太阳高分辨观测图像与全日面像的高精度配准方法

在太阳观测研究中,高分辨图像与全日面像的配准是一项非常有意义的工作,但由于他们之间存在着旋转、缩放和平移,因此很难高精度地进行匹配。提出一种结合局部统计信息和控制点匹配的图像配准方法,核心思想为将视场等间隔划分为大量重叠的局部区域,通过相关匹配在全日面像上寻找对应的局部区域,然后计算每一对局部区域间的亚像元偏移,根据偏移量确定每一对特征点的坐标位置,据此作为点匹配中的特征控制点;最后根据控制点建立仿射变换的转换方程,采用最小二乘求解整个视场的转换参数,根据解出的参数重新对图像进行迭代,得到收敛后的结果并进行配准。通过对高分辨观测图像和全日面SDO/HMI连续谱图像进行配准,拟合结果的偏差在0.25″以内。     

基于Demons配准的NVST太阳高分辨图像横向速度场测量

太阳高分辨图像中横向速度场的测量已经广泛应用于太阳光球、色球表面特征的动力学分析中,但依然存在测量精度不够的问题。详细介绍了Demons方法,并将其应用于1 m新真空太阳望远镜的高分辨观测资料处理中。首先选取不同观测时间间隔和代表光、色球不同波段的3个数据集作为测试样本,在测量到速度场后,通过与前一时刻图像进行非刚性配准并比较结构相似度评价速度场的测量精度。结果表明,Demons方法在小尺度运动的精细测定方面,明显优于传统的基于傅里叶变换的局部相关跟踪法和微分仿射速度估计方法。并且采用光球和色球图像的亚像素和超像素模拟位移实验表明,这一方法的逐点测量精度可以达到0.1像素量级。     

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。     

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.     

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.     

基于WCS的FITS图像天球定位综述及通用可视化研究

求取FITS(Flexible Image Transport System)文件头中以键/值对形式记录的坐标参数是FITS图像在天球参考系中定位的关键,研究坐标参数求解的一般过程具有重要意义.通过结合观测相机相关参数、天文照相图片识别算法以及WCS(World Coordinate System)理论能够有效实现坐标参数的求解,其中,CCD参数可确定图像对应天区在星表中的坐标范围,从而与星表结合可构建区域星表;天文照相图片识别完成了图像与区域星表间的匹配,得到一定数量恒星的CCD平面坐标与其天球坐标的对应表;WCS根据球面到平面不同投影方式建立两个坐标系之间的传递函数,选择其中一种并代入对应表中数据,解算函数的转换参数从而确定图像像素及其对应的天球坐标.FITS图像作为天文领域科学数据传输与分析的主流数据格式,仅限于在专业天文软件中进行查看、编辑及分析,在天文科普教育中存在局限性.因此,研究一种通用的图像可视化方法意义非凡.通过对FITS与PNG或JPEG图像进行格式转换,以AVM(Astronomy Visualization Metadata)的形式将FITS文件头中的坐标参数转换为元数据并添加到PNG或JPEG的文件头中,能够满足天文爱好者在非天文软件平台下查看及分析天文图像的一般需求.整体设计流程通过java编程实现并通过SExtractor、虚拟天文台可视化工具WWT、图片查看器等软件进行了相关测试.     

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.     

基于脉冲星计时的航天器自主定位误差估计方法

目前很多学者希望从"X射线脉冲星自主导航"的导航算法研究入手,利用数据分析或仿真进行验证.其中关于航天器自主定位的误差估计方法、误差量级和各种影响因素的讨论,并没有在给定详细初始条件的基础上系统性地说明问题.为了分析上述问题,需从天体测量学的角度出发,对自主定位的各种误差源及其影响因素进行探讨和误差量级的估计.首先,由...     

基于系列斑点图像的视宁度估算精度方法研究

半高宽法和像运动法是估算大气视宁度的常用方法,两种方法的估算精度都受到望远镜跟踪误差、风或者机械振动等因素的影响,提高视宁度估算精度在高分辨成像、选址、台站视宁度监测等方面有重要意义.对于半高宽法,用二维高斯函数拟合长曝光点源单星星像并选取合适方向的半高宽估算视宁度,可以有效改善跟踪误差、风或者机械振动等因素的影响.对...     

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。     

一种基于CLEAN方法的小图像恢复快速算法

针对小分辨率图像恢复 ,分析了小分辨率图像中使用CLEAN技术的特殊性 ,并根据H¨ogbom的CLEAN技术核心思想 ,提出了对CLEAN技术的改进 ,并将改进后的CLEAN方法与其它图像恢复方法进行了比较 ,在小图像恢复的效果和算法执行速度方面都取得了较好效果。     

基于CCD星图的空间目标精确光学定位方法研究

通过光学定位方法来确定空间目标的轨道是实现空间目标监测的重要手段之一。介绍一套小型的空间目标光学定位系统,针对该系统获取的CCD星图,提出Top-hat变换和中值滤波相结合的算法去除星图噪声,并提出基于梯度Hough变换的算法完成对CCD星图星点和轨迹的同时精确定位,最后利用星角距的旋转不变性和球面几何原理,实现对空间目标的精确定位。对分辨率为752×580的CCD实拍星图的应用研究结果表明,星图去噪算法和星点、轨迹同时精确定位算法是有效的,且空间目标的定位精度也可达到角秒量级。     

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...     

