一種全日面觀測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自調(diào)焦方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太陽觀測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種適用于完整日面觀測系統(tǒng)及部分日面 觀測系統(tǒng)的自動(dòng)焦平面檢測的自校準(zhǔn)測量方法。天文觀測按時(shí)段分為夜間天文觀測學(xué)和太 陽觀測學(xué)。本發(fā)明屬于太陽觀測學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 家用相機(jī)、眼睛自動(dòng)驗(yàn)光領(lǐng)域應(yīng)用了大量的自動(dòng)對焦技術(shù)。但天文領(lǐng)域尤其是國 太陽物理觀測領(lǐng)域并沒有這方面的技術(shù)。天文領(lǐng)域的對焦技術(shù)不同于民用領(lǐng)域的相機(jī)自動(dòng) 對焦：當(dāng)觀測非常遙遠(yuǎn)目標(biāo)時(shí)，紅外、激光測距的主動(dòng)式調(diào)焦不再適用；專業(yè)天文望遠(yuǎn)鏡口 徑一般都在10厘米以上（本發(fā)明基于一臺20厘米口徑全日面望遠(yuǎn)鏡的觀測開發(fā)出來，參 考文獻(xiàn)[6])，追求遙遠(yuǎn)星空中更加精細(xì)的空間分辨率（角秒量級），細(xì)微的焦面位置差異對 高分辨像質(zhì)影響嚴(yán)重。傳統(tǒng)上采用人眼叛焦，采用被動(dòng)式調(diào)焦一一針對不同觀測目標(biāo)研宄 不同的判焦方法（參考文獻(xiàn)[1-4])。
[0003] 太陽觀測需要調(diào)焦的方面有三類：[1]裝調(diào)設(shè)備階段或更換儀器部件之后；[2]空 間太陽望遠(yuǎn)鏡（參考文獻(xiàn)[5])，升空經(jīng)歷的物理變化（震動(dòng)、溫度、壓力），觀測時(shí)向陽和 背陰面太陽輻射帶來的溫度梯度（特別是某些設(shè)計(jì)軌道中衛(wèi)星會進(jìn)出地球陰影），這些因 素都會需要建立實(shí)時(shí)調(diào)焦系統(tǒng)（我國目前沒有空間天文衛(wèi)星，包括太陽觀測衛(wèi)星）；[3]地 基太陽望遠(yuǎn)鏡如果精細(xì)到考慮地面大氣湍流效應(yīng)、儀器實(shí)際狀態(tài)，其焦平面位置實(shí)際是振 蕩變化，可以應(yīng)用鎖焦技術(shù)（目前國內(nèi)沒有應(yīng)用，僅在我自調(diào)焦實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)有焦面振蕩現(xiàn) 象）。
[0004] 對于判焦方法本身，目前除了本發(fā)明之外，實(shí)時(shí)自動(dòng)太陽像調(diào)焦技術(shù)還沒有取得 實(shí)質(zhì)性可應(yīng)用突破。國內(nèi)太陽像自動(dòng)調(diào)焦研宄大多采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)特定的圖像板、特定景物、 人造數(shù)值圖像來進(jìn)行調(diào)焦測試（參考文獻(xiàn)[1-4])。這些方法并不是真正的太陽實(shí)測應(yīng)用。 太陽觀測對象多種多樣，空間特征結(jié)構(gòu)不盡相同，不能將在其它領(lǐng)域成功的調(diào)焦方案、數(shù)學(xué) 模型直接照搬（參考文獻(xiàn)[7-10])。為了讓實(shí)測像質(zhì)達(dá)到最佳，一個(gè)復(fù)雜的太陽觀測系統(tǒng)應(yīng) 當(dāng)具備不同的調(diào)焦模式，根據(jù)觀測對象的調(diào)用相應(yīng)的調(diào)焦模式（米粒模式、黑子模式、譜斑 模式、暗條模式、半影纖維模式等）。
[0005] 本發(fā)明實(shí)際就是一種調(diào)焦模式發(fā)明：全日面調(diào)焦模式，主要針對34角分左右的太 陽完整圓面觀測視場，其次針對包含太陽邊緣的局部圓面觀測視場（參考文獻(xiàn)[11-14])。
[0006] 主要參考文獻(xiàn)附錄
[0007] [1]李曉燕，朱慶生，天文研宄與技術(shù)，2008,Vol. 5,No. 3
[0008] [2]郭玲華，丁曉青，方卯發(fā)，光學(xué)技術(shù)，2003,Vol. 29,No. 4
[0009] [3]王二超，等，科技導(dǎo)報(bào)，2006,Vol. 24,No. 8
[0010] [4]黃江，吳開成，關(guān)富玲，2003,Vol. 10,No. 6
[0011] [5]Kuhn，J.R.etal.，2004,ApJ，613,1241
[0012] [6]Zhang，H.Q.，etal.，2007,ChJAA，7, 281.
