麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡雙視場終端的控制與圖像采集*

穆恒宇，王希群，馬 琳，柳光乾

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650216；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

目前國內(nèi)只有興隆2.16 m望遠(yuǎn)鏡和麗江2.4 m望遠(yuǎn)鏡兩臺(tái)2米級的大型地基光學(xué)通用望遠(yuǎn)鏡[1]，但天文領(lǐng)域研究目標(biāo)眾多，對不同科學(xué)目標(biāo)的研究需要匹配不同的終端觀測設(shè)備，而望遠(yuǎn)鏡的終端接口有限，無法同時(shí)安裝各種終端觀測設(shè)備[2]。麗江2.4 m望遠(yuǎn)鏡共有5個(gè)卡焦終端接口，目前已有多波段測光系統(tǒng)、云南暗弱天體光譜及成像儀、麗江太陽系外行星探測器、高色散光譜儀和中國麗江積分視場光譜儀5套主要終端設(shè)備[3-4]。為了滿足天文學(xué)家對不同科學(xué)目標(biāo)的觀測需求，為2.4 m望遠(yuǎn)鏡的卡焦研制了一個(gè)雙視場天文觀測終端，其目標(biāo)是改變觀測系統(tǒng)的視場和圖像比例尺等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速測光和高分辨成像等天文觀測，進(jìn)行快速時(shí)變天文現(xiàn)象的研究，如觀測恒星大尺度短時(shí)標(biāo)的光學(xué)閃爍和耀斑現(xiàn)象、測定極短周期食雙星系統(tǒng)和觀測亞角秒時(shí)標(biāo)量級的恒星脈動(dòng)等[5-6]，對研究暗弱伴星及太陽系內(nèi)行星具有重要作用，通過短時(shí)間曝光消除大氣湍流對成像的影響，保留目標(biāo)源的高頻信息，重建出接近地基望遠(yuǎn)鏡衍射極限的高分辨率圖像，能夠高精度復(fù)原目標(biāo)源的精細(xì)結(jié)構(gòu)[7-8]。

1 雙視場終端對控制和圖像采集系統(tǒng)的要求

該雙視場終端采用雙通道共焦光學(xué)系統(tǒng)，波段覆蓋范圍為350～950 nm，基本原理和實(shí)物如圖1。最前端是濾光片轉(zhuǎn)輪，分別安裝U, B, V, R, I共5個(gè)波段的濾光片和一個(gè)補(bǔ)償板。濾光片輪之后是望遠(yuǎn)鏡的卡焦焦面，即該終端的物面，之后依次是前固定透鏡組、變倍透鏡組(包括高倍率透鏡組和低倍率透鏡組，高倍率透鏡組用于小視場成像，低倍率透鏡組用于大視場成像)、后固定透鏡組和EMCCD。變倍透鏡組中的高倍率透鏡組和低倍率透鏡組分時(shí)復(fù)用，即不同時(shí)出現(xiàn)在光路中；前透鏡組、后透鏡組和EMCCD是大小視場成像的共用組件。

圖1 麗江2.4 m望遠(yuǎn)鏡雙視場終端。(a)原理圖[9]；(b)實(shí)物圖Fig.1 Dual-FOV terminal on Lijiang 2.4-meter telescope. (a) Schematic[9]; (b) Actual product

當(dāng)終端工作在小視場時(shí)，焦比為F/32，視場為0.85′，EMCCD像素比例尺為0.035″；當(dāng)終端工作在大視場時(shí)，焦比為F/3，視場為9′，EMCCD像素比例尺為0.37″。在不同視場進(jìn)行觀測時(shí)，控制系統(tǒng)要快速、精確地實(shí)現(xiàn)高倍率透鏡組和低倍率透鏡組之間、以及濾光片之間的自動(dòng)切換，且切換時(shí)間小于30 s。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求，透鏡組切換時(shí)定位精度優(yōu)于 ±2′，濾光片切換時(shí)定位精度優(yōu)于 ±5′。為實(shí)現(xiàn)高分辨圖像統(tǒng)計(jì)重建，要求EMCCD能快速采集并存儲(chǔ)大量的序列斑點(diǎn)圖，另外，快速測光也要求能快速采集大量的圖像，圖像采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)能連續(xù)穩(wěn)定工作，并充分發(fā)揮所選EMCCD相機(jī)的極限圖像采集速度。

