太阳偏振图像高分辨重建误差仿真分析

地基太阳望远镜磁像仪在进行偏振测量时会受到大气湍流的影响,导致测量结果不准确。通过同步探测波前像差,对太阳窄带偏振图像退卷积重建的方法可以克服窄带滤光器带来的偏振测量通道光子数水平较低等问题,将高分辨图像重建算法应用到太阳偏振图像的重建中。在重建过程中,波前估计不准确会导致重建的偏振图像受到I的串扰,与真实的偏振信号之间存在一定偏差。为了研究同步重建过程中波前复原精度对偏振图像重建精度的影响,通过建立仿真模型,对不同视宁度和不同波前复原精度下I对偏振信号的串扰进行了仿真。结果表明,偏振图像的重建质量与波前复原精度正相关,在一定的条件下,增加用于图像重建的帧数和降低图像分辨率等方法也可以降低I对偏振信号的串扰。     

基于大视场反卷积的天文图像叠加方法

地基望远镜在成像过程中,由于受大气湍流、望远镜静态像差、跟踪误差、指向误差及视场变化的影响,不同视场区域的PSF (Point Spread Function)具有差异;同时,不同望远镜获取的图像PSF也存在差异.将多个望远镜获取的星象直接叠加至相同的区域后,图像质量受像质最差的望远镜限制,最终观测分辨率和灵敏度均会受到影响.通过图像复原,可以提高图像质量,进而提高叠加效果.根据该思路提出了1种基于PSF分区的迭代图像复原方法:该方法首先通过SOM (Self-organizing Maps)对PSF进行聚类分析,利用同类别PSF的平均PSF进行反卷积,再将反卷积结果按PSF聚类结果分割为不同大小的子图,最后将子图进行拼接.图像复原在提高图像质量的同时,降低了PSF不一致性对图像叠加带来的影响.将几个望远镜在同一时刻获取的图像经反卷积处理之后利用图像配准算法进行矫正并叠加,可获得高信噪比图像.对实际望远镜获取的数据处理后的结果表明:图像在进行复原和叠加过程中,星象目标信噪比不断提升,提高了成像系统对暗星的探测能力.     

基于空间光学成像的4179号小行星表面反射特性研究

2012年12月13日,嫦娥二号在距地球约700万公里的深空,成功飞掠4179号小行星,获得了最高分辨率优于3 m的系列可见光图像.使用最小二乘拟合方法,对成像相机辐射定标数据进行处理,获取绝对定标系数和相对定标校正矩阵,校正原始小行星图像及定标数据,同时反演成像时刻小行星表面辐射亮度.根据Hapke对Nicodemus反射率定义标准在行星科学应用中的具体描述,获取小行星半球反照率.在R、G、B谱段上,小行星表面平均半球反照率分别为0.208 3、0.126 9和0.134 6.小行星表面半球反照率为0.156 6.首次使用基于空间光学成像的方法获得了4179号小行星表面光谱反照率,并获得了4179号小行星的表面反照率分布图,对行星科学研究有应用价值.     

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。     

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。     

基于现场可编程门阵列的幸运成像算法的实现

幸运成像技术是用于消除天文图像中大气湍流影响的高分辨率图像重建技术,传统的基于中央处理器的幸运成像算法难于实时化。利用现场可编程门阵列并行处理的优势,设计了一种基于现场可编程门阵列的幸运成像算法并构建了一个实验系统。该系统用现场可编程门阵列完成了选图、配准、叠加的全部幸运成像算法流程,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,但幸运成像算法的处理速度比传统中央处理器的处理速度快19倍。该算法在现场可编程门阵列上的实现,为幸运成像技术的实时或准实时化提供了一种可行的方案。     

基于粒子群优化的LAMOST初始波长定标方法

大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope,LAMOST)初始波长定标操作,对于在先验定标系数附近搜索解空间内的每一点,通过插值法生成对应定标系数下的虚拟定标灯谱,再将生成的虚拟定标灯谱与实测定标灯谱作互相关运算,使得相关系数最大时对应的定标系数即为初始定标结果,其实质是一个多参数寻优问题.粒子群优化是一种基于群体智能的随机全局优化算法,具有实现简单、精度高、收敛快的特点.鉴于粒子群优化的优异性能,提出一种基于粒子群优化的LAMOST初始波长定标方法,并设计相应算法和测试实验.实验结果表明,基于粒子群优化的LAMOST初始波长定标在收敛性、解的质量、运行时间等方面都优于基于改进遗传算法参数寻优方法.     

