天文用2K×2K高速CMOS相机的研制与测试结果

高性能CMOS成像器件的技术近年来发展迅速,与长期在天文观测中占统治地位的CCD器件相比,CMOS在读出速度、功耗、空间应用的可靠性等方面具有一定的优势。为了探索CMOS成像器件在天文领域中的应用,我们以Fillfactory公司最新的高速、大面阵CMOS芯片LUPA 4000为基础,研制了一台天文相机并对其进行了测试。本文简要介绍了CMOS成像器件的概述,相机软、硬件系统的组成,以及在实验室条件下得到的读出噪声、增益、线性和增益等若干测试结果。     

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狭缝扫描及定标单元的电动控制实现

利用1 m红外太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,NVST)对太阳进行观测和研究,需要控制狭缝扫描系统和磁分析系统中各设备的运动以配合观测系统采集数据。针对实际观测中对设备运动控制的需求,并利用控制器对相应设备的直接控制,提出基于TCP协议及UDP协议的Win Sock网络编程以及串口通信编程的设计方案,设计了一套基于Client/Server架构的控制系统软件,实现各仪器在局域网范围内的远程控制。通过对设备的运动控制测试,客户端发送控制命令给服务器端,服务器计算机解析命令并通过串口控制各仪器运行,同时采集设备的状态信息反馈给客户端,测试结果表明此系统能良好地控制各设备运行,结合网络通信及串口通信的设计为后续的观测系统功能升级打下了基础。     

基于RTS2和EPICS的成像控制软件的设计

EPICS是一个用于开发分布式设备控制程序的软件开发框架,它主要用于控制大型物理实验设备及天文望远镜系统,而RTS2是Linux系统上的一个远程自主望远镜控制系统。实现了EPICS与RTS2的集成,用RTS2负责望远镜观测流程控制,EPICS用于成像设备控制,使用EPICS的成像控制软件Area Detector完成了Andor相机的控制,并完成了RTS2和EPICS融合的命令状态接口,从而让RTS2能够兼容EPICS组件。成功用RTS2和EPICS实现了Andor相机的控制,并很好地集成到RTS2的流程控制中。     

CMOS相机采集的激光测距图像处理方法研究

将CMOS相机应用于云南天文台53 cm双筒望远镜激光测距系统,使得空间目标测距回波率以及测距成功率得到大幅提升。在分析CMOS相机采集的数字图像信息的基础上,提出了优化的图像处理和激光光尖提取算法,有效实现了激光光尖的识别和目标质心坐标的提取。首先采用中值滤波和均值滤波对图像进行去噪声处理,然后使用最大类间方差法(Otsu)计算阈值对图像进行二值化以及选用Roberts算子进行边缘提取,最后采用最小二乘法进行直线拟合求解光尖坐标并计算其位置偏差。结果对进一步研究CMOS相机在53 cm双筒望远镜激光测距系统中的应用有重要意义。     

丽江2.4米望远镜双视场终端的控制与图像采集

为充分利用丽江2.4 m望远镜有限的卡焦接口,提高观测效率,研制了一个双视场天文观测终端,在2.4 m望远镜上实现不同视场和图像比例尺等参数进行快速测光和高分辨成像等天文观测,以满足不同的观测需求。针对该终端对滤光片轮精度和大视场光路与小视场光路切换的精度要求,以及对电子倍增电荷耦合器件(Electron-Multiplying Charge-Coupled Device, EMCCD)相机图像采集的速度要求,采用三层电机闭环控制以及多线程并发执行等技术,实现了该终端中滤光片轮、大视场光路与小视场光路切换的精确控制,以及EMCCD相机图像的快速采集与存储。最后在实验室进行了详细测试,结果表明,所设计的控制与图像采集系统能满足各项性能指标的要求。     

丽江天文观测站全天相机介绍

全天相机作为一个对天文观测台站全天云量信息进行监视的工具,对天文观测的正常进行发挥着重要的作用,目前世界上主要天文台均配备有全天相机,为了满足对全天云量信息进行实时监视的需求,丽江天文观测站正式安装架设了一套全天相机系统。从硬件安装架设、软件调试到实际测试等方面,详细介绍了全天相机系统的设计方案以及遇到的问题,讨论了对问题的解决措施,重点介绍了根据天光亮度数值调整相机曝光时间的方法,这也是主要创新与特色之处。     

基于EMCCD的成像系统的构建

为了探索对较暗目标进行成像的新方法，我们在TI公司生产的带有增益寄存器的EMCCD（Electron Multiply CCD）芯片基础上，构建了一套成像系统，主要用于对此芯片进行性能测试，为将来构建天文观测用相机做准备。本文主要介绍了EMCCD的结构特点、工作原理，并且详细介绍实验室采用TI公司的EMCCD搭建的成像系统，以及在此系统基础上对EMCCD进行地评测。     

