白陽(yáng) 林佳本 王東光 鄧元勇

(1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 北京 100101)

(2 中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101)

(3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引言

磁場(chǎng)是太陽(yáng)物理研究的第1觀測(cè)量,太陽(yáng)磁像儀是對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)研究的核心儀器.隨著太陽(yáng)物理研究的深入,對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)提出了越來(lái)越高的要求,因此,具備高時(shí)空分辨率、高偏振測(cè)量精度的空間太陽(yáng)磁像儀成為目前太陽(yáng)磁場(chǎng)研究的重要方向,例如SOHO (Solar and Heliospheric Observatory)上搭載的MDI (Michelson Doppler Imager)[1],Hinode衛(wèi)星上搭載的SOT (Solar Optical Telescope)[2],SDO (Solar Dynamics Observatory)上搭載的HMI (Helioseismic and Magnetic Imager)[3],SO (Solar Orbitor)上搭載的PHI (Polarimetric and Helioseismic Imager)[4],以及目前懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地主持研制的先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)上的全日面矢量磁像儀(Full-disk Magneto-Graph,FMG)[5]載荷.近年來(lái)深空太陽(yáng)探測(cè)成為空間太陽(yáng)觀測(cè)的熱點(diǎn)方向,國(guó)內(nèi)正在開(kāi)展極軌、環(huán)黃道面、L2點(diǎn)等深空探測(cè)任務(wù)的論證工作,因此為深空太陽(yáng)磁像儀研究一種輕量化、高可靠的軟件穩(wěn)像觀測(cè)技術(shù)方案成為當(dāng)務(wù)之急.

在太陽(yáng)磁場(chǎng)觀測(cè)中,微弱磁場(chǎng)有幾高斯[6],需要多幀短曝光數(shù)據(jù)通過(guò)深積分來(lái)獲得高靈敏度的磁場(chǎng)數(shù)據(jù),而載荷在衛(wèi)星平臺(tái)上,會(huì)受到衛(wèi)星姿態(tài)變化、衛(wèi)星平臺(tái)和儀器設(shè)備的振動(dòng)等因素的影響,導(dǎo)致CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)探測(cè)器靶面上的圖像出現(xiàn)抖動(dòng)、模糊,影響空間分辨率.目前太陽(yáng)磁像儀通常使用相關(guān)跟蹤器[7-8]或邊緣探測(cè)器[9-11]消除圖像位移,保證磁場(chǎng)測(cè)量的精度,其中邊緣探測(cè)器多應(yīng)用于全日面觀測(cè),而對(duì)于局部區(qū)域磁場(chǎng)的穩(wěn)像觀測(cè),則需要相關(guān)跟蹤器來(lái)實(shí)現(xiàn).自1987年Edwards等[12]將相關(guān)跟蹤技術(shù)引入到太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡上并實(shí)現(xiàn)圖像穩(wěn)像的功能后,NSO/KIS (National Solar Observatory)[13]、IAC (Instituto de Astrof isica de Canarias)[14]、THEMIS(T′elescopeH′eliographiquepour l’Etude du Magn′etisme et des Instabilit′es de l’atmosph`ere Solaire)[15]、BBSO (Big Bear Solar Observatory)[16]以及SVST (Swedish Vacuum Solar Telescope)[17]等設(shè)備上也采用相關(guān)跟蹤穩(wěn)像技術(shù).國(guó)家天文臺(tái)懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地于1998年第1次采用后處理的方式實(shí)現(xiàn)了相關(guān)跟蹤算法,經(jīng)過(guò)多次升級(jí)改造,于2012年實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于GPU(Graphics Processing Unit)的太陽(yáng)磁場(chǎng)實(shí)時(shí)相關(guān)跟蹤圖像處理系統(tǒng)[8],并在懷柔觀測(cè)基地穩(wěn)定運(yùn)行.在空間設(shè)備上,SOT[3]搭載的空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡也采用基于相關(guān)跟蹤器的技術(shù)方案研制了穩(wěn)像系統(tǒng).

