由光電倍增管接收，經(jīng)過交、直流放大器，再飽和放大，通過計數(shù)器記錄星過某點的時刻完成的。雖然后來采用光子計數(shù)，但只是提高了信噪比，提高了觀測的極限星等，觀測效率仍然比較低，觀測周期長，不適合于大量星像數(shù)據(jù)的天體測量觀測。
[0003]傳統(tǒng)儀器的測時方法在測時測緯過程中，關鍵是要確定星過某點的精確時刻T1,傳統(tǒng)的方法是以原子鐘產(chǎn)生的秒脈沖為基準，采用光子計數(shù)或者交流放大的光電裝置來記錄一顆星象多次的時間信息，通過對所有的時間信息取平均的方式來獲取精確的！\。該方法由于光電轉換損耗大，量子效率只有26%，最后獲取到的電信號比較模糊、不清晰，另外這種方法需要專門的設備來來記錄星像的時刻，而且需要在后期進行處理才可以得到最終的結果，效率低、系統(tǒng)龐大、復雜、需要專門的維護。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明提供了 CCD(電荷耦合器件)探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法。CCD探測器以其靈敏、快捷、方便、實時、精確等優(yōu)點受到天文工作者的青睞，而且成為裝備光學天文望遠鏡的主要成像工具之一，但是在天體測量的工作中，國內(nèi)仍然處于空白的狀態(tài)。為實現(xiàn)恒星位置的高效率、精確測量，該發(fā)明由控制系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、CCD探測器、自動調焦系統(tǒng)和上位機組成。
[0005]GPS同控制器相連，接受GPS的秒脈沖信號以及時間信息，做為CCD探測器開始曝光的時刻?？刂破魍珻CD探測器相連，提供0.5s時長的曝光脈沖和圖像下載信號。上位機同控制器相連，由控制器向上位機發(fā)送曝光請求，并向上位機提供CCD探測器的開始曝光時刻信息。上位機同CCD探測器相連，用于下載CCD探測器生成的圖像，并把控制器提供的CCD探測器開始曝光時刻信息作為文件頭，保存在fit格式的圖像里面。
[0006]優(yōu)選的，上述CCD探測器作為全自動天體測量儀器終端的方法具有以下特點:
[0007]由GPS提供精度優(yōu)于IOns的秒脈沖信號，精確的控制CXD的曝光時刻。
[0008]優(yōu)選的，上述使CXD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法具有以下特點:
[0009]由控制器根據(jù)GPS的秒脈沖前沿，產(chǎn)生時長0.5s的曝光脈沖信號。
[0010]優(yōu)選的，上述CXD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法具有以下特點:[0011]由GPS向控制器提供曝光的時間信息，并由控制器發(fā)送至上位機。
[0012]優(yōu)選的，上CCD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法具有以下特
占-
^ \\\.[0013]由控制器向上位機發(fā)送請求曝光指令。
[0014]優(yōu)選的，上述CXD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法具有以下特點:
[0015]由上位機根據(jù)控制器的請求指令，發(fā)送曝光指令，并進入數(shù)據(jù)接受程序，等待CCD曝光后形成的圖像數(shù)據(jù)。此時控制控制器開始采集GPS秒脈沖信號，為CCD曝光做準備。
[0016]優(yōu)選的，上述CXD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法具有以下特點:
[0017]在CCD接受到外部曝光觸發(fā)信號后，開始曝光。即CCD采用外部控制的方式進行曝光。
[0018]優(yōu)選的，上述CXD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法具有以下特點:
[0019]在(XD的0.5秒時長的曝光結束后，由控制器向(XD發(fā)送下載信號。此時,上位機開始接受CCD的圖像數(shù)據(jù)。