基于嵌入式人工智能设备的流星光学监测系统

流星光学监测网是定位陨石和观测火流星的基础科研设施. 流星光学监测系统利用光学相机高速采集天空图像, 使用嵌入式系统实时处理数据, 能够快速识别流星并获取流星位置和陨石落点信息, 是构成流星监测网的关键仪器. 为提高流星光学监测系统获取信息的实时性及准确性, 提出了一种基于嵌入式人工智能设备的流星光学监测系统. 该系统由软件及硬件部分组成: 硬件部分包括观测设备(商用高空抛物摄像头)以及数据处理设备(嵌入式人工智能设备); 软件部分运行于数据处理设备内, 主要包括控制界面模块、流星监测模块、数据管理模块. 实际工作时, 摄像头采集天空视频信息, 流星监测模块从视频流中实时监测流星并存储包含流星视频的数据, 数据管理模块将流星位置信息实时传回数据中心用于预警. 观测结束后, 将原始观测数据同步至数据中心用于后续科学研究. 在整个系统中, 流星监测模块决定了整个监测系统的实时性及准确性. 该系统采用嵌入式人工智能设备与人工智能算法结合的方法构建流星监测模块. 通过使用实测数据对搭载监测模块性能进行测试, 结果表明: 流星监测模块能够达到0.28%的低误检率以及100%的召回率, 且数据处理速度达到了Mobilenetv2的8倍. 进一步将包含监测模块的整个流星光学监测系统部署于太原理工大学-张壁古堡远程天文台, 通过实测表明流星光学监测系统实用中能达到100%的召回率和较低的误检率.     

基于兴隆观测基地80厘米望远镜的CSST无缝光谱地面测试

我国预计2025年发射的巡天空间望远镜(Chinese Space Station Telescope, CSST),主要用于开展大规模的多色成像与无缝光谱巡天工作。发射前需要利用地基望远镜对空间望远镜的光学成像系统、探测器,以及设备长时间运行稳定性进行地面测试。设计了兴隆观测基地80 cm望远镜的无缝光谱地面测试,利用A型恒星、B型恒星和沃尔夫拉叶星HD4004的强吸收和发射线特征,拟合色散方程,并发现色散方程具有空间分布特征。对HR3173的53条数据的零级谱位置信息及色散方程系数进行了二次曲面拟合,并利用该曲面对HR3173零级像位置范围内的HR718数据进行了波长定标,得到的CCD上8×13 pixels范围内的平均视向速度精度为51 km/s。     

远程天文台电源集成控制与监控模块的设计与实现

随着多波段时域天文学的快速发展,远程天文台逐渐显露优势,成为时域天文学研究的重要工具。然而,国内还没有自主、成熟、稳定的系统可以应用到远程天文台的建设中,为此,中国虚拟天文台团队提出并设计了一套硬件集成系统,以便于集成控制和扩展移植。电源模块是其中重要的组成部分,实现电源的集成控制将极大地提升整个系统的稳定性。设计了一个闭环的电源集成控制模块,通过嵌入式技术实现了天文台各设备电源的集成控制、平顶的开关控制以及各个设备状态的监测,并提供多种控制模式。通过发送随机网络指令对该模块进行了24小时的连续测试,并测试了网络中断情况下短消息的控制。通过发送与监测数据的对比,结果表明,系统具有良好的稳定性。     

德令哈13.7m望远镜多波束接收机的运行

德令哈13.7 m望远镜是中国最重要的射电望远镜之一.望远镜自安装超导成像频谱仪以及采用飞行观测模式以来,运行近10 yr.在此期间,望远镜开展并完成大量的天文观测,累积了巨量的天文数据,取得了一系列重要的科研成果.介绍了超导成像频谱仪在天文观测中的运行状态,运行中疑难问题、故障现象及解决方案.详述了超导成像频谱仪各方面性能测试及多年来的性能分析,包含接收机噪声温度及望远镜系统噪声温度、镜像抑制比、接收机稳定性、波束性能等方面.列举了超导成像频谱仪更新发展方面的工作,包含本振功率自动化调整、边带分离型超导混频器预放大电路的更新、控制程序的优化等.总结经验和规律,承前启后,将过去的超导成像频谱仪的维护运行经验应用到之后新一代大规模接收机系统中.     

针对暗目标的帧转移面阵CCD成像系统设计

为了实现在深空探测中对暗弱天体目标的低噪声观测要求,提出了一种稳定简单的空间相机成像系统的设计方法.基于英国E2V公司的背照式帧转移面阵CCD(CCD47-20AIMO),给出了系统各组成部分的电路设计原理.其中相关双采样型模拟-数字转换器(AD)和动态存储器(SDRAM)的运用可以有效抑制图像信号中的相关噪声.此外,还提出了便于调整曝光时间的驱动控制方法,将感光阶段的曝光时间独立出一个可调延时,使成像系统更适于长曝光时间的调整要求.成像系统采用Altera公司的CycloneⅢ系列的EP3C25Q240C8型现场可编程门阵列(FPGA)作为核心控制器件,驱动的编写按照各器件功能进行模块化设计,具有很强的可移植性.对成像系统的各时序端进行的仿真和实测结果表明驱动电路工作正常,系统设计符合预期要求.     