因此,針對(duì)太陽(yáng)磁像儀空間化的關(guān)鍵技術(shù)-自校正穩(wěn)像觀測(cè)方法提出了基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)和數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,DSP)的軟件處理算法: 通過(guò)固化在DSP芯片上的圖像穩(wěn)像模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)圖像位置偏移實(shí)時(shí)校正和深積分計(jì)算;另外,通過(guò)固化在FPGA芯片上的相機(jī)和KD*P(磷酸二氘鉀)高壓控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)偏振調(diào)制和數(shù)據(jù)交替采樣; 最后,為了開(kāi)展地面實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)了地檢軟件系統(tǒng),在上位機(jī)控制模塊一鍵獲得太陽(yáng)磁場(chǎng)數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)磁場(chǎng)的高分辨觀測(cè).該方案不僅為深空太陽(yáng)磁場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備提供了一種輕量化、高可靠的軟件穩(wěn)像觀測(cè)技術(shù)方案,積累宇航產(chǎn)品研制經(jīng)驗(yàn),而且為地基太陽(yáng)磁場(chǎng)觀測(cè)提供了新型的、不依賴于操作系統(tǒng)的觀測(cè)系統(tǒng).

2 穩(wěn)像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在太陽(yáng)磁像儀的工作過(guò)程中,穩(wěn)像系統(tǒng)的工作頻率不應(yīng)低于相機(jī)采集頻率,以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理; 另外,依據(jù)深空探測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)載荷重量、尺寸嚴(yán)苛的要求,需要考慮硬件設(shè)備在軌運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性.經(jīng)過(guò)分析,在FPGA和DSP芯片上編寫(xiě)高性能軟件算法可以有效實(shí)現(xiàn)基于相關(guān)跟蹤法的實(shí)時(shí)穩(wěn)像觀測(cè).其中,在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)偏振調(diào)制和數(shù)據(jù)交替采樣,在DSP芯片上實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)圖像位置偏移實(shí)時(shí)校正和深積分計(jì)算.

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在總結(jié)當(dāng)前應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中各種穩(wěn)像設(shè)備的基礎(chǔ)上,綜合考慮宇航級(jí)器件的工作能力,選擇在FPGA芯片和DSP芯片上分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理功能.在調(diào)研當(dāng)前宇航級(jí)芯片處理能力后,選用與宇航級(jí)設(shè)備性能接近的Kintex-7 FPGA芯片和TMS3206678 DSP芯片實(shí)現(xiàn)穩(wěn)像系統(tǒng)的設(shè)計(jì),FPGA和DSP端硬件性能參數(shù)分別如表1-2所示.穩(wěn)像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖1所示,穩(wěn)像系統(tǒng)以FPGA芯片和DSP芯片為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,使用串行高速輸入輸出(Serial Rapid Input Output,SRIO)實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)互連,使用TL288A圖像采集卡與CMOS相連接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,使用網(wǎng)絡(luò)端口與上位機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存與顯示.

圖1 穩(wěn)像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 The experiment platform of image correlation system

表1 FPGA性能參數(shù)Table 1 The performance parameters of FPGA

2.1.2 軟件工作流程

表2 DSP性能參數(shù)Table 2 The performance parameters of DSP

依據(jù)選用的芯片和設(shè)備,完成了太陽(yáng)磁像儀自校正穩(wěn)像觀測(cè)系統(tǒng)硬件鏈路的設(shè)計(jì)和搭建后,在FPGA+DSP硬件系統(tǒng)上設(shè)計(jì)高精度穩(wěn)像算法.首先,在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)KD*P高壓偏執(zhí)和CMOS相機(jī)采集的同步控制,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交替采集; 然后,在DSP芯片上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)像處理算法,實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的穩(wěn)像和積分; 最后,為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行地面驗(yàn)證試驗(yàn),在上位機(jī)PC端設(shè)計(jì)觀測(cè)軟件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存和顯示.系統(tǒng)工作流程如圖2所示.

圖2 穩(wěn)像系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 The work flow chart of image correlation system

2.2 FPGA設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集需要實(shí)現(xiàn)從望遠(yuǎn)鏡磁像儀光信號(hào)到電信號(hào)的變換、調(diào)制、交替采樣,因此我們通過(guò)FPGA軟件完成對(duì)相機(jī)和KD*P高壓控制、圖像數(shù)據(jù)處理、FPGA通信功能3個(gè)模塊的設(shè)計(jì).使用Vivado 2015.2進(jìn)行軟件的編譯和調(diào)試,程序代碼采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě).

