太阳极紫外图像局部场中的位移测量方法研究

发布时间：2020-11-09 03:33

　　 在空间环境观测中,对太阳物理学的研究一直是众多学者研究的焦点,尤其是近年来对太阳极紫外波段活动的探索更是成为了学者们新的研究方向,这对人类的未来有着非常重要的意义,但在观测过程中由于空间天气扰动、航天器的轨道姿态变化以及活动部件的转动等都会引起仪器所观测到的图像发生位移,导致图像模糊,影响太阳望远镜的高精度成像,进而影响对太阳细微结构的准确辨识分析,因此,检测图像发生的位移量,补偿其造成的误差,以获得高空间分辨率、高精度的太阳极紫外图像是非常必要的。目前,国际上通常采用增加额外设备的方式来检测该位移量,这使得结构设计复杂且可靠性降低。随着图像处理技术的飞速发展,采用太阳极紫外图像序列来检测该位移量成为了现实,该方法既能节省资源,又能增加测量的可靠度,结构紧凑误差小。因此,本文围绕提高位移检测效率和精度等测量方法的关键技术进行了深入研究,对于太阳极紫外波段图像局部场的位移测量研究有助于天文学家更加准确地认识极紫外波段太阳局部的运动情况,更加清晰地观测到太阳极紫外波段的细节构造。首先,在整像素位移搜索方法中,传统全局搜索方法需要在整个图像中进行逐点搜索,搜索效率非常低。而普通的四步搜索方法存在搜索过程中陷入局部最优的可能性,通过优化搜索过程中的搜索步长和最终的判决方式,本文提出的改进四步搜索方法大幅度降低了该问题发生的可能性,同时,现有的整像素搜索方法将子集图像中所有点都进行相关计算,从而得到相关运算的峰值,这导致计算时间明显增长。为此,本文提出了采用表征图像特征的两个低阶不变矩来进行相关计算,以解决采用图像子集中所有点都参与相关运算所导致的效率低的问题。通过实验对比表明,在保证整像素搜索精度的基础上,本文方法的整像素搜索时间在毫秒数量级,比全局搜索方法需要的时间提升了两个数量级,与采用七个不变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个数量级。其次,在研究高精度亚像素位移测量过程中,分析了极紫外成像仪在拍摄太阳极紫外图像过程中存在的诸多影响位移测量的因素,如:太阳日冕层大气演化、轨道平台的进动以及成像仪器的非均匀性等,依据极紫外波段太阳日面的变化特点,提出了基于一阶形函数的三次非线性迭代模型来计算太阳极紫外图像的亚像素位移量,并且对模型的求解过程进行了详细的理论推导,得出迭代解的具体表达式。通过实验表明,本算法的亚像素位移测量精度为百分之像素,同时,进行了仿真对比实验,结果表明,采用一阶形函数获得图像位移测量精度比采用零阶形函数得到精度高出大约一个数量级,本算法较采用曲面拟合算法、线性迭代算法和二次非线性迭代算法对太阳极紫外图像亚像素位移测量精度分别提高了一个数量级、1.5倍和1.2倍,充分验证了本算法具有较高的亚像素位移测量精度。再次,通过对太阳极紫外图像位移测量精度影响因素的深入研究,在一阶形函数的非线性迭代模型的基础上,推导出位移测量误差的具体解析表达式,该式表明位移测量精度与图像子集的平均灰度、平均梯度及子集尺寸有密切关系。提出了适合评价太阳极紫外图像位移测量精度的参数,即平均子集灰度和梯度参数CCMSIG(Comprehensive Consideration of Mean Subset Intensity and Gradients),采用该值越小的太阳极紫外图像子集区域计算所得到的位移测量精度越高;通过对图像子集CCMSIG值与图像子集尺寸关系的分析,提出了一种基于图像子集CCMSIG值的图像子集尺寸优化选择方法,采用该方法在保证位移测量精度的同时,减小了相关运算的平均图像子集尺寸,使得计算效率得到了提升。最后,对太阳极紫外图像不同区域的分布形式进行了详细分析研究,刻划了实验样片来模拟太阳极紫图像的分布情况,搭建了整个位移测量光电实验系统并进行了实验。结果表明,采用该测量系统所得到位移测量精度与采用太阳极紫外图像仿真实验所得到的亚像素位移测量精度相一致;同时,在实验过程中,采用四象限探测器测量相应位移,作为对比验证实验,结果表明,采用实验样片子区1得到的位移与四象限探测测量的位移基本吻合,从而验证了采用本位移测量光电系统来模拟测量太阳极紫外图像位移的可行性。本文所提出的方法可以应用到太阳极紫外图像局部场的位移测量中,具有重要应用价值。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P182.2
【部分图文】：

