發(fā)布時間：2020-11-09 03:33

　　 在空間環(huán)境觀測中,對太陽物理學的研究一直是眾多學者研究的焦點,尤其是近年來對太陽極紫外波段活動的探索更是成為了學者們新的研究方向,這對人類的未來有著非常重要的意義,但在觀測過程中由于空間天氣擾動、航天器的軌道姿態(tài)變化以及活動部件的轉(zhuǎn)動等都會引起儀器所觀測到的圖像發(fā)生位移,導致圖像模糊,影響太陽望遠鏡的高精度成像,進而影響對太陽細微結(jié)構(gòu)的準確辨識分析,因此,檢測圖像發(fā)生的位移量,補償其造成的誤差,以獲得高空間分辨率、高精度的太陽極紫外圖像是非常必要的。目前,國際上通常采用增加額外設備的方式來檢測該位移量,這使得結(jié)構(gòu)設計復雜且可靠性降低。隨著圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展,采用太陽極紫外圖像序列來檢測該位移量成為了現(xiàn)實,該方法既能節(jié)省資源,又能增加測量的可靠度,結(jié)構(gòu)緊湊誤差小。因此,本文圍繞提高位移檢測效率和精度等測量方法的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究,對于太陽極紫外波段圖像局部場的位移測量研究有助于天文學家更加準確地認識極紫外波段太陽局部的運動情況,更加清晰地觀測到太陽極紫外波段的細節(jié)構(gòu)造。首先,在整像素位移搜索方法中,傳統(tǒng)全局搜索方法需要在整個圖像中進行逐點搜索,搜索效率非常低。而普通的四步搜索方法存在搜索過程中陷入局部最優(yōu)的可能性,通過優(yōu)化搜索過程中的搜索步長和最終的判決方式,本文提出的改進四步搜索方法大幅度降低了該問題發(fā)生的可能性,同時,現(xiàn)有的整像素搜索方法將子集圖像中所有點都進行相關(guān)計算,從而得到相關(guān)運算的峰值,這導致計算時間明顯增長。為此,本文提出了采用表征圖像特征的兩個低階不變矩來進行相關(guān)計算,以解決采用圖像子集中所有點都參與相關(guān)運算所導致的效率低的問題。通過實驗對比表明,在保證整像素搜索精度的基礎上,本文方法的整像素搜索時間在毫秒數(shù)量級,比全局搜索方法需要的時間提升了兩個數(shù)量級,與采用七個不變矩的整像素位移搜索方法相比,本方法的搜索效率提升了一個數(shù)量級。其次,在研究高精度亞像素位移測量過程中,分析了極紫外成像儀在拍攝太陽極紫外圖像過程中存在的諸多影響位移測量的因素,如:太陽日冕層大氣演化、軌道平臺的進動以及成像儀器的非均勻性等,依據(jù)極紫外波段太陽日面的變化特點,提出了基于一階形函數(shù)的三次非線性迭代模型來計算太陽極紫外圖像的亞像素位移量,并且對模型的求解過程進行了詳細的理論推導,得出迭代解的具體表達式。通過實驗表明,本算法的亞像素位移測量精度為百分之像素,同時,進行了仿真對比實驗,結(jié)果表明,采用一階形函數(shù)獲得圖像位移測量精度比采用零階形函數(shù)得到精度高出大約一個數(shù)量級,本算法較采用曲面擬合算法、線性迭代算法和二次非線性迭代算法對太陽極紫外圖像亞像素位移測量精度分別提高了一個數(shù)量級、1.5倍和1.2倍,充分驗證了本算法具有較高的亞像素位移測量精度。再次,通過對太陽極紫外圖像位移測量精度影響因素的深入研究,在一階形函數(shù)的非線性迭代模型的基礎上,推導出位移測量誤差的具體解析表達式,該式表明位移測量精度與圖像子集的平均灰度、平均梯度及子集尺寸有密切關(guān)系。提出了適合評價太陽極紫外圖像位移測量精度的參數(shù),即平均子集灰度和梯度參數(shù)CCMSIG(Comprehensive Consideration of Mean Subset Intensity and Gradients),采用該值越小的太陽極紫外圖像子集區(qū)域計算所得到的位移測量精度越高;通過對圖像子集CCMSIG值與圖像子集尺寸關(guān)系的分析,提出了一種基于圖像子集CCMSIG值的圖像子集尺寸優(yōu)化選擇方法,采用該方法在保證位移測量精度的同時,減小了相關(guān)運算的平均圖像子集尺寸,使得計算效率得到了提升。最后,對太陽極紫外圖像不同區(qū)域的分布形式進行了詳細分析研究,刻劃了實驗樣片來模擬太陽極紫圖像的分布情況,搭建了整個位移測量光電實驗系統(tǒng)并進行了實驗。結(jié)果表明,采用該測量系統(tǒng)所得到位移測量精度與采用太陽極紫外圖像仿真實驗所得到的亞像素位移測量精度相一致;同時,在實驗過程中,采用四象限探測器測量相應位移,作為對比驗證實驗,結(jié)果表明,采用實驗樣片子區(qū)1得到的位移與四象限探測測量的位移基本吻合,從而驗證了采用本位移測量光電系統(tǒng)來模擬測量太陽極紫外圖像位移的可行性。本文所提出的方法可以應用到太陽極紫外圖像局部場的位移測量中,具有重要應用價值。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：P182.2
【部分圖文】：