嫦娥二号探测器在轨运行视景仿真系统的研究与实现

针对嫦娥二号探测器在轨运行阶段的仿真需求,充分发挥视景仿真的优势,利用嫦娥一号探测器获得的地形和影像数据、日地月嫦娥二号探测器星历数据,基于OSG(OpenScene Graph)设计了针对嫦娥二号任务的在轨运行视景仿真系统。论述了该系统的开发平台,系统总体框架,并对系统的实现进行了详细描述。论述了月球模型数据构建,嫦娥二号探测器构建,星历数据库构建与访问,仿真实体空间位置的实时更新,CCD立体相机探测过程的仿真,视点的控制等实现方法。仿真结果表明系统完全能满足嫦娥二号任务在轨运行仿真的要求,并已应用于嫦娥二号任务执行过程中。     

Ⅱ型多功能天文经纬仪图像采集系统

II型多功能天文经纬仪是中国科学院云南天文台为了满足利用多台仪器组网监测本地铅垂线变化信息的需求研制的一种地面天体测量仪器。仪器的图像采集系统使用3台非制冷CCD作为采集终端,工作在外触发模式,利用望远镜控制系统提供的外触发信号按照观测时序触发相机。介绍了望远镜的具体工作模式,对图像采集系统的工作流程给予说明;介绍了采集系统的硬件构成、软件框架和涉及的主要编程方法;给出了图像采集系统的软件工作界面和所采集的图像,并对拍摄的恒星像成像质量进行了简单分析。     

由USB3相机和GigE相机构建的图像采集系统

使用不同厂商生产且接口类型不同的高速相机组建一个统一控制的图像采集系统,会大大增加开发的难度。介绍一个由USB3接口CCD相机和GigE接口CCD相机组成的图像采集系统的硬件结构和软件开发方案。硬件方面,相机在外同步触发信号的作用下,由一台图像工作站同时采集两台相机的图像。软件方面,使用不同相机的开发包进行二次开发,系统运行后弹出两台相机的控制与采集界面,采用人机交互方式进行相机配置。两台相机可以独立工作,亦可同步采集。图像采集系统实验表明,系统工作正常,但在工作站完成两台相机单帧图像采集的时间差均值约15 ms。     

近地天体望远镜的控制软件系统

配合CCD相机更新,2013年近地天体望远镜(CNEOST,China Near Earth Object Survey Telescope)对硬件系统进行了改造,在此基础上重新设计并实现了控制软件系统,软件采用了基于Web Socket协议的消息机制,具有良好的扩展性;基于Web的用户界面,实现了近地天体望远镜在不同用户终端下的远程观测.自投入使用以来,系统运行稳定,大幅度提高了设备运行效率,降低了操作复杂度;同时也为未来类似的望远镜或望远镜云的系统设计提供了一次有益尝试.     

同幅双速跟踪成像CCD相机NiosⅡ控制软件的设计

介绍了同幅双速跟踪成像CCD相机对控制软件的设计要求,描述了该控制软件的设计思想及其基本结构,重点介绍了相机管理与控制模块和数据上传模块的设计方法与过程,包括如何对相机硬件进行控制的一些技术细节,给出了系统测试的结果,并对调试中出现的问题进行分析。     

基于RASCIL的W-projection和W-stacking并行算法实测研究

在射电干涉阵的大视场成像中,W-projection和W-stacking是两类主要成像方法,本文对这两种成像方法进行了并行实测研究。首先分析了两种成像方法的基本原理框架,在此基础上对两种成像方法并行实现的关键因素进行讨论和分析。利用已经校准的射电干涉阵观测数据对两种成像方法基于射电天文模拟、校准和成像库(Radio Astronomy Simulation, Calibration, and Imaging Library, RASCIL)分别进行并行策略研究和并行计算实验。通过对并行计算时间、并行效率和并行资源配置模式的分析,得到了两种成像方法基于RASCIL(https://gitlab.com/ska-telescope/external/rascil)的并行计算性能,结果表明,两种成像方法都适合采用Strong Scaling的并行资源配置模式进行并行计算,基于RASCIL的W-stacking并行计算还有比较大的性能提升空间。     

同幅双速跟踪成像CCD相机数字控制器的设计

在介绍了同幅双速跟踪成像CCD相机的工作原理及其对相机数字控制器的要求之后,阐述了该数字控制器的设计思想,基本结构,并给出了仿真及测试结果。针对仿真及测试过程中出现的问题作了较为详细的分析,并提出了解决的方法。通过软件仿真及硬件测试,表明其设计是基本正确的。