[0013] [7]歐玫華，歐凌，中國眼鏡科技雜志，2005,11，83
[0014] [8]歐玫華，歐凌，中國眼鏡科技雜志，2005,9,99
[0015] [9]鮑歌堂，趙輝，陶衛(wèi).上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,Vol. 39,No. 1
[0016] [10]賈曉飛，等，激光與紅外，2009,Vol. 39,No. 6
[0017] [ll]The3rdSOLAR-CScienceDefinition，lOOctober，2010 @HotelLa Torre，Mondello,Palermo，Italy
[0018] [12]The2ndSOLAR-CScienceDefinition，9-12March，2010 @ISAS/JAXA SagamiharaCampus
[0019] [13]TheMinutesofInter-AgencyMeetingforS0LAR-C,12March,2010 @ISAS/JAXASagamiharaCampus
[0020] [14]SOLAR-CScienceDefinitionMeeting2008,18-21November,2008 @ISAS/JAXASagamiharaCampus
[0021] [15]Ai，G.X.，Hu，Y.F.，1986,PubLBeijingAstron.Obs.，8,p. 6
[0022] [16]Ai，G.X.，Hu，Y.F.，1986,PubLBeijingAstron.Obs.，8,P. 86
[0023] [17]王曉帆博士論文，2010,第五章

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種太陽觀測的焦面自準(zhǔn)測量方 法，利用其可精密測量離焦評價(jià)參量的方法，且無需對測量系統(tǒng)進(jìn)行人為判斷干預(yù)，填補(bǔ)國 內(nèi)現(xiàn)有太陽觀測的技術(shù)空白。
[0025] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計(jì)方案：
[0026] 1)將輸入包含太陽邊緣點(diǎn)的圖像，根據(jù)太陽在CXD相機(jī)上的位置劃分成9種不同 可能的情況（日心靠近四個(gè)角、日心靠近四條邊、日心臨近CXD正中心），對圖像進(jìn)行判斷屬 于9種情況的哪一種并進(jìn)入相應(yīng)計(jì)算模塊。如果存在例外情況（一般是云遮擋，這種情況 一般不會進(jìn)行調(diào)焦；或太陽中心偏處CCD靶面太多，這種情況浪費(fèi)了視場，觀測中也不易出 現(xiàn)），則采用的簡化方法，忽略太陽的具體位置，直接用梯度類算子提取太陽邊緣，建立可能 的邊緣點(diǎn)集合并跳過2)。
[0027] 2)對9中不同的太陽像位置情況，設(shè)定9中對應(yīng)模塊。在每一個(gè)太陽邊緣點(diǎn)附近 切割縱向和橫向線段，根據(jù)太陽臨邊昏暗規(guī)律的曲線，逐一提取臨邊昏暗曲線上的反轉(zhuǎn)點(diǎn) (inflexionpoint)。建立太陽邊緣點(diǎn)集合（圖2)。
[0028]3)對點(diǎn)集{步i(R，XcrX1,y) }進(jìn)行矩陣建模X?A=B、線性化、最小二乘擬合 處理求解。約束方程如（1)所示。其中N越大則對噪聲的壓制效果越好。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種全日面觀測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自調(diào)焦方法，其特征在于：提供一種太陽觀測的焦面自 準(zhǔn)測量方法，利用其可精密測量離焦評價(jià)參量的方法，且無需對測量系統(tǒng)進(jìn)行人為判斷干 預(yù)，該方法的步驟如下： 1) 將輸入包含太陽邊緣點(diǎn)的圖像，根據(jù)太陽在CCD相機(jī)上的位置劃分成9種不同可能 的情況，如果存在例外情況，則采用的簡化方法，忽略太陽的具體位置，直接用梯度類算子 提取太陽邊緣，建立可能的邊緣點(diǎn)集合并跳過2); 2) 在每一個(gè)太陽邊緣點(diǎn)附近切割縱向和橫向線段，根據(jù)太陽臨邊昏暗規(guī)律的曲線，逐 一提取臨邊昏暗曲線上的反轉(zhuǎn)點(diǎn)（inflexion point)，建立太陽邊緣點(diǎn)集合； 3) 對點(diǎn)集{ Φ i (R，X。，y。