Golay3型光学稀疏孔径系统退化图像的频率信息提取及合成研究

利用组成星座的小卫星,分别携带分离的子望远镜和合光成像望远镜,构成Fizeau型光学综合孔径干涉系统,实现高分辨率的面源目标成像是当前的研究热点之一。这种光干涉成像系统,由于稀疏度较大,UV覆盖不全,即空间频率采样不连续,表现为系统光学传递函数有零值存在。要克服UV覆盖不全的影响,获得等效的大孔径望远镜成像效果,需要改变子孔径的空间排布,获得不同基线条件下的图像,进行空间频率信息的提取和合成,最后采用逆滤波的方法达到提高图像质量的目的。在分析单子孔径传递函数与系统传递函数关系的基础上,优化子孔径的排布方式,采用不同的频域滤波器将不同基线获得的图像中信噪比高的频率区域提取出来进行合成,再变换到空域并进行逆滤波处理,得到改善的合成图像。仿真结果显示,当得到的干涉图信噪比较低时,该方法可以有效地提高合成图像的质量。     

消除CCD图像中宇宙射线的算法的比较

CCD天文图像在采集过程中会受到各种噪声的影响,其中宇宙射线噪声有时会严重影响到图像中的有用信息。研究如何有效识别和剔除宇宙射线噪声对于天文图像的信息提取是非常重要的。针对目前国际上较新的三种消除宇宙射线的算法:Laplacian边缘检测算法(A Laplacian Edge Detection Algorithm),基于直方图的快速算法(A Fast Algorithm BasedOn Histogram)以及万能噪声消除算法(A Universal Noise Removal Algorithm),采用由云南天文台1m望远镜拍摄的CCD图像进行了模拟实验和实际宇宙射线的处理。实验表明Laplacian边缘检测算法能相对准确地探测到恒星和星系图像上的宇宙射线。并对算法的效果和复杂度进行比较和分析。最后探讨了如何准确替代宇宙射线像素点的灰度值。     

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。     

对弱信号CCD图像噪声的最佳化处理

本文在分析CCD读出图像噪声的统计特性和目前CCD图像预处理的基础上,提出了对CCD读出数据的最佳化处理方法。该方法对CCD读出噪声和其它随机噪声都有较好的抑制效果,使用该方法可以从迭加有随机噪声的数据中得到信号的最佳估值,提高弱信号CCD读出图像的信噪比。     

天文仪器中图像跟踪定位算法的比较研究

天文光学观测中采用快速图像跟踪定位可以降低大气视宁度和望远镜跟踪误差的影响,提高观测效率.针对天文仪器观测的需要选择了两类共5种算法,通过数值实验和实验室实测对这两类算法在不同噪声背景下的精度和稳定性进行了比较研究,数值实验和实验室测试的结果表明归一化互相关法和重心法既有较高的精度,又有较好的抗干扰可靠性,将分别被应用于2.16 m望远镜的高色散光谱仪前置系统和SONG(Stellar Observations Network Group)项目的科学仪器.     

摆镜图像稳定控制系统在NVST中的应用研究

由于1 m太阳望远镜采用圆顶移开并远离望远镜的敞开式观测模式,使得望远镜跟踪系统受风的影响较大,表现为观测时图像随风出现较大幅度的低频抖动。为解决这一问题,首先根据望远镜现有的光学系统和风载影响下焦面图像抖动的特点,在氧化钛高分辨率成像通道中设计了基于二维摆镜的图像稳定系统。然后根据二维摆镜系统的实测特性,建立系统的传递函数,设计控制器。深入的数值模拟分析和实验表明,在五到六级风作用的情况下,摆镜图像稳定系统工作在25 Hz就能将1 m太阳望远镜焦面图像抖动的均方根值控制在0.5″以内,表明二维摆镜的图像稳定系统可以稳定望远镜由随机风载引起的图像抖动。     

基于相位差方法的天文目标高分辨率成像研究

基于相位差方法的天文目标高分辨率成像,是利用在焦面和离焦位置上同时采集的一对或者多对短曝光图像,对目标和大气湍流引入的波前相位分布进行估计．在计算机模拟望远镜成像系统和相位差方法图像采集过程的基础上,利用信号估计和最优化理论,确定了高斯噪声模型下的目标函数,采用适合于大规模无约束优化的有限内存拟牛顿法对图像恢复问题进行了数值求解．恢复结果表明,基于相位差方法的高分辨成像技术,可以有效地克服大气湍流的影响,解决天文扩展目标的图像恢复问题．     