2.2.1 相機(jī)數(shù)據(jù)輸入設(shè)計(jì)

FPGA芯片上的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換主要是對(duì)通過(guò)Cameralink采集卡采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼,依照DS90CR288A芯片手冊(cè)和Cameralink協(xié)議規(guī)范,可分離出行有效信號(hào)、幀有效信號(hào)、數(shù)據(jù)有效信號(hào)和像素?cái)?shù)據(jù),并根據(jù)幀有效信號(hào)和行有效信號(hào),將圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO(First Input First Output)中,保存到DDR3 (Double Data Rate 3)內(nèi)存上,如圖3所示.

圖3 圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程Fig.3 The data conversion process

2.2.2 相機(jī)曝光與KD*P高壓控制

根據(jù)太陽(yáng)磁像儀的工作原理,要實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量需要保證對(duì)左旋光和右旋光分別進(jìn)行積分,然后根據(jù)公式計(jì)算獲得太陽(yáng)磁場(chǎng).因此在磁場(chǎng)觀測(cè)過(guò)程中,KD*P高壓控制和相機(jī)曝光要實(shí)現(xiàn)同步配合,才能保證獲取的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)有足夠的靈敏度[18-20].在本系統(tǒng)中,通過(guò)在FPGA芯片上同一個(gè)晶振信號(hào)輸出,使KD*P高壓控制信號(hào)與相機(jī)控制信號(hào)完成同步,兩信號(hào)之間設(shè)定2 ms延時(shí),在KD*P電光晶體完成偏轉(zhuǎn)后進(jìn)行曝光,以完成太陽(yáng)偏振像的采集.相機(jī)觸發(fā)信號(hào)與KD*P高壓控制信號(hào)波形如圖4所示.

圖4 示波器信號(hào)顯示界面: 相機(jī)觸發(fā)信號(hào)(CH2)與KD*P高壓控制信號(hào)(CH1).Fig.4 The signal display interface of oscilloscope: camera trigger signal (CH2) and KD*P high-voltage control signal(CH1).

2.2.3 FPGA內(nèi)存數(shù)據(jù)管理

FPGA通信功能模塊主要功能是建立FPGA與DSP間的通信功能,以便于將FPGA緩存的數(shù)據(jù)傳輸至DSP芯片的DDR3上.在FPGA存儲(chǔ)滿一幀圖像后,通過(guò)RapidIO (Rapid Input Output)端口發(fā)送圖像數(shù)據(jù)至DSP存儲(chǔ)器,通過(guò)數(shù)據(jù)判斷將左右旋數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到不同地址空間上,并發(fā)送Doorbell(門(mén)鈴)信息通知DSP芯片讀取內(nèi)存相應(yīng)地址數(shù)據(jù),保證數(shù)據(jù)不互相干擾.本系統(tǒng)基于FPGA設(shè)計(jì)SRIO IP (Intellectual Property)核實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的輸出功能,使用2X模式,每個(gè)通道的速率為5 Gbit/s.

通過(guò)上述硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì),在FPGA芯片上可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)偏振像的實(shí)時(shí)采集和轉(zhuǎn)發(fā),以便于圖像數(shù)據(jù)在DSP芯片進(jìn)一步處理,使空間太陽(yáng)磁像儀自校正穩(wěn)像系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)觀測(cè)的硬件能力.

2.3 DSP設(shè)計(jì)

為了獲取靈敏度足夠的磁場(chǎng)數(shù)據(jù),需要通過(guò)圖像穩(wěn)像算法在數(shù)據(jù)深積分前進(jìn)行圖像偏移量計(jì)算,實(shí)現(xiàn)圖像偏移糾正,將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)并疊加計(jì)算,獲取高靈敏度的觀測(cè)數(shù)據(jù).因此需要通過(guò)DSP軟件完成對(duì)穩(wěn)像算法模塊和DSP通信功能模塊2個(gè)模塊的設(shè)計(jì).使用CCS(Code Composer Studio) 7.4.0進(jìn)行軟件的編譯和調(diào)試,使用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序代碼.目前,對(duì)于像素大小為1 K×1 K的太陽(yáng)單色像,每個(gè)核可以在1 s內(nèi)完成10個(gè)圖像的處理并疊加,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需求的20 fps的處理速度.

