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,...     

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。     

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。     

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。     

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...     

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NGAS的多点观测数据存储与同步方法

平方千米阵列(Square Kilometre Array, SKA)望远镜建成后将具有超高的灵敏度、超快的巡天速度以及宽视场,进而产生超海量的观测数据。SKA天文台与各国区域数据中心间的海量数据同步传输是当前SKA建设中的一个难点。SKA先导项目使用的下一代归档存储系统(Next Generation Archive System, NGAS)在应用测试中存在效率低下,性能不足等问题。提出了一种基于ZeroMQ的数据存储与同步方法,通过采用更加高效的异步消息机制实现同步传输数据,回避了NGAS原有的采用HTTP协议的局限。实验结果表明,新方法在平均数据归档存储效率方面比原有方法快了近40倍,能够基本满足10 GB带宽的全速传输需要,取得了较好的使用效果。     

基于独立成分分析的射频干扰信号消除方法

射电天文已成为人类研究宇宙的重要途径。但随着人类生产、生活的发展,射频干扰信号对射电天文观测的影响越来越严重,观测数据的好坏关系到科学成果的质量甚至结论的真伪。目前广泛采用基于阈值判断射频干扰,对干扰信号直接舍弃部分观测数据的方法。此类方法存在阈值确定困难、观测带宽和时间被缩减等问题。针对脉冲星观测射电信号中,各干扰信号及射电信号统计独立以及呈现出的非高斯性,利用独立成分分析对混合信号进行分解,并根据观测信号中脉冲星信号和干扰信号的分布特点识别脉冲星信号,实现干扰信号消除。使用该方法对云南天文台40 m射电望远镜接收到的脉冲星观测信号进行独立成分分析,分解出独立的射频干扰信号和脉冲星信号,消除射频干扰信号。独立成分分析法在干扰信号消除、射电信号保留及信噪比方面均取得良好效果。     

基于Paxos的强一致性复制在天文数据存储中的应用研究

随着新一代天文观测技术的快速发展,观测设备所获得的科学数据迅猛增长,传统的外挂式存储设备已经难以满足海量观测数据的近实时存储和同步数据处理的需求。基于廉价硬件的分布式存储系统是解决当前天文观测数据存储的有效手段。由于廉价硬件节点发生故障的概率相对较高,为了确保科学观测和数据的可靠存储,提出了一种基于Paxos的改进的分布式软件多副本复制算法。实验表明,在针对大于1 MB的天文FITS图像文件存储过程中,算法虽然增加少量的存储延迟,但能够容忍多种软硬件异常下多个副本的强一致性,较好地解决当前海量天文数据存储中的多副本数据存储的一致性问题。     

地网对VHF天线性能影响的分析研究

基于VHF频段射电天文干涉阵列的天线,研究地网以及不同环境对天线辐射特性包括增益、方向图、谐振点等参数的影响。结果表明,无地网条件下,天线在干燥土壤和沙地的增益分别是3.06 dB和1.44 dB,且存在明显的旁瓣和后瓣;天线在潮湿土壤和沙地的增益分别是4.33 dB和4.25 dB。增加地网后,天线在干燥土壤和沙地的增益分别是4.87 dB和4.97 dB,潮湿土壤和沙地分别是4.39 dB和4.40 dB,方向图不存在明显的后瓣和旁瓣,谐振点稳定在27.0 MHz和69.5 MHz处,且在此之间的频段上,驻波比均满足银河噪声限制条件。由此可以得出结论:在干燥土壤和沙地上铺设地网时,VHF天线性能最好,噪声最低,这对大规模的VHF天线阵列的基础构建环境选择至关重要。     

基于经验模式分解的太阳南北半球黑子面积的Rieger-type周期相位分析

采用经验模式分解技术研究了从第12到第24太阳活动周黑子面积数据中的Rieger-type周期,以及它们在南北半球上的相位关系。研究发现:(1)Rieger-type周期尺度以及时间尺度在两个半球上是不一样的,从而导致了半球分布的不对称性;(2)平均Rieger-type周期在北半球上的周期长度略大于南半球上的;(3)占主导地位半球的Rieger-type周期的相位不一定是超前的,半球Rieger-type周期尺度相近的也并不一定是相关性强的。     