2004年底,Solar X-ray Imager于安装在GOES-N太阳帆板上[90-93],如图1.2所示,该成像仪具有10角秒的空间分辨率(5角秒/像素)[94,95],观测波段在1nm到6nm的波长范围内,以一分钟的周期获取全太阳图像[96-98],Solar X-ray Imager通过将Adcole公司制造的高精度太阳传感器HASS(High Accuracy Sun Sensor)安装在俯仰轴和偏航轴上[99-101],利用该太阳传感器来检测太阳运动位移量,以补偿航天器的运动,HASS每16ms(62.6 Hz)输出一次数字测量,具有1.67亚角秒分辨率。2. 日本日之出太阳望远镜Solar-B(Hinode)

2006年9月22日21时36分,日本航空航天局科学研究所成功发射了日之出Solar-B卫星,该卫星搭乘JAXA系列M-V火箭发射升空[102-105],它的目标是了解太阳磁场能量如何从光球层转移到上层大气,继而导致爆炸性的能量释放的物理机制。星上有三种仪器:太阳光学望远镜SOT(Solar Optical Telescope)、EUV成像望远镜EIS(EUV Imaging Spectrometer)和X射线望远镜XRT(X-Ray Telescope),如图1.3所示,其中,SOT的主要目标是利用望远镜的衍射极限分辨率(0.2-0.3角秒)获得太阳表面的高分辨率磁场图像。为了精确测量太阳磁场的性质,焦平面CCD相机上的图像需要SOT指向稳定度达到亚像素0.09角秒大小,但由于外部扰动、机载望远镜中的动量轮、陀螺仪及滤波轮等运动部件的影响,航天器的指向总是以少量角秒幅值在抖动和漂移,航天器姿态控制系统不能满足要求[106-108]。为了在低频范围内稳定SOT指向抖动,SOT设计了一个闭环图像稳定系统,图像稳定系统的目的是消除太阳图像在SOT焦平面上的运动,太阳光学望远镜主要通过对米粒组织图像进行位移量检测,SOT的图像稳定系统是首次成功应用于天基仪器的相关校正跟踪器,这是一种真正的闭环控制系统。而采用导行镜来判别太阳位移量的方式实质是一种开环控制系统,其意义是利用导行镜的误差信号来控制主望远镜的副镜的倾斜角度,SOT的图像稳定系统可以减少频率低于20赫兹的图像抖动,而高于20赫兹时的频率需要通过望远镜和航天器的结构设计来抑制。

相关跟踪器由高速CCD摄像机和相关的硬软件组成,用于生成指向误差信号,该高速相机是具有50×50像素曝光面积的帧传输CCD,每个像素对应0.22角秒,每秒产生580帧图像,如图1.4所示。该相关跟踪器获取可见波长(629-634nm)的太阳米粒组织图像,处理高速CCD摄像机所拍摄的实时图像帧,利用图像相关法确定实时图像与参考图像的偏差,生成指向误差信号。使用图1.5所示的13个移位置,计算出实时图像与参考图像的绝对差和,当达到最小值时,便计算出了整像素位移值,再对13个值进行二维多项式拟合,确定亚像素位移值,当位移在0.44角秒内时(图1.5中1-5点),指向误差信号与图像位移成正比,当位移在0.44-1.1角秒之间时(图1.5中6-13点),最小绝对差位于中心外,此时,只能计算出正确的图像位移方向,不能计算出真实的位移[109]。
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本文编号：2875820