2 控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2，系統(tǒng)主要包括3部分：(1)高倍率透鏡組與低倍率透鏡組的光路切換控制；(2)濾光片輪的旋轉(zhuǎn)控制；(3)EMCCD相機(jī)的控制及圖像采集與存儲(chǔ)。3個(gè)模塊集成到一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)上。透鏡組切換和濾光片輪旋轉(zhuǎn)采用兩個(gè)單獨(dú)的電機(jī)，同一臺(tái)多路驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)與負(fù)載之間的傳動(dòng)比都是1∶1的直接驅(qū)動(dòng)，沒有傳動(dòng)系統(tǒng)帶來的中間誤差。兩臺(tái)電機(jī)采用德國Beckhoff公司的AM8013同步伺服電機(jī)(1)http://www.beckhoff.com.cn/cn/Document/download/2015main_drive_cn.pdf，在電機(jī)軸上裝配18位絕對編碼器，分辨率優(yōu)于0.5″，精度優(yōu)于5″。電機(jī)軸上還配有抱軸制動(dòng)器，系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)到位時(shí)可對軸進(jìn)行鎖定。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器采用Beckhoff公司配套的AX5203驅(qū)動(dòng)控制器，可同時(shí)控制兩臺(tái)電機(jī)，電機(jī)、編碼器和制動(dòng)器采用單電纜技術(shù)與驅(qū)動(dòng)器相連，驅(qū)動(dòng)器通過EtherCAT現(xiàn)場總線與計(jì)算機(jī)通信，電機(jī)位置規(guī)劃、位置和速度控制算法以及邏輯控制在Beckhoff實(shí)時(shí)內(nèi)核TwinCAT3.0[10]平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，然后通過應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface, API)函數(shù)與圖像采集軟件集成，實(shí)現(xiàn)電機(jī)狀態(tài)、位置反饋以及人機(jī)操控接口等信息交互。

圖2 控制與圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

采用ANDOR公司iXon Ultra 888型EMCCD相機(jī)(2)Andor iXon Ultra 888 Hardware Guide，靶面為1 024 × 1 024，像元大小為13 μm，A/D為16位，單幀數(shù)據(jù)為2 M，全靶面讀出速度為26 frame/s。EMCCD的圖像采集和相機(jī)控制通過USB3.0與控制計(jì)算機(jī)相連。

該終端系統(tǒng)的大視場和小視場分時(shí)復(fù)用，但都要求對圖像進(jìn)行快速采集與存儲(chǔ)，觀測時(shí)還要求對應(yīng)不同的濾光片?？傮w觀測控制流程如下：

(1)根據(jù)觀測需求，選擇不同的視場，然后切換到對應(yīng)的透鏡組，并通過位置編碼器判斷系統(tǒng)是否切換到位；

(2)根據(jù)觀測波段，選擇濾光片，并通過位置編碼器判斷濾光片輪是否轉(zhuǎn)動(dòng)到位；

(3)使望遠(yuǎn)鏡指向觀測目標(biāo)，并根據(jù)相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測圖像，判斷是否進(jìn)行圖像采集；

(4)進(jìn)行圖像采集與存儲(chǔ)，并判斷是否需要結(jié)束采集；

(5)完成一次觀測，進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，并判斷是否進(jìn)行后續(xù)觀測或關(guān)閉系統(tǒng)。

2.2 濾光片輪與透鏡組切換控制

濾光片輪與透鏡組切換控制采用相同的控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為三層閉環(huán)控制，從內(nèi)到外分別是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，分別控制電機(jī)的電流、速度和位置，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of control system

電流控制算法由AX5203驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行，速度控制算法和位置控制算法則利用TwinCAT3.0內(nèi)核執(zhí)行[11]，都采用比例積分微分(Proportion Integration Differentiation, PID)控制算法，電流環(huán)和速度環(huán)的控制算法保證電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，位置控制算法則確保系統(tǒng)的定位精度。在TwinCAT3.0開發(fā)平臺(tái)上，各控制模式的實(shí)現(xiàn)如圖4。圖4(a)是電機(jī)三層閉環(huán)控制的具體實(shí)現(xiàn)，位置環(huán)采用比例控制，即在PID控制中只啟用比例(P)控制，速度環(huán)和電流環(huán)采用比例和積分控制，即PI控制。圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)分別是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)更為具體的結(jié)構(gòu)，包括輸入、輸出、反饋、積分時(shí)間、信號限幅、加速減速的曲線規(guī)劃等。

圖4 電機(jī)控制在 TwinCAT3.0平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)。(a)三層閉環(huán)總體控制結(jié)構(gòu)；(b)電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)；(c)速度閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)；(d)位置閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

