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FPGA的频域幸运成像算法

幸运成像技术是一种事后图像恢复技术,能够有效减小大气湍流对图像质量的影响.传统的频域幸运成像算法的效果优于空域算法,主要由图像预处理、数据选择和数据叠加3部分组成.提出了一种基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的频域幸运成像算法,并在现场可编程门阵列上构建了频域幸...     

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。     

一种基于DSP和FPGA的低频时码接收机设计

介绍了一种基于数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)的低频时码接收机的硬件组成,描述了该接收机系统实现时间同步的方法,阐述了DSP和FP-GA的软件设计,给出了测试和仿真结果。该设计方案具有精度高、可靠性强、扩展性好等优点。     

幸运成像技术在天文观测中的应用

由于大气湍流的影响,传统地基望远镜难以获得高空间分辨率的图像。天文学家为了在天文成像、测光观测、天体测量等领域的研究中得到更好的结果,不断追求克服地球大气的影响,获得更高空间分辨率的方法。幸运成像技术是一种能够使地面望远镜获得接近其衍射极限分辨能力的技术方案,具有成本低、设备简单的优点。介绍了幸运成像技术的发展趋势和基本原理,总结了国际上目前在用的幸运成像系统及其设备参数。结合幸运成像技术在国际上成功应用实例,综述了含系外行星多恒星系统的观测研究、双星系统轨道测量、球状星团中变星搜寻等天文观测获得的大量研究成果。随着新数据处理方法的应用,近年来蓬勃发展的幸运成像与自适应光学复合技术,将进一步拓展幸运成像技术的应用前景。     

GPS中BOC调制的FPGA实现

GPS系统中提出了一种新的信号形式,二进制偏移载波(BOC)调制是这种新的信号形式产生的技术关键。首先介绍了BOC调制的定义及其频谱特性,然后阐述了基于FPGA(现场可编程门阵列)硬件平台的BOC调制实现方法,并给出了仿真波形。结果表明,该实现方法是值得提倡的。     

基于FPGA的多轴步进电机控制系统

观测技术及仪器的进步推动了太阳物理的研究,步进电机是各类观测仪器精密结构调整部件中经常采用的驱动源,步进电机控制系统的性能直接影响太阳望远镜的数据精度和时间分辨率。介绍了一套怀柔太阳观测基地自主研制的多轴步进电机控制系统。该系统以现场可编程门阵列为核心控制器,利用中断处理机制及输入/输出寄存器产生多路晶体管-晶体管逻辑电平(TTL)方波信号,结合驱动器实现多轴步进电机控制;通过周期信号化简处理算法缩短电机调整时间;以霍尔器件作为位置传感器实现系统闭环控制,通过对霍尔信号的软、硬件滤波处理,提高信号识别的准确率;设计了板载存储电路,实时保存系统关键参数,大幅提高系统整体的可靠性。同时,该系统设计了丰富的输入/输出接口、通讯接口,提高系统的可集成性。目前该系统已在多台太阳望远镜中投入使用。     

一种用于射电频谱分析的高速FFT实现算法

提出了一种用于高速射电频谱分析的FFT实现算法,基于奇偶分开的FFT变换算法.采用N点FFT变换来实现4N点实信号的FFT变换,从而在FPGA(现场可编程门阵列)硬件里实现了高速FFT变换算法.仿真分析表明,新算法得到了良好的效果,明显地提高了硬件的利用效率.     

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...     

应用于射电天文的高效实时管道数据流传输与处理技术

针对超宽带及多波束接收系统海量天文信号实时高效传输与处理问题,对基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)+图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)的主流终端设备软件系统进行了测试分析。超宽带接收设备要求终端系统软件能够在更宽带宽、更高时间分辨率和频率分辨率的条件下,实现数据流实时传输与处理。结合大口径射电观测设备未来发展的方向,提出了利用高速并行环形缓冲区实现数据流缓存,基于图形处理器集群实现数据流实时处理,基于BeeGFS实现分布式并行数据存储,模块化构建射电天文信号传输管道软件的设计思路。     

基于FPGA的数字匹配滤波器的实现

对数字匹配滤波器的原理和结构进行了简要的介绍,重点给出了在现场可编程门阵列(FPGA)中数字匹配滤波器倒置结构的硬件实现.通过对设计电路的实时仿真表明:该数字匹配滤波器具有捕获精度高、速度快的特点,可应用于其它扩频系统的数字接收机中.     

