用于天文观测的科学级相机成像和测试软件的研究

发布时间：2020-05-11 08:36

【摘要】：在现代天文观测领域,科学级相机已经成为现代光学望远镜必不可少的终端仪器。随着天文望远镜口径越来越大,相机的规模也越来越大,从小靶面单片CCD或CMOS芯片到大靶面拼接式的科学级相机,整个望远镜控制系统自动化程度越来越高,对相机成像控制的要求也越来越高。相机成像软件完成对相机成像配置和操控,需要具有良好的鲁棒性和可扩展的架构,并且能够支持远程控制。针对以上需求,本论文在实验室研发的多款CCD、CMOS相机的基础上设计并实现了一套相机成像软件,并很好的集成到望远镜控制系统以及科学级CCD控制器自动化测试系统中。论文首先介绍了天文成像系统的基本概念和望远镜控制系统的发展趋势,在结合国内外相机成像软件现状的基础上,分析了成像软件的需求。相机成像软件需要具备易用性、鲁棒性、兼容性、扩展性以及跨平台特性,支持远程控制以便被方便集成到天文望远镜控制系统以及科学级相机的自动化测试系统之中。相机成像软件进行了层次化设计以方便用户集成和使用,包括给用户二次开发使用的成像SDK和供用户直接使用的成像应用程序两部分,成像SDK提供了操作相机的基础功能的API,应用程序则基于SDK完成了面向用户操作的功能。在对科学级相机硬件进行介绍后,本论文分析并给出了成像SDK的功能要求。成像SDK与相机通过USB批量传输模式进行可靠通信,在协议层面设计了一套严格的功能指令格式来提供相机和上位机电脑的通信,完成指令的收发与图像数据的传输。为了能够兼容不同型号相机的功能差异,成像SDK采用面向对象的设计思想,将相机抽象为多个类,利用类之间的继承、多态特性,保证了相机成像软件的兼容性与扩展性。成像SDK采用CMake进行构建管理,实现了自动化文档发布与单元测试。通过对成像SDK进行充分的性能测试,可以证明其满足高性能、高可靠性的要求。相机成像软件的成像应用程序包括基于WPF的Windows应用程序和基于AreaDetector的Linux应用程序。本论文在Windows操作系统上实现了强大的图形界面,集成了图像处理的功能,能够对FITS图像进行分析处理。Linux应用程序提供了基于AreaDetector的远程控制功能,能很方便地集成进天文望远镜观测和控制系统。基于量子通信实验望远镜的导星系统的需求,本论文同时采用RTS2与AreaDetector相结合的方式实现此望远镜天文成像系统的导星控制,在观测现场的实际测试中有效补充望远镜的跟踪精度,证明了相机成像软件的可靠性。针对科学级相机CCD控制器自动化测试的需求,基于相机成像软件设计了CCD控制器自动化测试软件,在嵌入式系统上实现了基于Qt的CCD控制器自动化测试软件。测试软件包括三部分:Qt客户端、基于AreaDetector的相机成像软件以及CCD控制器测试SDK,其中Qt客户端用于绘制用户界面和控制测试流程。通过CCD控制器测试SDK与AreaDetector成像软件的配合,完成对CCD控制器的各部分功能及性能的自动化测试。本文的主要工作如下:1.设计了相机成像软件的构架,适配各种型号的科学级相机,具有良好的兼容性与扩展性;2.完成了针对相机成像SDK的性能测试,在传输速率测试、资源占用测试和稳定性测试中均有良好的表现;完成了 Windows系统下的相机成像软件,添加了 FITS图像的分析处理功能;3.完成了基于AreaDetector的相机成像软件,并结合RTS2设计实现了量子通信实验望远镜天文成像系统的导星系统,在现场的测试中性能满足科学观测的需求;4.设计了CCD控制器自动化测试软件的整体架构,在嵌入式系统上实现了CCD控制器自动化测试软件的测试SDK,基于Qt的测试客户端程序。
【图文】：

望远镜,伽利略

第１章引言是在场效应基础上发展起来的一种新型半导体光电器件【６］【７］【８］，２０世纪７后期，ＣＣＤ首次作为光学探测器被应用在天文观测上［９］。相比于光电倍增ＣＤ大幅度提升了探测效率，，同时大大提高了读出数字图像的速度。与ＣＣ多同时期出现的邋ＣＭＯＳ邋（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ邋Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）技以用于图像获取，其主要原理同样是半导体的光电效应［１Ｇ］。由于早期Ｃ术存在先天的缺陷，所以早期ＣＣＤ的成像质量普遍被认为优于ＣＭＯＳ。６月，索尼公司发布的背照式ＣＭＯＳ改进了技术上的不足，从此ＣＭＯＳ入到各种消费类电子产品如手机、数码相机。随着近年来ＣＭＯＳ技术的进，越来越多的ＣＭＯＳ相机也被用于天文观测。逡逑

探测器,像元

ＣＭＯＳ技术飞速发展，传统ＣＭＯＳ的缺陷得以改善。由于廉的制造价格以及更低的功耗，现在市面上大部分的民用级单反相机和无一例外采用ＣＭＯＳ作为探测器。而在科研领域，英国Ａｎｄｏｒ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ联合仙童半导体公司和ＰＣＯ邋Ｉｍａｇｉｎｇ公司于２００９年推出了新一代的科学Ｓ邋（ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃＣＭＯＳ，ｓＣＭＯＳ），它具有噪声低、巾贞频高、量子效率尚、动宽、分辨率高、视场大的优点［１３１。总体而言，ＣＭＯＳ技术正在迎头赶上，会在天文观测领域得到更加广泛的应用。逡逑邋ＣＣＤ逡逑ＣＣＤ的中文名称是电荷耦合元件。ＣＣＤ于１９６９年由美国ＡＴ＆Ｔ贝尔实Ｗｉｌｌａｒｄ邋Ｂｏｙｌｅ邋和邋Ｇｅｏｒｇｅ邋Ｅ．邋Ｓｍｉｔｈ邋发明丨６】。逡逑ＣＣＤ工作的基本原理在于每一个ＣＣＤ像元都有一个ＭＯＳ电容器，光照每个像元的光敏区产生电荷并累积。由于ＣＣＤ只有一个读出端口，因此用一系列驱动时钟串行地将每个像元的电荷在像元之间进行转移到输出最终将电荷转换为电压，进行放大和ＡＤ转换得到最终的完整图像。图１．
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP311.52;P111

【参考文献】