，X1, Y1)}進(jìn)行矩陣建模X · A = B、線性化、最小二乘擬合處理 求解，約束方程如（1)所示； 4) 定義判焦參數(shù)dev，本發(fā)明將點(diǎn)集到擬合日心點(diǎn)（xe，y。）形成 的所有距離的集合的均方差定義做判焦參數(shù)（即該距離集合的彌散度）； 5) 在焦平面前后按一定步長采像并同時(shí)按1)至4)過程獲得dev，取最小值作為最佳 焦距位置（可以不必?cái)M合dev曲線）。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全日面觀測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自調(diào)焦方法，其特征在于：步驟 2)中，所述的點(diǎn)集{'Ο?，Xyyc^Xpy1M建立過程中每一個(gè)太陽邊緣點(diǎn)都是限定在臨邊昏 暗規(guī)律限定在一個(gè)范圍中去尋找，下限采用該點(diǎn)附近切割線光強(qiáng)高度差的〇. 4倍（實(shí)測邊 緣點(diǎn)在強(qiáng)度曲線的位置略高于Milne-Eddington模型）。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全日面觀測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自調(diào)焦方法，其特征在于：步驟 2)中，點(diǎn)集的約束方程如公式（1)所示。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全日面觀測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自調(diào)焦方法，其特征在于：步驟 2) 中，約束方程構(gòu)造最小二乘問題的函數(shù)表達(dá)式如公式（2)所示。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全日面觀測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自調(diào)焦方法，其特征在于：步驟 3) 中，最小二乘能夠線性化為X ·Α = Β，并且存在精確解析表達(dá)式，其各項(xiàng)表達(dá)式如（3)所 不O
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全日面觀測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自調(diào)焦方法，其特征在于：步驟 4)中，將邊緣點(diǎn)集合的（Xl，yi)坐標(biāo)相對于日心坐標(biāo)擬合結(jié)果的彌散度（標(biāo)準(zhǔn)偏差）作為 離焦面評價(jià)參數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及全日面望遠(yuǎn)鏡觀測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自調(diào)焦方法，我國太陽觀測學(xué)科領(lǐng)域還沒有一種能成功應(yīng)用的自動(dòng)調(diào)焦方法，而是憑借人眼和個(gè)體經(jīng)驗(yàn)判斷焦距及圖像質(zhì)量。本發(fā)明是首次太陽“邊緣彌散度”自動(dòng)調(diào)焦的方法發(fā)明。通過自動(dòng)掃描一段焦面前后位置的全日面像計(jì)算出最佳焦距位置。本發(fā)明按數(shù)學(xué)模型逐一截取日面邊緣精確點(diǎn)并構(gòu)造集合，最小二乘擬合出日心坐標(biāo)，再求解邊緣點(diǎn)集到日心的方差，以此作為焦距評價(jià)參數(shù)。通過國家天文臺懷柔太陽觀測站多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本發(fā)明成熟、穩(wěn)定、精確，可以廣泛應(yīng)用于各類光球和色球全日面望遠(yuǎn)鏡觀測系統(tǒng)，適當(dāng)修改后也可應(yīng)用于包含部分日面邊緣的觀測系統(tǒng)。本發(fā)明尤其對空間衛(wèi)星平臺的全日面觀測非常適用。
【IPC分類】G02B7-36
【公開號】CN104678534
【申請?zhí)枴緾N201510056279
【發(fā)明人】王曉帆
【申請人】中國科學(xué)院國家天文臺
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月4日