郭守敬望远镜简称LAMOST是我国自行设计、建造的兼具大视场和大口径的多目标光谱巡天装置。LAMOST望远镜的两大关键子系统之一是焦面光纤定位系统,该系统核心由4000个类机器人的光纤定位单元驱动光纤追踪成像在焦面的天体目标,并将天体的光信号通过光纤导入到光谱仪端进行分析研究。目前光纤定位系统采用的是开环运行模式,每个光纤定位单元的运行精度会受到步进电机运动精度、减速器齿轮加工精度,焦面面型随温度变化,以及望远镜镜筒内空气扰动等多种因素影响。现有的开环定位方式很难满足4000个光纤定位单元定位误差小于40微米的要求。随着新一代光谱巡天望远镜的技术要求进一步提高,对光纤定位单元的尺寸要求缩小至10毫米以下,定位误差进一步减小到10微米,因此有必要研究针对大尺度焦面上数千根光纤位置的高精度实时检测技术。目前LAMOST望远镜正在进行光纤位置检测系统的升级,通过在光纤定位系统中增加高精度光纤位置检测系统,将原有开环运行模式改变为闭环运行模式。该系统对1.75米直径焦面上安装的4000根直径320微米的光纤进行快速检测,并将检测到的位置偏差反馈给控制系统进行多次迭代修正,可大幅度提高系统运行效率和定位精度。为了使光纤位置的检测系统在LAMOST望远镜观测中能够满足光纤定位的精度要求,本论文着重围绕下一代光谱巡天望远镜上焦面光纤位置的高精度检测技术,开展了如下研究:1.针对现有LAMOST望远镜结构特点进行了详细分析,设计了一套远距离高精度光纤位置实时检测系统。该系统设计将多台相机架设在望远镜主镜MB的周围,距离20米对焦面板上安装的4000个光纤目标同时进行位置检测,并可将检测到的光纤位置偏差反馈给控制系统,驱动光纤定位单元通过多轮定位达到40微米的定位精度。由于该检测系统对光纤这类微小目标的检测精度和识别速度要求极高,为了保证系统各环节满足高精度光纤位置检测的要求,本文对检测系统中影响精度的关键性环节逐一进行了分析研究,从而确保检测系统的精度能满足设计定位精度20微米的要求。2.分析了视觉检测系统的镜头视场畸变对检测精度的影响,提出了利用高精度点阵标准靶修正镜头成像误差影响的方法,提高视觉检测系统测量精度。论文建立了 一套高精度光纤位置检测系统精度模型,在近距离400毫米范围内针对双远心镜头不同视场范围内由镜头畸变带来的影响开展了一系列实验,获得了大口径双远心镜头在不同视场范围内畸变的变化情况。利用标准靶通过多项式拟合方法修正检测系统误差,经一系列实验验证,对双远心镜头在75mm×75mm视场范围内可通过5个参数将检测系统误差修正在10微米以内。最后利用标定过的双远心镜头检测系统在实验室条件下模拟闭环检测反馈实验,将光纤定位单元的定位误差控制在20微米以内。3.建立了一套以参考光纤为固定测量基准的误差修正体系,解决了远距离、大尺度条件下因空气扰动和温度变化等引起的系统不稳定的问题。为研究远距离条件下检测系统误差的影响和修正,本文在实验室内模拟郭守敬望远镜光路条件,即距离20米对直径约500毫米的小焦面系统建立了一套高精度光纤位置检测系统。通过该系统对远距离、大尺度、高精度光纤位置检测方案进行实验验证。通过采用标准靶或参考光纤作为整个检测系统测量基础框架,可获得稳定可靠的误差修正参数。实验表明无论是采用激光跟踪仪测量参考光纤位置获得的位置数据还是由大标靶测量参考光纤所获得数据,在通过参考光纤基准参数后,计算小标准靶残差,系统检测精度均小于20微米。最后通过该套检测系统针对小焦面板上235个光纤定位单元定位精度进行测试,单元随机走点和84个标准点阵的定位精度在经过三次修正走位后小于40微米,满足LAMOST闭环升级改造系统的指标。4.提出了一种基于前照的高精度光纤位置图像识别方法,可以快速识别光纤定位单元运行状态,并对单元运行过程中的碰撞进行预警。当前基于背照的光重心法,仅能获得光纤发光光点信息,无法判断光纤定位单元运行时的状态和后续防碰撞路径的动态规划。为此,提出了一种基于前照的高精度光纤位置识别方法,基于改进的霍夫算法,实现了前照条件下对LAMOST望远镜上大规模微小光纤陶瓷头目标进行了精确识别,从而可以利用视觉识别方法对光纤定位单元运转进行评估和碰撞预警,并降低当前系统复杂度,增加系统运行可靠性。5.将深度学习方法结合霍夫图像算法提高了在前照模式下光纤端部识别准确率,解决了前照条件的多目标光纤识别、检测问题。在高分辨率图像中,检测筛选出图像尺寸占比较小的光纤是将前照检测方法应用于大规模光纤位置检测的一个瓶颈,为了解决前照识别光纤位置方法中光纤定位单元的金属部件反光和其他杂散光的对光纤位置识别的影响,本论文结合深度学习算法,利用深度学习网络训练,可以快速准确的从复杂的图像环境中识别出所有光纤陶瓷头的位置。突破了大规模光纤位置前照检测的瓶颈,取得了高精度的实验室检测精度,有力地促进了光纤位置检测技术的发展和完善。