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。     

拉格朗日点上的天文探测

拉格朗日点是以著名的法国科学家拉格朗日的名字命名的空间中的几个点,也被称为太空中的天平点。它存在于两个大的天体之间,由于受到两个天体的重力影响,位于这一点上的小型物体可以相对保持平衡,不需要动力推进以抵挡引力作用。在每两个大型的天体之间,比如太阳和木星、地球和月球之间．理论上都存在5个拉格朗日点,利用拉格朗日点的原理,科学家们就有可能制造出不需要能源动力的太空船和空间天文观测台。     

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。     

综合孔径干涉望远镜的高分辨率图像重建

利用干涉望远镜成像,可以获取最长基线对应的高频率信息,但往往只能获得部分频域覆盖.为了获得尽可能多的频率信息,可以先通过孔径排布变换,进行更充分的频率采样,再经过干涉图像合成,得到含有完备频率信息的目标高分辨率重建像.介绍了综合孔径干涉望远镜的高分辨率图像重建工作,重点讨论了孔径旋转条件下的干涉图像对齐和合成问题,并成功实施了天文目标的干涉成像观测实验,获得了有完备频率信息的目标高分辨率重建像.     

硬X射线气球探测中方位,仰角驱动系统的改进

本文叙述了高空气球探测硬X射线时的方位,仰角的驱动情况。 构成方位,仰角驱动器的电路尽可能简单严谨,提高高空工作的可靠性。当用一个0.1秒的脉冲去分别驱动方位、仰角转动时,可得到方位、仰角的微动指向精度为0.06°及0.08。按照遥控指令,方位可在0°～360°变化,仰角可在0°～90°范围内变化。     

离焦量误差对相位差法波前重构的影响

相位差法波前探测是利用焦面和已知像差函数及像差尺度的离焦位置上同时采集的一对短曝光图像,通过最优化方法使代价函数最小化,从而得到目标和波前相位估计值的渡前探测方法.本文通过计算机模拟了像差函数为离焦像差的情况下,经相位差法波前探测成像系统后在焦面和离焦面上采集得到的图像强度分布,采用有限内存拟牛顿法(LFBGS)对模拟图像进行数值求解,实现了渡前相位的重构和对面源目标的重建;由于在实际应用中测量误差和机械加工带来的离焦量偏差是不可避免的,因此在模拟实验中就离焦量尺度不精确的情况进行了分析.     

天体运动的轨道偏心率研究概述---从恒星系统到行星系统

偏心率是描述天体运动轨道的重要参数之一, 能够为揭示天体的动力学演化提供重要线索, 进而帮助理解天体形成与演化的过程及背后的物理机制. 随着天文观测技术的不断发展, 人们对于天体运动轨道的研究已经走出太阳系, 包含的系统也从大质量端的恒星系统延伸到了低质量端的行星系统. 聚焦天体轨道偏心率研究, 回顾了目前在恒星系统(包括主序恒星、褐矮星以及致密星)和行星系统(包括太阳系外巨行星以及``超级地球''、``亚海王星''等小质量系外行星)方面取得的进展, 总结了不同尺度结构下偏心率研究的一些共同之处和待解决的问题. 并结合当下和未来的相关天文观测设备和项目, 对未来天体轨道偏心率方面的研究工作进行了展望.     

一种低噪声硅微条探测器读出电子学系统的设计

硅微条探测器空间分辨率高、工作性能稳定, 广泛地应用于空间高能粒子探测领域. 如费米gamma射线空间望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope, FGST)以及阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer 2, AMS-02)的径迹探测器中都采用了高位置分辨率的硅微条探测器. 基于硅微条探测器在空间观测领域的应用前景, 针对硅微条探测器单元设计了一套低噪声的电子学读出系统. 整个电子学系统分为前端电子学、数据获取电路和上位机软件. 前端电子学为提高集成度, 采用了一款电荷读出芯片VATAGP8, 实现了多通道、低噪声的电荷信号测量; 数据获取电路使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)实现了对前端电子学的时序控制以及对测量信号的采集控制; 上位机用来接收、处理数据获取电路采集的信号数据. 在对电子学通道的线性、基线、噪声等性能进行测试之后, 得到系统在0--200fC电荷输入范围内的线性增益约为13.41bin/fC, 积分非线性小于1%, 噪声小于0.093fC. 为了验证电子学读出系统对硅微条探测器单元的读出能力, 将两者集成在一起并测试了宇宙线缪子的能量沉积, 得到读出电子学系统的信噪比大于32, 缪子的电离损失能谱与Landau-Gaussian分布符合较好, 能够满足硅微条探测器单元读出电子学的设计要求.     