[0020]優(yōu)選的，上述CXD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法具有以下特點:
[0021]在上位機接收完圖像數(shù)據(jù)后，把由控制器發(fā)送來的曝光時間信息作為頭文件同圖像數(shù)據(jù)保存成fit格式文件，存儲在上位機。
[0022]優(yōu)選的，上述CXD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法具有以下特點:
[0023]在獲取到的圖像數(shù)據(jù)后，上位機自動的對其進行歸算，得到恒星位置等信息。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明總體的流程圖
[0025]圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)組成圖
[0026]圖3是本發(fā)明的自動調焦的結構圖
[0027]圖4是本發(fā)明的CXD探測器控制流程圖
【具體實施方式】
[0028]圖1為本發(fā)明的總的操作步驟:首先是CCD探測器的選擇，其次是CCD探測器的安裝和控制，然后是終端的自動調焦，最后是觀測星象的數(shù)據(jù)處理。
[0029]CCD探測器的選擇:不同的天體測量儀器根據(jù)不同的需求，所選擇的CCD探測器也會不同。針對焦距為F的天體測量儀器，按照公式C = L/F*206265，可以在指定比例尺C的前提下，獲取CCD像素單元尺寸大小L。
[0030]例如，由于地球自轉的速度為15角秒/S，及星象在CXD感光板上I秒鐘拉長的距離為15角秒，曝光時間為0.5秒，則最后星象在面板上的拉長距離為7.5角秒。在數(shù)據(jù)處理中星象的位置計算精確度為1/20像元，即最后計算的精度優(yōu)于C/20角秒。望遠鏡的焦距為2000mm，比例尺為1.2，則最后的位置精度優(yōu)于0.06角秒。根據(jù)上述公式可以得知需要選擇的C⑶像素單元的尺寸為:12μπι。一個C⑶像素單元在圖像中的存儲空間為2Byte，CCD的下載速度為5M/s，為了可以在短時間內(nèi)獲取到星象數(shù)據(jù)，提高觀測效率，面板的總的像素單元個數(shù)為1K*1K，最終生成的圖像大小為2Μ，可以在0.5s內(nèi)完成圖像的下載。
[0031]下面結合附圖2-4對本發(fā)明進一步的說明:
[0032]圖2是CCD作為天體測量儀器終端方法的結構圖，本部分包含有CCD探測器、控制系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)和上似機系統(tǒng)組成。
[0033]GPS系統(tǒng)同控制系統(tǒng)相連，接受GPS系統(tǒng)提供的秒脈沖信號以及時間信息，為CXD探測器的曝光提供時間基準；控制系統(tǒng)同CCD探測器相連，提供0.5s時長的曝光脈沖和
0.1s時長的圖像下載信號；上位機同控制系統(tǒng)相連，由控制系統(tǒng)向上位機發(fā)送曝光請求，并向上位機提供CCD探測器的開始曝光時刻信息；上位機同CCD探測器相連，用于下載CCD探測器生成的圖像，并把控制器提供的CCD探測器開始曝光時刻信息作為文件頭，保存在fit格式的圖像里面。
[0034]圖3是自動調焦的流程圖，首先在焦前位置進行0.5s的曝光，得到圖片1，然后調整調焦電機，在焦后位置進行0.5s的曝光，得到圖片2 ;對圖片I和圖片2中同一顆星象，計算得到星象的直徑分別為L1和L2，與兩個位置和理想角點之差Clpd2，它們之間的關系為
Tl = ，計算得知需要調整的幅度，控制調焦電機完成自動調焦。
L2 d2
[0035]圖4是CCD作為全自動天體測量儀器終端方法的操作流程圖，在正式觀測之前，首先要自動調焦；然后由控制系統(tǒng)向上位機發(fā)送請求曝光的命令”EXPO”;然后上位機在收到“EXPO”的請求命令后，向控制系統(tǒng)發(fā)送曝光指令并同時調用上位機中的數(shù)據(jù)接受程序，等待接受來自CCD探測器的數(shù)據(jù)；控制系統(tǒng)得到曝光指令后，檢測GPS系統(tǒng)的秒脈沖信號，在秒脈沖的前沿到來時，控制系統(tǒng)產(chǎn)生一個0.5s的脈沖信號，發(fā)送至CXD探測器；(XD探測器收到外部曝光信號后，打開快門開始曝光；在0.5s曝光結束后,控制系統(tǒng)產(chǎn)生一個0.1s的脈沖信號，允許CCD探測器把生成的圖像上傳至上位機中。最后再對得到的數(shù)據(jù)進程處理和歸算，得到恒星位置的信息。
