太阳色球图像的选帧处理

讲述抚仙湖太阳观测站的色球图像的选帧处理,主要针对观测数据的网上发布,处理过程主要由选帧和简单位移叠加(SAA)组成。使用在太阳光球图像处理中提出的斑点干涉术选帧法对图像进行选取。对太阳等扩展目标,简单位移叠加的位移量由图像和参考图像的相关极大值位置确定,参考图像选像质最好的一帧。选帧处理过程算法简单,处理速度快,相比斑点掩模法可以节省大量的重建时间,通过观察得到的处理结果还可以确定数据是否有用斑点掩模法进行进一步处理的必要。     

基于GPU的HOTPANTS并行优化

HOTPANTS是天文领域的重要工具,它主要是天文图像相减技术的具体实现,在凌日行星观测、引力透镜观测、寻找超新星以及发现天文现象的数据处理中发挥着重要作用。现阶段HOTPANTS经常被用在天文实时观测数据处理的流水线上,但是HOTPANTS在处理大规模的天文图像(7 K×7 K-10 K×10 K)时十分耗时。在分析HOTPANTS的性能瓶颈之后,提出并实现了基于图形处理器(Graphic Processing Unit,GPU)的HOTPANTS的并行优化方法。优化的HOTPANTS在处理大规模图像时,整体性能提升了2~3.5倍,卷积部分计算效率提升了6~13倍,并且通过图形处理器优化之后HOTPANTS的误差在天文领域是可以接受的。     

基于USB2.0总线数据侦听的实时幸运成像系统

为进一步提高现有实时幸运成像系统的实时性,针对第二代通用串行总线(Universal Serial Bus 2.0, USB2.0)接口的电子倍增电荷耦合(Electron Multiplying Charge-Coupled Devices, EMCCD)相机进行幸运成像观测的情况,提出了一个基于USB2.0总线数据侦听的实时幸运成像技术方案,进行了侦听电路的硬件设计和数字逻辑设计,搭建了一个具有实时侦听、传输、处理、动态更新和显示的幸运成像系统。当相机拍摄天文图像并与个人计算机(Personal Computer, PC)进行数据交互时,系统的USB2.0总线数据侦听子系统就会对交互的USB2.0总线实现无侵入式侦听,并且加以分析处理后,只将有效的天文图像数据发送给底层现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)开发板中的幸运成像子系统,然后幸运成像子系统对接收的数据进行预处理、动态选图、实时配准和叠加处理,最后采用9个实时分割阈值水平切割高分辨率图像并对二值图像进行动态更新和显示。实验结果表明,所实现的系统能够对在USB2.0总线上连续传输的10 000帧512×512像素的图像进行实时侦听、幸运成像和动态更新显示,实现了幸运成像技术的实时化。     

怀柔太阳观测基地三通道太阳望远镜局域网内远程观测终端系统设计

利用怀柔三通道太阳磁场望远镜对太阳进行多层次同步观测可以同时获得日面不同层次的活动图像,这对于更好的理解太阳物理有着重要意义.本文基于怀柔三通道太阳磁场望远镜开发了在局域网内能够对三通道CCD进行同步观测的远程终端观测系统,并通过此系统实现了怀柔基地三通道望远镜和小磁场望远镜的协同观测.系统设计采用vc.net集成开发环境,使用TCP/IP协议,通过套接字网络编程,对三通道太阳望远镜的三个CCD进行同步远程控制,目前系统已经在局域网内实现了图像数据和相机控制命令的传输等远程观测功能,大大降低了观测成本,并取得了初步的观测结果.     

一种固定选图数的实时幸运成像算法

幸运成像技术是一种从大量短曝光图像中选取少量幸运好图进行配准、叠加的高分辨率图像恢复技术,能够有效减小大气湍流对图像质量的影响,但传统的基于中央处理器(Central Processing Unit,CPU)的幸运成像算法难以实现实时化。利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的并行性和灵活性优势,提出了一种新的基于现场可编程门阵列的幸运成像算法,并构建了一个现场可编程门阵列实验系统。该算法采用一种固定选图数且无需排序的图像选择策略和一种以行列坐标为基准的图像配准策略,能够有效节省算法处理时间和硬件资源,达到实时幸运成像的目的。实时幸运成像算法能够以简洁的方式在中小规模的现场可编程门阵列上实现,所得高分辨率图像与基于传统中央处理器算法处理的结果完全相同。实验表明,对于2000帧128×128像素的输入图像进行幸运成像,本算法的运行速度比本实验室之前提出的算法快27倍,比传统的基于CPU+MATLAB幸运成像算法速度快150多倍,处理帧率可达197帧/秒。该算法及其现场可编程门阵列实现技术可以用于构建真正实时的幸运成像系统。     