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。     

Detection of Faint Asteroids Based on Image Shifting and Stacking Method

In order to improve the ability to find the faint and small celestial bodies in the solar system, a method of shifting and stacking images which improves the detection efficiency of faint moving objects is applied to process the sequential optical images. This method determines the existence of moving objects by using the method of false position to pre-estimate the apparent velocities of moving objects, then determines iteratively the accurate positions of moving objects based on the SNR (Signal-to-Noise Ratio) and elongation of stellar image. Using the sequential images of the China Near Earth Object Survey Telescope (CNEOST), we carry out an experiment and succeed in detecting asteroids fainter than 21 magnitude which are invisible on a single image. Thus, the feasibility of this method is verified.     

聚星和星团中相接双星的观测与研究

大熊W型相接双星是两颗子星均充满并溢出各自洛希瓣、具有对流公共包层的双星系统.相接双星中存在各种各样的相互作用,给理论模型带来许多可变参量,对理论研究提出了挑战.上世纪六七十年代,经过激烈的争论,相接双星的对流公共包层模型得到公认,相接双星的热弛豫震荡模型、相接不连续模型及角动量损失理论相继被提出.然而,在过去的近40 yr中,理论研究似乎遇到了瓶颈.大量未知参量的共存,使相接双星的理论研究难以进一步开展.研究相接双星的聚星、星团环境,能为相接双星的形成和演化提供丰富的信息,因而是探索相接双星演化问题潜在的生长点.越来越多的观测证据表明,大量相接双星存在于聚星系统或者星团当中.作为母系统的聚星、星团为研究其中的相接双星提供了丰富的演化信息.本文针对这些重要天体系统中的相接双星进行了成员认证、测光观测、周期分析和基本物理参量求解等多项研究,同时对相接双星研究的现状做了简要概述.主要成果如下:     

Counts of Faint Blue Objects and the Anomalous Red Shift

The hypothesis that the spectra of young objects contain an anomalous red shift which decreases and disappears as they evolve is considered. The possibility of detecting features of this anomalous red shift in the spectra of postquasar objects is considered under the assumption that a large fraction of the quasars are local objects ejected from galactic nuclei. It is argued that the anomalous red shift has a significant effect on the form of the observed luminosity function for the local population of galaxies, depleting it at faint magnitudes. This approach is used to examine the problem of excess blue galaxies.     

Automatic Solar Filament Detection Using Image Processing Techniques

We present an automatic solar filament detection algorithm based on image enhancement, segmentation, pattern recognition, and mathematical morphology methods. This algorithm cannot only detect filaments, but can also identify spines, footpoints, and filament disappearances. It consists of five steps: (1) The stabilized inverse diffusion equation (SIDE) is used to enhance and sharpen filament contours. (2) A new method for automatic threshold selection is proposed to extract filaments from local background. (3) The support vector machine (SVM) is used to differentiate between sunspots and filaments. (4) Once a filament is identified, morphological thinning, pruning, and adaptive edge linking methods are used to determine the filament properties. (5) Finally, we propose a filament matching method to detect filament disappearances. We have successfully applied the algorithm to Hα full-disk images obtained at Big Bear Solar Observatory (BBSO). It has the potential to become the foundation of an automatic solar filament detection system, which will enhance our capabilities of forecasting and predicting geo-effective events and space weather.     

图像移位堆叠方法用于暗天然卫星的天体测量

暗弱天然卫星与主带小行星相比,具有亮度低、速度变化快的特点.在观测这类天体时,不能简单地延长曝光时间来提高其信噪比.尝试观测多幅短曝光的CCD (chargecoupled device)图像,采用移位堆叠(shift-and-add)方法,希望提高目标成像的信噪比,获得暗弱天然卫星的精确测量结果.使用2018年4月9—12日夜间,中国科学院云南天文台1 m望远镜(1 m望远镜)拍摄的木星5颗暗卫星的229幅CCD图像,实施了移位堆叠试验.为了验证结果的正确性,与相近日期中国科学院云南天文台2.4 m望远镜(2.4 m望远镜)观测的相同木卫图像的测量结果进行了比较和分析.位置归算采用了JPL (Jet Propulsion Laboratory)历表.结果表明,对CCD图像使用移位堆叠方法,通过叠加约10幅曝光时间100 s的图像, 1 m望远镜能观测暗至19等星的不规则天然卫星,而且测量的准确度与2.4 m望远镜的测量结果有良好的一致性.     