【權利要求】
1.一種C⑶探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法，其中天體測量望遠鏡中的成像系統(tǒng)包括CCD探測器、自動調焦系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及上位機，其特征在于，使用CCD探測器獲取星象的過程中包括以下步驟: 根據(jù)需求選擇CCD探測器； 使用CCD探測器進行自動調焦，通過在兩次曝光之間調整焦距的方式，歸算兩幅圖片中同一星象的直徑比例，以得到調焦系統(tǒng)的調整方向和調整距離； 控制系統(tǒng)向上位機發(fā)送請求曝光命令，上位機在收到該曝光命令后，向控制系統(tǒng)發(fā)送曝光指令并等待接受CCD探測器的數(shù)據(jù)； 控制系統(tǒng)得到曝光指令后，檢測GPS系統(tǒng)的秒脈沖信號，在秒脈沖的前沿到來時，控制系統(tǒng)產(chǎn)生一個0.5s的脈沖信號，發(fā)送至CXD探測器； CCD探測器收到外部曝光信號后，打開快門進行曝光； 在0.5s曝光結束后，控制系統(tǒng)產(chǎn)生一個0.1s的脈沖信號，把CXD探測器生成的圖像下載到上位機；對得到的數(shù)據(jù)進程處理和歸算，得到觀測地點的時間和緯度信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的CCD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法，其特征在于以GPS的秒脈沖為CCD曝光的時間歷元，GPS秒脈沖的精度優(yōu)于10ns。
3.根據(jù)權利要求2所述的CCD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法，其特征在于秒脈沖和曝光信號之間的時間精度在I毫秒以內(nèi)。
4.根據(jù)權利要求1所述的CCD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法，其特征在于使用比例尺來選擇CCD探測器，根據(jù)公式L/F*206265得到像素單元尺寸同焦距之間的比例尺關系，針對不同的天體測量儀器選擇合適的CCD探測器。
5.根據(jù)權利要求1所述的CCD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法，其特征在于CXD的曝光和下載通過外部觸發(fā)信號來控制。
6.根據(jù)權利要求1所述的CCD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法，其特征在于CCD探測器的快門相應時間優(yōu)于1ms。
7.一種CXD探測器用于天體測量望遠鏡精確測量恒星位置的方法，該系統(tǒng)包括CXD探測器、自動調焦系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及上位機，其特征在于， GPS系統(tǒng)同控制系統(tǒng)相連，控制系統(tǒng)接收GPS的秒脈沖信號，為CCD探測器提供精確的開始曝光的時刻，確定觀測歷元，并以此為基準求取星象能量中心時刻， 控制系統(tǒng)同CCD探測器相連，提供0.5s時長的曝光脈沖信號和圖像下載信號， 控制系統(tǒng)同自動調焦系統(tǒng)相連，精確的控制調焦電機，實現(xiàn)CCD探測器的自動調焦。 上位機同控制系統(tǒng)相連，由控制系統(tǒng)向上位機發(fā)送曝光請求，并向上位機提供CCD的開始曝光時刻信息， 上位機同CCD相連，用于下載CCD 生成的圖像，并把控制器提供的CCD開始曝光時刻信息作為文件頭，保存在fit格式的圖像里面，上位機通過星象處理，歸算得到調焦系統(tǒng)的調整幅度，發(fā)送至控制系統(tǒng)。
【文檔編號】G01C11/00GK103900538SQ201410145680
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權日:2014年4月14日
【發(fā)明者】田立麗, 王政, 王博 申請人:中國科學院國家天文臺