基于多进程并行加速的太阳高分辨图像重建方法

目前,太阳高分辨图像重建往往采用斑点干涉术和斑点掩模法重建目标的模和相位,由于分组分块数据量大,算法复杂等因素,难以满足实时重建的需求。为了缓解数据处理的压力,在现有的单组分块数据中央处理器/图形处理器混合计算方法的基础上,提出通过多进程将多组分块数据分配到图形处理器上同时并行处理的方法。实验结果表明,基于多进程并行加速方法可提高中央处理器和图形处理器的资源利用率,图形处理器能同时处理多组分块数据,显著提高图像分块处理的速度,加速比达到4.7左右。相关研究可以为天文数据并行化处理提供借鉴参考。     

基于ROACH2-GPU集群相关器的研究——F-engine模块的设计与实现

相关器在射电天文中具有重要作用。以往的相关器多采用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者特定用途集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)技术,开发周期长,不便扩展和改进升级。近年来许多新研制的射电干涉阵相关器采用具有通用架构的现场可编程门阵列和图形处理器的相关器。针对暗能量射电探测实验(天籁计划)的需求,开发了一套基于可重构开放架构计算硬件(Reconfigurable Open Architecture Computing Hardware,ROACH2)和图形处理器的异构相关器,将相关器的数据采集、快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)等功能与复数乘累加运算功能分开,充分利用了现场可编程门阵列的硬件资源和图形处理器的运算速度。该相关器易于扩展,且运算负载可根据实际运算能力进行不同节点的分配,非常灵活。目前已经应用到天籁计划项目中。     

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.     

基于OpenMP的并行图像相减算法实现与分析

图像相减是一种精确地获得密集星体区域中变星的相对光度变化的技术,其基本原理为通过同一区域不同时间的图像间差异来获得该区域的时间变化信息.传统上图像相减变源测光算法只有串行性算法,计算效率不高.讨论了图像相减测光算法的基本原理,在开源软件ISIS基础上提出了一个基于OpenMP技术的图像相减算法的可靠并行化实现,提高了程...     

恒星系统中暗弱伴星的高分辨率成像探测

天文图像的高分辨率重建技术日益成为天文观测的一种手段.随着云南天文台丽江高美古2.4m望远镜的建立,基于2.4m望远镜利用高分辨率图像重建技术,对恒星系统中可能存在的暗弱伴星进行探测将成为一个现实的课题.本文拟通过实验和理论计算来论证,基于2.4m望远镜,利用天文图像的高分辨率重建技术,对恒星系统中可能存在的暗弱伴星在一定亮度范围内进行探测的可行性.     

一种汽泡型铷原子频标伺服电路中的相位稳定性问题

着重讨论了汽泡型铷原子频标伺服电路中T型选频电路和RC移相电路的相位稳定性,分析了它们的附加相移波动影响整机频率稳定度的机理。为改进原子频标的性能,提出了一种用现场可编程门阵列(FPGA)实现对同步检测参考信号进行数字移相的技术。该基于FPGA的伺服电路的温度附加不稳定度为1×10-12/℃。     

基于MPI-CUDA的K-T算法太阳高分辨图像重建

大气湍流导致地基望远镜成像模糊,高分辨图像重建是解决这一问题的有效方法,K-T高分辨图像重建方法是其中常用的一种,但存在数据大、计算复杂等因素的制约,导致重建非常耗时。针对当前中央处理器与图形处理器混合架构下的高分辨图像重建开展研究,采用MPI-CUDA混合并行技术,最终实现了一套在单机图形处理器环境下基于斑点图像重建技术的高分辨太阳图像重建系统。通过实验验证,与单一的信息传递接口并行相比,图像子块的处理速度有了显著提升,在8个子进程下整个流程的加速比达到了2。实验结果表明,MPI-CUDA混合并行的有效性,能够为天文研究中的大规模计算任务提供借鉴和参考。     

基于ROACH的Zoom-PFB设计与实现

简述了基于ROACH和Xilinx System Generator平台的接收机数字后端系统的设计与实现。介绍了Zoom-PFB算法原理,讨论了该算法的核心部分低通滤波和抽取的现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)实现。针对谱线观测局部高精度分辨率的需要,给出了将400 MHz带宽分为带宽25 MHz的16个通道,对其中任一通道做通道数为6 k、频率分辨率为4 k Hz的频谱细化系统的具体设计方案。在实验室条件下,对该数字后端的性能进行了分析和测试,并以4.5 m口径X/Y结构天线进行银道面中性氢谱线观测检验其应用效果,验证了方案的可行性。     

基于定标和图像处理的数字相机串扰图像修正方法

针对多通道数字相机因信号串扰导致的输出图像重叠问题,基于自行研制的四通道CCD数字相机系统数据,对串扰系数进行了追踪测试,发现串扰系数与输入信号强度和系统读出速度有特定的规律。对于这类系统噪声类串扰,提出了一种基于定标和图像处理的串扰图像修正方法。该方法通过定标建立串扰比例系数与像素数字编码(Digital Number, DN)的关系,再由串扰通道反推被串扰通道的干扰量,通过还原算法进行系统差修正,最终消除串扰。测试结果表明,经过该方法修正后的图像,串扰程度可降至基底白噪声量级,图像质量得到大幅改善。该方法对成像系统中因硬件工艺缺陷造成的固定图案噪声的消除有显著效果,对系统噪声类干扰也有抑制作用,在实际应用中可以作为一般成像系统优化图像质量的补充。