2.3.1 穩(wěn)像算法實(shí)現(xiàn)

基于DSP的圖像處理算法主要包含有穩(wěn)像算法和深積分算法兩部分,其中穩(wěn)像算法的核心運(yùn)算是相關(guān)跟蹤算法,即求參考圖像與活動(dòng)圖像的互相關(guān)函數(shù).對(duì)于給定尺寸大小為M ×N的兩張圖像h(x,y)、g(x,y),x、y分別為其橫縱坐標(biāo)值,x=0,1,2,···,M-1;y=0,1,2,···,N-1.兩幅圖像的相關(guān)函數(shù)定義如下:

式中,Rhg(m,n)為h(x,y)與g(x,y)的相關(guān)函數(shù),m=0,1,2,···,M-1;n=0,1,2,···,N-1.H(u,v)是h(x,y)的傅里葉變換形式,G*(u,v)是g(x,y)的傅里葉變換的共軛變換,u=0,1,2,···,M-1;v=0,1,2,···,N-1.然后,將相關(guān)函數(shù)計(jì)算結(jié)果R(u,v)取傅里葉逆變換,其矩陣中的最大值元素所在的位置即是兩幅圖像相關(guān)性最強(qiáng)的位置,計(jì)算圖像偏移量.在通過(guò)圖像偏移量糾正圖像錯(cuò)位后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理獲得深積分圖像數(shù)據(jù).相關(guān)跟蹤算法流程如圖5所示.

圖5 相關(guān)跟蹤算法流程圖Fig.5 The flow chart of correlation tracking algorithm

當(dāng)前采用32×32窗口進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算時(shí)單幀圖像相關(guān)運(yùn)算和深積分運(yùn)算的平均時(shí)間消耗為72.9 ms,可以完成單核10 fps的處理任務(wù),實(shí)現(xiàn)20 fps的實(shí)時(shí)穩(wěn)像觀測(cè)指標(biāo).

2.3.2 DSP觀測(cè)調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)

基于DSP芯片的通信設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)部分:DSP與FPGA之間的通信、DSP核間通信、DSP與PC機(jī)間的通信.

(1) DSP與FPGA之間內(nèi)存數(shù)據(jù)管理

DSP芯片與FPGA芯片之間的通信是通過(guò)門(mén)鈴來(lái)進(jìn)行控制的,DSP芯片Core0核接收到的圖像數(shù)據(jù)由兩種門(mén)鈴中斷信息判斷,分別存儲(chǔ)到DDR3內(nèi)存的兩個(gè)不同地址上,由此將采集到的左右旋圖像分別存儲(chǔ),以便后續(xù)操作.

(2) DSP核間同步調(diào)度

TMS320C6678采用基于KeyStone架構(gòu)的核中斷控制器INTC (Interrupt Controller)、激活處理器觸發(fā)相應(yīng)的中斷服務(wù)程序來(lái)完成通信.DSP芯片上Core0核在接收到FPGA門(mén)鈴信息后,通過(guò)判斷分別激活Core1核和Core2核,進(jìn)行圖像處理.在Core1核和Core2核完成圖像處理進(jìn)程后,發(fā)送中斷信息到Core0核進(jìn)行下一步判斷處理.

(3)觀測(cè)調(diào)度實(shí)現(xiàn)

DSP芯片和PC機(jī)之間通過(guò)TCPIP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)建立數(shù)據(jù)通信,在Core1核和Core2核發(fā)送的中斷信息中判斷達(dá)到深積分設(shè)定的數(shù)量后,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端口將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端.

2.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

綜合觀測(cè)需求,在PC端設(shè)計(jì)了地檢控制軟件來(lái)輔助進(jìn)行系統(tǒng)地面測(cè)試,地檢控制軟件為如圖6所示的磁場(chǎng)觀測(cè)控制軟件,該軟件用于指令發(fā)送和接收保存采集到的圖像數(shù)據(jù),且能顯示當(dāng)前目錄中數(shù)據(jù)的磁場(chǎng)圖像.