Image Quality in High-resolution and High-cadence Solar Imaging

Broad-band imaging and even imaging with a moderate bandpass (about 1 nm) provides a photon-rich environment, where frame selection (lucky imaging) becomes a helpful tool in image restoration, allowing us to perform a cost-benefit analysis on how to design observing sequences for imaging with high spatial resolution in combination with real-time correction provided by an adaptive optics (AO) system. This study presents high-cadence (160 Hz) G-band and blue continuum image sequences obtained with the High-resolution Fast Imager (HiFI) at the 1.5-meter GREGOR solar telescope, where the speckle-masking technique is used to restore images with nearly diffraction-limited resolution. The HiFI employs two synchronized large-format and high-cadence sCMOS detectors. The median filter gradient similarity (MFGS) image-quality metric is applied, among others, to AO-corrected image sequences of a pore and a small sunspot observed on 2017 June 4 and 5. A small region of interest, which was selected for fast-imaging performance, covered these contrast-rich features and their neighborhood, which were part of Active Region NOAA 12661. Modifications of the MFGS algorithm uncover the field- and structure-dependency of this image-quality metric. However, MFGS still remains a good choice for determining image quality without a priori knowledge, which is an important characteristic when classifying the huge number of high-resolution images contained in data archives. In addition, this investigation demonstrates that a fast cadence and millisecond exposure times are still insufficient to reach the coherence time of daytime seeing. Nonetheless, the analysis shows that data acquisition rates exceeding 50 Hz are required to capture a substantial fraction of the best seeing moments, significantly boosting the performance of post-facto image restoration.     

On the Use of Meteor Camera Systems in the Detection of Kuiper Belt Objects Through Serendipitous Stellar Occultations

The direct detection of Kuiper Belt Objects (KBOs) by telescopic imaging is not currently practical for objects much less than 100 km in diameter. However, indirect methods such as serendipitous stellar occultations might still be employed to detect these bodies. The method of serendipitous stellar occultations has been previously used with some success in detecting KBOs—Roques et al. (Astron J 132(2):819–822, 2006) detected three Trans-Neptunian objects; Schlichting et al. (Nature 462(7275):895–897, 2009) and Schlichting et al. (Astrophys J 761:150, 2012) each detected a single object in archival Hubble Space Telescope data. However, previous assessments of KBO occultation detection rates have been calculated only for telescopes—we extend this method to video camera systems, and we apply this derivation to the automated meteor camera systems currently in use at the University of Western Ontario. We find that in a typical scenario we can expect one occultation per month. However recent studies such as those of Shankman et al. (Astrophys. J. Lett. 764. doi:10.1088/2041-8205/764/1/L2, 2013) and Gladman et al. (AAS/Division for Planetary Sciences Meeting Abstracts, 2012) which indicate that the population of small KBOs may be smaller than has been assumed in the past may result in a sharp reduction of these rates. Nonetheless, a survey for KBO occultations using existing meteor camera systems may provide valuable information about the number density of KBOs.     

基于图像叠加的GEO目标探测方法

为了满足地球同步轨道(Geosynchronous Orbit,GEO)空间目标的探测要求,克服长时间曝光CCD像元出现饱和溢出的情况,提出使用多帧连续曝光图像叠加的方法,增加图像的存储范围,同时提升目标的信噪比,保证系统的探测能力.实验结果表明,利用10帧连续图像叠加的方法,可以有效消除像元饱和的情况,提升目标信噪比约3.2倍,提升探测能力近似2.5星等,且序列图像的底片常数精度可靠,用底片常数的均值计算目标位置,精度符合要求.结果验证了使用图像叠加方法探测GEO目标的可行性.     

由斑点图重建天文图像的方法

首先介绍了斑点图形成机制以及获取方法,并借助计算机模拟了斑点图的生成。然后重点描述斑点图的图像重建方法,包括频率域和空间域重建方法。在频率域重建方法部分依次详细叙述了用于复原模信息的斑点干涉法和用于复原相位信息的由模复原相位法、Knox-Thompson法、斑点掩模法;空间域重建方法部分介绍了典型的LWH法和迭代位移叠加法;另外,盲消卷积法也为斑点图重建提供了新的思路,文章对此方法也做了介绍;特别地,还对国内在该领域的相关工作做了介绍;关于斑点图重建方法在天文学、天体物理学等领域的应用,文章做了有针对性的介绍;最后一章是斑点图图像重建方法的总结。     

1991年7月11日日食观测的图象复原

１９９１年７月１１日日食期间，在大熊湖天文台进行了白光观测．图象是用６５ｃｍ反射系统和ＯＳＬ的ＣＣＤ获得的．月亮边缘始终包含在视场之中，从模糊的月亮边缘轮廓推得了一维的视宁度点扩散函数（ＰＳＦ），其中包含了望远镜引起的畸变。当天的ＰＳＦ的宽度介于０．８到１．３弧秒之间。假设存在圆柱对称性，则可得到二维的ＰＳＦ。然后，运用视宁度函数，对所观测的白光像消卷积。复原方法将观测到的ｒｍｓ反衬值由５％增强到１８％；亮桥可能亮于正常的光球强度；暗的半影纤维可能暗到正常光球的５０％；而亮纤维可能达到正常光球值。