绕月探测工程CCD立体相机的实验室辐射定标

探月光学有效载荷系统含CCD立体相机与干涉成像光谱仪两台光学遥感器,CCD立体相机完成的科学目标主要是与激光高度计配合获取月球表面三维立体图像。文章主要叙述了三线阵立体相机的工作原理,定标内容、目的以及CCD裸片像元检测和整机的相对定标和绝对定标过程。     

基于自适应滤波的干扰消除方法研究

射电天文信号非常微弱,电磁环境对射电望远镜观测至关重要,通常可以利用地形、建立无线电宁静区、进行电磁屏蔽与防护等手段来减小电磁干扰.然而,仍有一些干扰难以屏蔽.故提出了一种基于自适应滤波的干扰消除方法,可用于复杂噪声环境中天文信号的提取.该方法借助自适应横向滤波器,采用最小均方(Least Mean Square, LMS)误差算法,以系统误差和收敛性为评判标准,通过改变步长与阶数对滤波效果进行优化,仿真结果显示该滤波器能在保证算法收敛的前提下有效提取信号.为了检验该算法的有效性,选取了新疆天文台南山26 m射电望远镜和Parkes 64 m射电望远镜记录的观测数据,采用设计的滤波器分别对不同的实测数据进行测试,验证了该滤波器的有效性.理论分析与实验结果一致表明该方法能有效消除天文观测中的干扰信号,具有一定的实用性.     

畸变全日面观测图像的修复

欠佳的平场改正或者不理想的光路会导致全日面观测图像的畸变。针对这一问题,提出了一种解决方案,并给出了详细的算法描述。,该算法的核心是扣除一个均匀的径向轮廓曲线,然后在残差图像上进行大尺度中值滤波以获得光滑的改正曲面。通过这一算法,可以极大改善全日面图像的畸变,提高图像质量。最后还对该方法的局限性进行了讨论。     

基于机器学习的日冕仪图像分类方法研究

日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection, CME)的检测是建立CME事件库和实现对CME在行星际传播的预报的重要前提. 通过Visual Geometry Group (VGG) 16卷积神经网络方法对日冕仪图像进行自动分类. 基于大角度光谱日冕仪(Large Angle and Spectrometric Coronagraph Experiment, LASCO) C2的白光日冕仪图像, 根据是否观测到CME对图像进行标记. 将标记分类的数据集用于VGG模型的训练, 该模型在测试集分类的准确率达到92.5%. 根据检测得到的标签结果, 结合时空连续性规则, 消除了误判区域, 有效分类出CME图像序列. 与Coordinated Data Analysis Workshops (CDAW)人工事件库比较, 分类出的CME图像序列能够较完整地包含CME事件, 且对弱CME结构有较高的检测灵敏度. 未来先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)卫星的莱曼阿尔法太阳望远镜将搭载有白光日冕仪(Solar Corona Imager, SCI), 使用此分类方法将该仪器产生的日冕图像按有无CME分类. 含CME标签的图像将推送给中国的各空间天气预报中心, 对CME进行预警.     

多功能天文经纬仪图像采集系统

多功能天文经纬仪是云南天文台新近研制的一种基于通用CCD观测的天体测量望远镜。在这台新型望远镜中,用两个模拟相机分别测量仪器的水平差和高度轴的准直差。当望远镜工作时,望远镜控制系统发出两路触发信号．一路控制数字相机,另一路控制两个模拟相机。两个采集卡分别安装在不同的工作站上,工作在外触发模式。介绍了望远镜的转轴观测模式,主要包含转轴前和转轴后两个观测阶段,采集图像的时刻和数量是由外触发信号控制的。介绍了硬件结构图。说明了软件编写的流程和实现方法．并且对系统中涉及的主要程序算法进行了较为详细的说明。图像采集软件的编写采用VC＋＋和SaperaLT。给出了采集系统软件的工作界面及图像采集系统采集的图像．并对数字相机拍摄的恒星像进行了简单的分析。     

一种对分离星点目标清晰成像的方法

提出了一种能克服大气湍流影响、对点目标清晰成像的方法,并将该方法成功应用到对分离星点组成的天文目标的模拟成像实验中.首先,在望远镜像面利用视场光阑选中单个星点目标,利用类Ptychography方法恢复出星点像场的频谱信息;其次,由于大气湍流的高斯随机特性,所选单星目标的频谱估计值可以通过叠加一系列在不同大气湍流下所恢复的频谱场而得到;然后,通过对单星目标的频谱估计做逆傅里叶变换得到该星点目标的清晰图像;最后,通过拼接每个单星目标的清晰成像得到分离星点组成的天文目标的清晰成像.模拟实验结果表明,该方法简单、高效、抗噪声能力强.