圖6 磁場(chǎng)觀測(cè)軟件界面Fig.6 The interface of software for magnetic field observation

地檢軟件通過(guò)指令控制DSP程序初始化,用來(lái)配置網(wǎng)口信息、開(kāi)窗位置等參數(shù); 然后建立TCPIP協(xié)議,通過(guò)網(wǎng)口接收由DSP端發(fā)送出的圖像數(shù)據(jù).在軟件內(nèi)集成磁場(chǎng)數(shù)據(jù)生成的算法,可以在軟件內(nèi)顯示磁場(chǎng)圖像,磁場(chǎng)計(jì)算如下所示:

式中,mag是太陽(yáng)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度,I+是左旋圖像數(shù)據(jù)的深積分結(jié)果,I-是右旋圖像數(shù)據(jù)的深積分結(jié)果,k代表太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡標(biāo)定系數(shù).

3 穩(wěn)像系統(tǒng)性能分析

3.1 穩(wěn)像算法精度分析

在實(shí)際測(cè)試之前,首先要展開(kāi)基于FPGA+DSP的相關(guān)跟蹤算法有效性的測(cè)試,通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證相關(guān)跟蹤算法對(duì)圖像偏移量檢測(cè)的有效性和準(zhǔn)確性.

在仿真實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)對(duì)6月18日在懷柔基地35 cm磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡上觀測(cè)所得的10張局部太陽(yáng)偏振像進(jìn)行處理,將每張?zhí)?yáng)偏振像作為基準(zhǔn)圖像,并在[-7,7]的范圍內(nèi)進(jìn)行步長(zhǎng)為1的平移,獲得225張待配準(zhǔn)圖像,共計(jì)獲得2250張待配準(zhǔn)圖像.分別將每組基準(zhǔn)圖像和待配準(zhǔn)圖像輸入穩(wěn)像算法內(nèi),算得基準(zhǔn)圖像與每張待配準(zhǔn)圖像的位移量,并與手動(dòng)位移量計(jì)算誤差值,其中誤差值的平均值均為0,綜上,穩(wěn)像系統(tǒng)可以很好地完成手動(dòng)位移圖像的偏移糾正.

另外,對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)像算法精度進(jìn)行測(cè)試,分別對(duì)經(jīng)過(guò)(0.2,0.7)、(0.2,-0.3)、(-0.8,0.7)、(-0.8,-0.3)亞像素位移的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,與基準(zhǔn)圖像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后得到的位移量分別為(0,1)、(0,0)、(-1,1)、(-1,0),可以看出,系統(tǒng)使用的穩(wěn)像算法可以實(shí)現(xiàn)1像元內(nèi)的穩(wěn)像精度,達(dá)到預(yù)期目標(biāo).

3.2 實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)結(jié)果

在驗(yàn)證算法功能有效后,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建平臺(tái)測(cè)試實(shí)際觀測(cè)情況下的穩(wěn)定精度.對(duì)含有斑點(diǎn)的目標(biāo)進(jìn)行無(wú)干擾拍攝和有干擾拍攝,以無(wú)干擾拍攝數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)圖像,對(duì)比有干擾拍攝過(guò)程中獲取到的直接疊加結(jié)果和穩(wěn)像疊加結(jié)果,如圖7所示; 取其中一個(gè)目標(biāo)斑點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示; 取目標(biāo)斑點(diǎn)劃線,進(jìn)行灰度折線圖對(duì)比,如圖9所示,橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù),縱坐標(biāo)為采樣點(diǎn)的灰度值,采用DN(Digital Number)值進(jìn)行比較.

圖7 測(cè)試圖像: (a)基準(zhǔn)數(shù)據(jù),(b)直接疊加,(c)穩(wěn)像疊加.Fig.7 Testing image: (a) reference data,(b) directly accumulated,(c) correlation accumulated.