基于Mark5B＋GPU脉冲星观测系统

云南天文台40m射电望远镜进行的脉冲星观测数据量巨大,必须实现数据的实时处理,否则将会产生海量的数据积压.为实现这一目标,采用图形处理器架构,对Mark5B数据进行解码、消色散、折叠等处理.实验结果表明,对以1s8MB的实时采样,可以在0.51s内处理完成,从而实现了实时处理的要求.首先介绍这一观测系统各部分的图形处理器实现,然后相对于传统中央处理器构架,对各部分的运算速度进行了详细的对比.针对时间开销最大的消色散部分,分析了单次傅里叶变换的数据量大小对执行效率的影响.从系统最终的输出轮廓和柱状图上可以看到实时处理的结果符合要求.最后对存在的问题和未来的工作进行了讨论.     

Hα全日面太阳图像云污染的去除

Hα全日面太阳图像对太阳物理研究有着重要的意义,但其观测过程中可能受天气的影响,导致观测图像含有云层覆盖的污染。主要通过对这种Hα全日面太阳图像的云污染进行处理,从而得到较为清晰的太阳活动细节。具体算法为:首先将含云污染的图像扣除模板图像的标准临边昏暗轮廓,然后对其进行中值滤波获得云层图像,最后在原始图像上扣除云层图像得到修复后的全日面图像。实验证明此方法可以有效地去除Hα全日面太阳图像上的云污染,并对太阳活动区域影响较小。     

基于FPGA的空间太阳磁像仪自校正稳像系统研制

太阳磁像仪是开展太阳磁场观测研究的核心仪器,其中的稳像系统是空间太阳磁像仪的关键技术之一,针对深空探测卫星系统对载荷重量、尺寸限制严苛的要求,设计了基于图像自校正方法的稳像观测系统.介绍了一套基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)和数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP),通过基于自相关算法的高精度稳像方法设计,并结合精确偏振调制、准确交替采样控制等系统软硬件设计,克服由于卫星平台抖动、指向误差等因素造成的图像模糊,实现实时相关、校正、深积分的稳像观测系统.针对像素尺寸为1 K×1 K、帧频为20 fps的CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)探测器,实现了1像元以内的实时稳像观测精度.在完成实验室测试后, 2021年6月18日在国家天文台怀柔太阳观测基地35 cm太阳磁场望远镜上开展了实测验证,结果表明该系统能够有效地完成太阳磁像仪自校正稳像观测,获得了更高分辨率的太阳磁场数据.稳像系统的成功研制不仅可以为深空太阳磁像仪的研制提供轻量化、高...     

基于改进VNet太阳暗条检测方法

太阳暗条作为太阳大气磁场的示踪,对研究太阳磁场有极其重要的意义。针对现有的暗条检测方法存在检测精度不高,弱小暗条错检、漏检等问题,提出一种基于改进VNet网络的太阳暗条检测方法。首先,使用大熊湖天文台Hα全日面图像并结合磁图制作了太阳暗条数据集;其次,在VNet网络下采样部分采用Inception模块融合不同尺度特征图的特征,同时加入注意力机制增强特征图中暗条部分的语义信息;最后在上采样部分引入深度监督模块,更多地保留太阳暗条的细节特征。为验证算法性能,采用191幅Hα全日面图像数据集,其中包含暗条共3372条。算法在测试数据集上平均准确率达到0.9883,F1值达到0.8385。实验结果证明,该方法可以有效识别Hα全日面图中的暗条。     

硬件相关处理机数据回放模块研究

硬件相关处理机系统需从数据记录缓存器读取台站数据,经数据预处理后进行下一步的相关处理。为了满足高速实时数据的传输及预处理要求,设计了VLBI数据回放模块,该模块通过千兆网络传输观测站数据,控制数据收发,并针对VLBI数据特点进行数据解码、数据校验、数据异常处理等。测试结果表明,该模块处理速率可达1 Gbit/s,在硬件相关处理机进行单台站数据速率64 Mbit/s的实时数据处理时能稳定正常工作。该模块己应用于嫦娥3号任务的硬件相关处理系统中。     