2004年底,Solar X-ray Imager于安裝在GOES-N太陽帆板上[90-93],如圖1.2所示,該成像儀具有10角秒的空間分辨率(5角秒/像素)[94,95],觀測波段在1nm到6nm的波長范圍內(nèi),以一分鐘的周期獲取全太陽圖像[96-98],Solar X-ray Imager通過將Adcole公司制造的高精度太陽傳感器HASS(High Accuracy Sun Sensor)安裝在俯仰軸和偏航軸上[99-101],利用該太陽傳感器來檢測太陽運動位移量,以補償航天器的運動,HASS每16ms(62.6 Hz)輸出一次數(shù)字測量,具有1.67亞角秒分辨率。2. 日本日之出太陽望遠鏡Solar-B(Hinode)

2006年9月22日21時36分,日本航空航天局科學研究所成功發(fā)射了日之出Solar-B衛(wèi)星,該衛(wèi)星搭乘JAXA系列M-V火箭發(fā)射升空[102-105],它的目標是了解太陽磁場能量如何從光球?qū)愚D(zhuǎn)移到上層大氣,繼而導致爆炸性的能量釋放的物理機制。星上有三種儀器:太陽光學望遠鏡SOT(Solar Optical Telescope)、EUV成像望遠鏡EIS(EUV Imaging Spectrometer)和X射線望遠鏡XRT(X-Ray Telescope),如圖1.3所示,其中,SOT的主要目標是利用望遠鏡的衍射極限分辨率(0.2-0.3角秒)獲得太陽表面的高分辨率磁場圖像。為了精確測量太陽磁場的性質(zhì),焦平面CCD相機上的圖像需要SOT指向穩(wěn)定度達到亞像素0.09角秒大小,但由于外部擾動、機載望遠鏡中的動量輪、陀螺儀及濾波輪等運動部件的影響,航天器的指向總是以少量角秒幅值在抖動和漂移,航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)不能滿足要求[106-108]。為了在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定SOT指向抖動,SOT設計了一個閉環(huán)圖像穩(wěn)定系統(tǒng),圖像穩(wěn)定系統(tǒng)的目的是消除太陽圖像在SOT焦平面上的運動,太陽光學望遠鏡主要通過對米粒組織圖像進行位移量檢測,SOT的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)是首次成功應用于天基儀器的相關(guān)校正跟蹤器,這是一種真正的閉環(huán)控制系統(tǒng)。而采用導行鏡來判別太陽位移量的方式實質(zhì)是一種開環(huán)控制系統(tǒng),其意義是利用導行鏡的誤差信號來控制主望遠鏡的副鏡的傾斜角度,SOT的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)可以減少頻率低于20赫茲的圖像抖動,而高于20赫茲時的頻率需要通過望遠鏡和航天器的結(jié)構(gòu)設計來抑制。

相關(guān)跟蹤器由高速CCD攝像機和相關(guān)的硬軟件組成,用于生成指向誤差信號,該高速相機是具有50×50像素曝光面積的幀傳輸CCD,每個像素對應0.22角秒,每秒產(chǎn)生580幀圖像,如圖1.4所示。該相關(guān)跟蹤器獲取可見波長(629-634nm)的太陽米粒組織圖像,處理高速CCD攝像機所拍攝的實時圖像幀,利用圖像相關(guān)法確定實時圖像與參考圖像的偏差,生成指向誤差信號。使用圖1.5所示的13個移位置,計算出實時圖像與參考圖像的絕對差和,當達到最小值時,便計算出了整像素位移值,再對13個值進行二維多項式擬合,確定亞像素位移值,當位移在0.44角秒內(nèi)時(圖1.5中1-5點),指向誤差信號與圖像位移成正比,當位移在0.44-1.1角秒之間時(圖1.5中6-13點),最小絕對差位于中心外,此時,只能計算出正確的圖像位移方向,不能計算出真實的位移[109]。
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本文編號：2875820