圖8 目標(biāo)斑點(diǎn): (a)基準(zhǔn)數(shù)據(jù),(b)直接疊加,(c)穩(wěn)像疊加.Fig.8 Target spot: (a) reference data,(b) directly accumulated,(c) correlation accumulated.

圖9 目標(biāo)斑點(diǎn)特征區(qū)域灰度折線圖Fig.9 The gray line chart of target spot feature area

按照半高全寬進(jìn)行評(píng)價(jià),取灰度值19000線作為閾值進(jìn)行比對(duì),其中基準(zhǔn)圖像的像素點(diǎn)位置范圍為[23.52,56.75]; 穩(wěn)像圖像的像素點(diǎn)位置范圍為[23.90,57.01]; 兩者邊界誤差為[0.38,0.26].綜合誤差結(jié)果可以看出,在實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中,對(duì)于有線性偏移的目標(biāo),系統(tǒng)可以完成1像元以內(nèi)的穩(wěn)定精度.

3.3 懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地實(shí)測(cè)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)果

同時(shí),系統(tǒng)在完成實(shí)驗(yàn)室測(cè)試后于國(guó)家天文臺(tái)懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地35 cm太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行了試觀測(cè),獲得提高了分辨率的磁場(chǎng)數(shù)據(jù).添加相關(guān)跟蹤算法得到的磁場(chǎng)圖像和直接疊加得到的磁場(chǎng)圖像如圖10所示.

圖10 太陽(yáng)局部磁場(chǎng): (a)直接疊加計(jì)算結(jié)果,(b)穩(wěn)像后疊加計(jì)算結(jié)果.Fig.10 The local magnetic field of Sun: (a) direct accumulated calculation results,(b) accumulated results after image correlation.

圖10 (b)經(jīng)過(guò)穩(wěn)像算法后獲取的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)比直接疊加得到的圖10 (a)精度更高.圖10中部分細(xì)節(jié)如圖11所示,其中橫線位置的灰度譜線如圖12所示,經(jīng)過(guò)對(duì)比,圖11 (b)的精度更高,穩(wěn)像處理后的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的曲線具有更多的細(xì)節(jié)變化,同時(shí),極值點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度(灰度值)更高.因此,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以有效地計(jì)算得到圖像位移量,實(shí)現(xiàn)圖像的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,獲得空間分辨率更高的太陽(yáng)磁場(chǎng)數(shù)據(jù).

圖11 太陽(yáng)局部磁場(chǎng)的目標(biāo)特征: (a)直接疊加計(jì)算結(jié)果,(b)穩(wěn)像后疊加計(jì)算結(jié)果.Fig.11 The target characteristics of solar local magnetic field: (a) direct accumulated calculation results,(b) accumulated results after image correlation.

圖12 磁場(chǎng)強(qiáng)度折線圖Fig.12 The line chart of magnetic field intensity

4 結(jié)論

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)穩(wěn)像觀測(cè)功能,對(duì)于幀頻為20 fps的1 K×1 K面陣相機(jī)完成實(shí)時(shí)穩(wěn)像和積分.實(shí)驗(yàn)室仿真和實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠有效地完成太陽(yáng)磁像儀自校正穩(wěn)像觀測(cè),達(dá)成1像元內(nèi)的穩(wěn)像精度,獲得了更高分辨率的太陽(yáng)磁場(chǎng)數(shù)據(jù).系統(tǒng)在脫離穩(wěn)像硬件設(shè)備(如擺鏡等)的前提下,依舊可以有效地獲取到高空間分辨率的太陽(yáng)磁場(chǎng)數(shù)據(jù),有效地減少空間載荷體積和重量,形成一套可用于小衛(wèi)星平臺(tái)上太陽(yáng)磁像儀在軌科學(xué)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng).該系統(tǒng)的成功研制不僅可以為深空太陽(yáng)磁像儀的研制提供輕量化、高可靠的精密穩(wěn)像觀測(cè)技術(shù)方案,也可以為地面太陽(yáng)磁像儀提供不依賴于操作系統(tǒng)的便捷觀測(cè)系統(tǒng).

致謝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程中得到了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地楊瀟、王丙祥、汪國(guó)萍、荊帥等老師和同學(xué)們的大力協(xié)助,在此深表感謝.