基于容器技术的天文应用软件自动部署方法

平方千米阵列即将开始建设,各子工作包也进入关键设计评估阶段。基于云与容器技术是平方千米阵列科学数据处理器未来可能采用的平台技术。针对超大规模海量数据处理面临的天文应用软件快速部署、运行与实测要求,充分考虑天文应用软件运行环境复杂、云计算环境下超大规模计算集群部署困难等问题,系统研究并给出了一种使用容器技术的天文应用软件通用自动部署方法。以目前较为常用的可见度函数校准软件SAGECaL为例,首先分析了SAGECaL的相关特性和分布式部署方面存在的困难,进而给出了基于容器技术的SAGECaL分布式集群的自动部署方法。实验结果表明,自动部署方法极大地提高了SAGECaL分布式集群的部署效率,满足项目组承担平方千米阵列科学数据处理器相关测试工作所需要的基础平台部署与切换等需求,同时也为其它天文软件在云端的快速部署与执行提供了有益的思路。     

基于Docker的射电干涉阵软件系统敏捷封装与部署

随着天文技术的发展,天文数据处理软件的需求也不断更迭变化,导致软件运行环境渐趋复杂。对于开发者和使用者,急需提出一种对复杂天文数据处理软件敏捷化封装和部署的方法。我国明安图射电频谱日像仪已进入常规观测,与之配套的数据处理软件也已完成开发并投入使用。由于该软件的部署涉及操作系统环境、图形处理器运行环境及底层依赖软件等配置问题,导致安装过程既繁琐又容易出错。结合容器技术的特点,提出了一种基于Docker容器对日像仪软件系统进行敏捷封装与部署的方法,并对该方法的设计进行介绍,通过实验验证了其可用性,以及相比于传统虚拟机可获得较优异的性能表现。该方法可为未来天文数据处理软件的封装部署提供参考。可以预见,未来容器技术将成为天文海量数据处理的基础支撑技术。     

基于OpenCL的射电干涉阵成像网格化算法实现

天文软件开发与应用中迫切需要在单机环境下进行高性能的科学数据处理,由于机器配置不同,采用传统的CUDA+GPU技术存在明显的局限,不利于天文软件的快速移植和无缝运行。针对明安图射电频谱日像仪数据处理中的网格化(Gridding)算法,采用并行计算OpenCL技术进行多线程编程实现。实验结果表明,基于OpenCL实现的网格化算法不仅能够在图形处理器上运行,而且能够在纯中央处理器上运行。当选择在图形处理器上执行时,算法的执行效率与基于CUDA实现的网格化算法执行效率大致相当,但算法不局限于NVIDIA GPU,解决了算法对CUDA+GPU的依赖;同时算法也能在纯中央处理器上较快速地执行,适用于单机模式下进行天文软件的开发和测试,也便于天文软件的应用与推广。     

基于ZeroMQ的观测控制系统底层通信架构分析与测试

观测控制系统是当前的一个研究热点,底层通信是观测控制系统架构的一个重要环节。但传统的观测控制系统一般采用裸套接技术实现,缺少统一的传输控制机制,在密集数据通信时经常存在延迟,影响实时控制的需要;同时缺少广播与组播机制,限制了观测控制系统的设计。针对观测控制系统的要求,研究了基于ZeroMQ不同通信模型及对应的天文控制模式,分析了不同的通信控制架构的可用性,在此基础上通过实验对相应的通信模型进行测试,验证其在天文仪器分布控制中的可用性。测试结果进一步说明,ZeroMQ构建观测控制系统的底层通信架构是可行的,能够满足观测控制系统对设备的各种控制需求。     

丽江2.4米望远镜的圆顶侧窗自动化控制系统

丽江2.4 m望远镜的圆顶采用方位随动和滑动式天窗的超半球结构,起初为改善因圆顶和望远镜终端电子设备引起的内外大气湍流,设计了大面积的多组机械式侧窗。但由于高平台手动操作危险、缓慢、不精确且易损坏,为实现侧窗稳定的多组自动控制,开发了基于STM32板的嵌入式圆顶侧窗自动控制系统,利用WiFi模块、串口模块和手柄实现侧窗的远程和多通道控制。同时结合气象数据、圆顶位置信息等使系统能根据气象阈值进行预警、自动开合,并尽量减小风对望远镜振动的影响。侧窗控制系统的设计可满足上层系统集成的需要。该系统稳定可靠,能满足侧窗的自主运行与人为控制。