基于图像的天体搜索研究与自动化集成软件开发

天体搜索是天文数据处理流程的一个重要环节,也是以平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array, SKA)为代表的下一代射电望远镜在面向海量数据处理中的挑战之一.现今天体自动搜索算法、软件已日趋成熟并投入应用,不过在自动化、兼容性等方面仍具有提升空间.以更自动化、更适应海量数据需求的天体搜索算法研究为宗旨,以现有算法为研究基础,天体自动搜索软件系统得到设计和开发.该系统包含友好的交互式用户操作界面,具备可视化输出数据显示、兼容不同数据输入和输出并包含为实际应用服务的文件管理功能.该系统对于大天区图以及图像集,均能够很好地进行自动化处理.测试结果显示,上述方法对于天体搜索的改进有一定成效.后续将在此基础上对该集成系统做进一步的改进开发,以适应更多的需求.     

基于亚像素图像平移叠加提高大倾角同步卫星信噪比的方法研究

大倾角地球同步轨道(GEO)卫星相对地面并非完全静止,其星下点做南北方向的"8"字周期运动,倾角越大运动范围越大.这会降低地面望远镜对其进行凝视观测时的有效曝光时间,无法获得较高的信噪比.对地球同步轨道的监测中,在硬件条件不变的前提下,提出亚像素图像平移叠加方法.根据目标的运动速度和相邻帧图像的时间间隔,在亚像素尺度平移并对齐多幅图像,使GEO目标星象在图像序列中的位置重合,通过叠加多幅序列图像来提高目标信噪比,从而达到提升整个系统探测能力的目的.实测图像叠加结果表明,该方法可以显著提高该类目标的信噪比.叠加5幅图像时,整数像素叠加图像的信噪比约为原图像的1.7倍,而亚像素叠加图像的信噪比是原图像的2倍左右.     

最大熵与MP-CLEAN方法对扩展源图像重建的比较

在射电综合成像领域,通常需要用退卷积的方法补全频域稀疏的采样。由于扩展源的频域信息更为丰富,要补全这些信息相对于点源来说更难,因此扩展源的图像重建是射电综合成像领域的一大难点。为了探索射电干涉扩展源图像重建方法的特点,将最大熵与一种加速的CLEAN方法(文中称之为Multi-Point CLEAN,MP-CLEAN)对扩展源的干涉阵模拟数据的图像重建进行了比较。通过比较,发现对于同样的观测数据,两种方法都能较好地重建图像,但MP-CLEAN方法的旁瓣祛除效果与重建效果优于最大熵方法,而且在模拟数据重建中MP-CLEAN方法的总体速度比最大熵快3倍以上。最后,在讨论部分通过研究两种方法中参数的选择对重建结果的影响,发现最大熵方法比MP-CLEAN方法对参数选择的依赖性弱,这表明最大熵方法有更好的鲁棒性。     

一种基于多尺度带通滤波的洁化算法与GPU实现

中国新一代射电频谱日像仪——明安图射电频谱日像仪以高时间、高空间、高频率分辨率工作在0.4 GHz~15 GHz,为太阳爆发活动初始能量释放区的物理过程、太阳电子加速等研究开辟了新的窗口。高性能、高质量太阳成像算法是日像仪数据处理流水线至关重要的研究内容。参考法国墨东天文台太阳干涉阵的数据处理方法,系统讨论分析了多尺度洁化(Multi-Scale CLEAN)算法,给出了适用于日像仪的多尺度洁化算法参数,并重点讨论了算法的图形处理器并行实现。实验结果表明,改进的多尺度洁化在算法效率上比基于图形处理器实现的H9gbom CLEAN提高了近3倍,有效提高了整个数据处理流水线的性能。     

GPS定位与定时中电离层折射误差高阶项的改正方法

目前ＧＰＳ系统中对电离层折射误差的改正主要来用双频技术，双频技术只改正了电离层折射误差的一阶项，可使定位精度达到米级．但对于要求厘米级定位精度的用户来讲，还必须改正电离层折射误差的二阶项；对于要求毫米级定位精度的用户，还应考虑三阶项的改正．笔者提出一个能改正电离层折射误差一阶项、二阶项和三阶项的方法，它是把现有的双频技术与参考文献［１］中提出的双极化技术结合进行的．     

一种基于傅里叶变换和图像二值化阈值遍历的干涉条纹角度计算方法

消除综合孔径望远镜子孔径之间的相对光程差是实现高分辨率干涉成像的前提条件,条纹检测法是一种检测相对光程差的有效办法。因子孔径的空间位置排布使干涉条纹具有一定的方向性,若不能精确获知干涉条纹的角度,则无法沿条纹的法线方向行采样,进而无法根据对比度变化曲线的最大值获得子孔径之间的最小光程差位置。提出了一种基于傅里叶变换和图像二值化阈值遍历的获得干涉条纹角度的方法,首先介绍了算法的基本原理,其次通过对条纹角度为43°的仿真数据进行算法验证得到的角度为43.007 8°,与理论值的误差为0.018%,证实了方法的可行性。最后对比了未旋转相机和旋转相机两种情况下的条纹对比度变化曲线,可知通过旋转相机使条纹转至相机靶面纵轴方向再进行采样的办法,更有利于精确得到相对光程差的最小位置。