2.3 EMCCD相機(jī)的控制與圖像采集

EMCCD相機(jī)的控制功能包括機(jī)械快門、電子快門、冷卻溫度、曝光時(shí)間、曝光模式、倍增倍數(shù)等功能設(shè)定和采集存儲(chǔ)速度性能的控制[12]。為達(dá)到快速測光和序列斑點(diǎn)圖快速采集的目標(biāo)，使相機(jī)工作在連續(xù)采集模式，倍增倍數(shù)根據(jù)觀測目標(biāo)的星等、曝光時(shí)間要求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)相機(jī)的連續(xù)曝光并以最快的速度讀出以及圖像連續(xù)采集與存儲(chǔ)，系統(tǒng)采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，圖像采集和存儲(chǔ)工作在最高的優(yōu)先級。圖像采集流程如圖5。

圖5 相機(jī)控制與圖像采集流程Fig.5 Flowchart of camera control and image acquisition

為了提高圖像采集速度和系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，在圖像采集、圖像存儲(chǔ)、圖像顯示線程之間建立100幀的圖像緩沖區(qū)，幾個(gè)線程采用互鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步與共享，以降低線程之間的阻塞率，提高系統(tǒng)的工作速度和穩(wěn)定性。

2.4 軟件與人機(jī)接口設(shè)計(jì)

該終端系統(tǒng)的控制與圖像采集軟件的基本架構(gòu)是圖像采集與電機(jī)控制運(yùn)行在不同的進(jìn)程，而相機(jī)控制、圖像采集、存儲(chǔ)與顯示、切換機(jī)構(gòu)人機(jī)接口等運(yùn)行在圖像控制進(jìn)程中的不同線程下。軟件在Windows7平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，使用Visual Studio 2015的MFC開發(fā)，系統(tǒng)切換、濾光輪控制、相機(jī)的控制、圖像采集與人機(jī)操控接口為可視化界面，如圖6。該界面提供相機(jī)啟停、快門和采集模式設(shè)置、溫度設(shè)置、存儲(chǔ)設(shè)置、圖像顯示及相機(jī)狀態(tài)顯示，界面也包含鏡組切換及濾光輪切換電機(jī)的目標(biāo)位置選擇、當(dāng)前位置顯示及制動(dòng)控制。電機(jī)控制在后臺(tái)的TwinCAT3.0內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)，高倍率透鏡組與低倍率透鏡組切換，以及濾光輪控制的人機(jī)操控接口與TwinCAT3.0內(nèi)核中電機(jī)控制程序之間的通信采用TwinCAT3.0提供應(yīng)用程序接口函數(shù)進(jìn)行信息交互。

圖6 可視化界面Fig.6 Visual interface

3 系統(tǒng)測試及結(jié)果

3.1 濾光輪與透鏡組電機(jī)控制回路參數(shù)整定

根據(jù)圖4和電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的目標(biāo)，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，以階躍響應(yīng)曲線為判斷依據(jù)，整定各回路PID控制參數(shù)。具體過程：從電流環(huán)開始，調(diào)整電流環(huán)PID參數(shù)，監(jiān)控電流輸出的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差是否平穩(wěn)，平穩(wěn)之后再調(diào)整速度環(huán)PID參數(shù)，監(jiān)控速度輸出的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差是否平穩(wěn)，平穩(wěn)之后再調(diào)整位置環(huán)PID參數(shù)，并監(jiān)控位置環(huán)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。帶上負(fù)載進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，最終得到各閉環(huán)控制回路的PID參數(shù)如表1。