高分辨率太阳图像重建方法

高空间分辨率的太阳观测数据有助于深入研究太阳大气现象、太阳物理基本问题。地基大口径太阳望远镜常通过自适应光学技术和图像重建技术获取高空间分辨率图像。目前太阳图像重建技术主要有斑点成像术和斑点相位差法两类。介绍了斑点成像术中几类方法的原理,阐述了斑点成像术重建太阳像的流程以及几个关键步骤,介绍了多帧盲反卷积和相位差法的原理,比较了斑点成像术和斑点相位差法的特点,最后阐述了它们在太阳高分辨率观测中的应用和发展趋势。     

基于日球物理学事件知识库的太阳活动识别

太阳图像中包含明显的太阳活动区域,以及无现象的太阳宁静区。从太阳图像中识别有效的太阳活动区域,是图像处理技术在天文研究中的典型应用。得益于美国太阳动力学天文台的日球物理学事件知识库提供的实时太阳观测数据,提出了一种基于日球物理学事件知识库的太阳活动识别方法。此方法获取6种太阳活动的信息(发生时间、位置、区域面积),建立对应时间的全日面图像的尺度变换模型。结合位置与区域面积信息,对不同太阳活动进行梯度阈值分割,边界识别方法被用来定位和识别太阳活动的区域。然后,对太阳图像特征参数相关性的研究,得到每种太阳活动的最佳特征参数组合。方法实现了对太阳活动的精确定位和有效识别,为后续工作的开展提供了便利。此外,对不同太阳活动区域提取特定组合的特征,可以为基于内容的图像检索系统建立精简的图像特征集提供一种可行办法。     

ASO-S卫星工程LST爆发模式触发和终止方案

先进天基太阳天文台(ASO-S)是计划于2021年底或2022年上半年发射的中国首颗综合性太阳探测卫星,莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)作为ASO-S的有效载荷之一,具体包括莱曼阿尔法全日面成像仪(SDI)、日冕仪(SCI)以及白光望远镜(WST) 3台科学仪器和2台导行镜(GT),其主要目标是在多个波段对太阳上的两类剧烈爆发现象(太阳耀斑和日冕物质抛射)进行连续不间断的高分辨率观测.为了实现这一观测目标, LST所有仪器的观测模式中均包含了一种针对爆发事件而设置的爆发模式.该模式下, SCI将以更高的频率进行图像采集, SDI和WST则以更高的频率对爆发所在区域进行图像采集.测试结果表明,观测图像经过中值滤波、像元合并处理后,可以通过监测图像各像元亮度的相对变化提取爆发事件的时间和位置信息.这些信息将为LST观测模式间的相互切换提供重要电子学输入.     

基于直方图规定化的太阳图像增强方法

太阳图像中包含了各种不同尺度、不同结构以及不同亮度的活动现象,它们都是实测太阳物理的研究目标。这些活动现象经常使图像显示的跨度过大,导致图像暗弱细节结构被隐藏。对于地基望远镜,由于地球大气对观测数据的影响,也造成图像整体对比度下降。这些都不利于人们直观地从图像中发现感兴趣的太阳活动现象或结构特征。针对这些问题,运用直方图规定化的方法对实测太阳物理中常遇到的几类观测目标图像(太阳极紫外像,太阳光球黑子像,色球活动区像以及色球日珥像)进行处理,通过瑞利分布、双高斯分布以及三重瑞利混合分布等直方图形式,实现对这几类图像的显示对比度增强。通过对空间望远镜太阳动力天文台(Solar Dynamic Observatory,SDO)的极紫外太阳像和1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,NVST)的色球和光球像的处理展示了该方法的处理效果。结果表明,方法可以有效提高各类太阳活动现象的显示度,便于人们在研究初期发现感兴趣的活动现象。     

Hα全日面云污染实时识别和修复系统

高空云层导致所观测的Hα全日面像上覆盖有一层云污染,使得图像上的太阳活动细节变得模糊不清。为了能够实时探测云污染,并及时显示修复后的图像,采用图形处理器技术实现了一个Hα全日面云污染实时识别和修复系统。该系统主要在统一计算设备架构(Compute Unified Device Architecture,CUDA)环境下利用图形处理器并行实现:(1)二值化图像椭圆长短轴比值法识别重度云污染图像;(2)临边昏暗曲线中心对称法识别可修复云污染图像;(3)频域巴特沃斯低通滤波法去除云污染。通过对系统中各运算在图形处理器中花费的时间进行详细测量,发现傅里叶正反变换和频域滤波占用了图形处理器总处理时间的52.9%,是系统中最耗时的。然而,相对于1 min的观测时间间隔,约0.7 s的总处理时间可以满足实时显示的需要。另外,通过对修复后的图像做质量评价,验证了所采用的修复算法可以有效地去除云污染,并对太阳活动细节影响较小。最后讨论了系统存在的不足和需要进行的改进。     

基于LabVIEW的双通道太阳射电频谱观测系统设计

太阳射电爆发是太阳耀斑和日冕物质抛射等爆发过程的重要表现形式,是卫星通信和导航系统、地面电网系统、人类生活环境的潜在影响因素之一。对太阳射电爆发的监测与研究不仅可以预报空间天气,还可以作为太阳物理的研究工具。介绍了基于LabVIEW平台设计开发的双通道高速太阳射电频谱观测系统,针对太阳射电爆发具有随机性和持续时间短、变化快的特点实现对太阳射电爆发的监测。系统采用高速信号采集卡以1.5 GS/s的速率进行信号采集,系统时间分辨率可达4 ms,频率分辨率达45.776 4 kHz。采集的信号经过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)功率谱分析处理后输出显示其频谱图和瀑布图,得到太阳射电爆发的频率、强度以及持续时间等信息。观测数据利用文件传输协议(File Transfer Protocol, FTP)上传至服务器,实现存储资源的优化,观测数据的共享。该系统集成度高,可以应用于分析澄江抚仙湖观测基地11 m太阳射电望远镜输出的70～700 MHz信号。     

800~975MHz太阳射电数字观测终端的设计与实现

位于云南天文台凤凰山本部的10 m太阳射电望远镜是中国太阳射电物理界重要的观测设备之一,其设计之初,800~975 MHz频段受到移动电话的严重干扰,不能正常工作,因此缺失这一频段的观测资料。近年来,随着微波和数字器件性能的提升以及移动电话工作频段的改变,使得这一重要频段的观测变得可行。针对800~975 MHz频段的太阳射电天文信号,提出了一种基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)和千兆以太网的实时采集与处理方法。在数据采集和处理过程中,系统采用流水线方式,得到了太阳射电信号的实时频谱图;采用硬件描述语言Verilog实现了千兆以太网的数据传输,提高了传输效率;另外本系统采用分时传输机制,完成千兆以太网的UDP数据包的传输。最后还对所得数据进行了误差分析和结果分析,证明了本文提出的实时信号采集、分析和传输方法的正确性和可靠性。     

一米新真空太阳望远镜光谱扫描观测系统设计

1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,NVST)是国内用于对太阳进行观测和研究的大型科研设备,针对太阳活动区光谱观测的需求,在现有的大色散光谱仪及多波段光谱仪基础上,设计了光谱扫描设备,并基于C#设计了一套观测控制系统软件,实现扫描设备的运动控制和观测数据的采集。进行光谱扫描观测时,计算机控制扫描设备步进运动,并利用图像采集卡通过Camera Link总线采集CCD/CMOS相机的探测数据,基于多线程技术采集观测数据,将采集的图像数据存储成FITS(Flexible Image Transport System)文件,并将光谱图像数据处理成灰度图像用于软件界面监视。此套软件已用于1 m太阳望远镜光谱扫描观测,测试结果满足预期功能需求,为后续观测系统功能升级提供了良好的扩展性。     

NVST多通道成像观测系统的数据同步采集

为了在1 m红外太阳望远镜多通道高分辨率成像观测系统中实现多个波段太阳图像的同步高分辨率统计重建,需要1 m太阳望远镜多个观测通道图像采集系统同步。研究了如何采用CCD相机外触发工作模式、计算机PCI总线硬件中断技术和全球定位系统时间相结合实现1 m太阳望远镜多个观测通道图像的同步采集,并在现有的Hα和Ti O两个成像观测通道上搭建实验平台。通过一系列的波形时序测试,数据记录和分析等实验证明本文所采用的这一数据同步采集技术能满足1 m太阳望远镜多个观测通道图像的同步采集要求。     

MUSER可见度数据积分方法与实现

射电观测是研究太阳活动的重要探测手段。我国明安图射电频谱日像仪(Mingant U Sp Ectral Radioheliograph,MUSER)主要用于研究太阳爆发活动初始能量释放区的物理过程,其观测将在太阳射电成像开辟一个新的窗口。成像处理是数据处理的重要组成部分,如何提高成像质量是当前数据处理的研究重点。首先介绍了射电干涉成像的基本理论,随后分析了对观测得到的可见度数据积分的必要性,细致讨论了短时段可见度数据叠加求平均和长时段UV覆盖叠加两种积分方法,并给出了完整的实现。通过实现代码与实验验证,两种积分均可以有效提高信噪比,图像质量明显提高。