表1 電機(jī)各控制回路的PID參數(shù)Table 1 PID parameters of each motor control loop

3.2 濾光輪切換位置精度測試

由于濾光片輪由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸上的絕對編碼器標(biāo)識了濾光輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角位置。但每一個(gè)濾光片絕對的精確位置(或?qū)?yīng)于編碼器的實(shí)際位置)需要用光學(xué)方法標(biāo)定。為了完成控制的定位精度在實(shí)驗(yàn)室的測試，濾光片轉(zhuǎn)輪的6個(gè)位置對應(yīng)的編碼器暫定為0°、60°、120°、180°、240°、300°。然后控制濾光輪電機(jī)按照這些點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，分別測試某個(gè)點(diǎn)正向(編碼器讀數(shù)增大的方向)復(fù)位精度、反向(編碼器讀數(shù)減小的方向)復(fù)位精度，并記錄編碼器反饋值與給定值之間的誤差，測量次數(shù)為200次，即采集200個(gè)誤差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。測試結(jié)果如圖7，圖7(a)給出了120°點(diǎn)的正向定位精度，圖7(b)給出了120°點(diǎn)的反向定位精度，圖7(c)和圖7(d)分別給出了60°點(diǎn)、180°點(diǎn)的正向定位精度。為確認(rèn)任意一次控制的定位精度都滿足要求，統(tǒng)計(jì)誤差峰谷值(Peak-to-Valley value, P-V)、最大正偏離和最大負(fù)偏離。圖7(a)和圖7(b)為120°點(diǎn)正反向的峰谷值分別為0.36′和0.42′，最大正偏離分別為0.18′和0.24′，最大負(fù)偏離分別為-0.18′和-0.18′，表明濾光輪的正反向定位精度都能滿足系統(tǒng) ±5.0′的精度要求。圖7(a)、圖7(c)、圖7(d)為120°、60°、180°不同點(diǎn)的峰谷值分別為0.36′、0.49′、0.60′，最大正偏離分別為0.18′、0.25′、0.30′，最大負(fù)偏離分別為 -0.18′、-0.24′、-0.30′，表明濾光輪的任意點(diǎn)的定位精度都能滿足系統(tǒng) ±5.0′ 的精度要求。

圖7 濾光片切換電機(jī)定位誤差。(a)120°點(diǎn)的正向定位誤差；(b)120°點(diǎn)的反向定位誤差；(c)60°點(diǎn)的正向定位誤差；(d)180°點(diǎn)的正向定位誤差

3.3 透鏡組切換位置精度測試

與濾光輪切換結(jié)構(gòu)相同，透鏡組切換電機(jī)也是直接驅(qū)動(dòng)切換裝置，兩個(gè)點(diǎn)同樣需要光學(xué)定標(biāo)，為了控制系統(tǒng)能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行定位精度測試，設(shè)定120°和300°兩個(gè)點(diǎn)，120°為小視場系統(tǒng)，300°為大視場系統(tǒng)。測量次數(shù)為200次，誤差分布如圖8。圖8(a)和圖8(b)的峰谷值分別為0.54′和0.66′，最大正偏離分別為0.24′和0.30′，最大負(fù)偏離分別為-0.30′和-0.36′，表明小視場系統(tǒng)和大視場系統(tǒng)的定位精度都能滿足系統(tǒng)±2.0′的精度要求。

圖8 小視場與大視場電機(jī)位置定位誤差。(a)120°的定位誤差；(b)300°的定位誤差Fig.8 Motor positioning error in the small and large FOV position. (a) Positioning error in 120°; (b) Positioning error in 300°

3.4 圖像采集系統(tǒng)測試

圖像采集系統(tǒng)的測試包括相機(jī)控制的功能測試和圖像采集系統(tǒng)速度與穩(wěn)定性測試。功能的測試相對簡單，本文重點(diǎn)進(jìn)行圖像采集系統(tǒng)的性能測試。圖像系統(tǒng)的測試就是測試圖像采集的速度，以及是否穩(wěn)定工作在相機(jī)的最大速度。測試結(jié)果如圖9。圖9(a)是短時(shí)標(biāo)的測試，為相機(jī)連續(xù)采集5 000幀時(shí)的速度變化，采用前后相鄰兩幀之間的時(shí)間差計(jì)算采集速度，最后得到平均工作速度為25.79 frame/s，速度波動(dòng)的峰谷值為0.25 frame/s。圖9(b)是長時(shí)標(biāo)的測試，相機(jī)連續(xù)采集2 h，采用1 min采集到的圖像幀數(shù)計(jì)算采集速度，最后得到相機(jī)平均工作速度為25.78 frame/s，速度波動(dòng)的峰谷值為0.30 frame/s。短時(shí)標(biāo)和長時(shí)標(biāo)的測試結(jié)果都表明：相機(jī)工作速度與理論值26 frame/s相當(dāng)，表明圖像采集系統(tǒng)完全發(fā)揮了該相機(jī)的最大采集速度并能穩(wěn)定工作。

圖9 圖像采集系統(tǒng)的工作速度測試。(a)短時(shí)標(biāo)的圖像采集速度；(b)長時(shí)標(biāo)的圖像采集速度

4 總 結(jié)

2.4 m雙視場天文觀測終端已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室完成了光機(jī)電的聯(lián)調(diào)，并對控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的性能和功能測試。位置編碼器與光學(xué)系統(tǒng)之間的偏差還需要進(jìn)一步用光學(xué)方法標(biāo)定，但它是一個(gè)固定的偏差，并不影響濾光片輪、大小視場之間的位置切換精度的測試結(jié)果。所以以上的測試方法是可行的，測試結(jié)果也表明，該終端的控制和圖像采集系統(tǒng)達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。