天文实时幸运成像技术研究

The atmospheric turbulence has always been a severe problem which limits the spatial resolution of ground-based telescopes. In order to obtain high spatial resolution images, in addition to the adaptive optics technology, commonly used methods are image reconstruction in spatial or frequency domain using series of short-exposure images after observation. Due to the huge amount of calculation, the reconstruction methods based on traditional CPU and programming cannot meet the requirements of real-time high-resolution imaging. Lucky imaging is an effective technique for high-resolution image reconstruction in the mode of post-processing in spatial domain, real-time is one of its developing trends. This project intends to study the relationship between the lucky imaging algorithm and its input/control parameters related to the observing field, and to develop an adaptive threshold method for dynamic image evaluation to select the lucky images, then to employ a super-resolution resample technique to register the star images. We focus on real-time applications of the lucky imaging algorithm and implementation techniques based on FPGA. In order to test and verify the new real-time imaging techniques, we will build an experimental real-time (or quasi-real-time) imaging system of dynamic image data exchange, temporary storage, high-speed processing, high-resolution lucky imaging, displaying and output. The system can be easily connected to the middle of a CCD camera and an image acquisition device, does not affect the observation of existing systems, while achieves high-resolution real-time imaging. The project can provide new high-resolution imaging techniques for future astronomical observations, and contribute to the progress of the real-time technology in the astronomical observation and space object monitoring from the ground.

大气湍流是限制地基天文光学望远镜空间分辨率的主要因素。为获得高分辨率的图像，除自适应光学技术外，通常对系列短曝光图像在观测后进行空域或频域重建。由于计算量巨大，基于传统CPU及其程序设计的重建方法，均不能满足高分辨率实时成像的要求。幸运成像是一种有效的事后处理方式的高分辨率空域图像重建技术，实时化是其发展方向之一。本项目拟在研究幸运成像算法与观测现场输入/控制参数的关系之后，采用动态像质评价的自适应阈值方法进行选图，用局部超分辨重构方法进行星像配准，重点研究面向实时应用的幸运成像算法及其FPGA实现技术；研制一个动态图像数据交换、暂存、高速幸运成像处理和高分辨率图像显示输出的实时或准实时成像系统。该系统能方便地连接到CCD相机与图像采集设备之间，不影响现有系统的观测，同时实现高分辨率的实时成像。该项目可为天文高分辨率成像观测提供新的技术方法，促进地基天文观测、空间目标监测实时化技术的发展。

幸运成像是一种能够有效地去除大气干扰的高分辨率天文图像重建技术，通常用于暗弱天体的发现与天体测量，实时化是其发展方向之一。本项目自申请立项开始，项目组就进行了从大气湍流成像仿真、幸运成像算法分析与设计、基于FPGA的实时图像处理到天文观测的研究工作。经过四年持续紧张的研究，项目组掌握了天文幸运成像方法、软件和硬件设计与实现技术，以及可能的应用情况；提出了新的通用幸运成像算法（二种基于GPU的算法，一种组合算法）和三种新的基于FPGA的实时幸运成像算法；提出了两套不同的实时幸运成像系统设计和实现的技术方案，研制了两个基于FPGA的实时幸运成像系统，即基于以太网数据传输的实时幸运成像系统和基于USB2.0总线数据侦听的实时幸运成像系统。通过仿真计算和实测图像分析，提出了2m级望远镜+EMCCD相机在短曝光条件下光学成像的仿真方法，设计了仿真程序；通过仿真双星，获得了不同大气条件下不同幸运成像算法对近密双星幸运成像的探测能力的数据曲线。研究结果可以促进天文高分辨率成像技术的发展。.在项目研究过程中，研发了一些用于实时幸运成像的方法和技术，例如，在FPGA上检测天文图像中宇宙射线的方法，无需排序的选图方法，二次选图方法，动态选图与存储控制方法，结合DDR3读写控制的并行图像叠加方法，FPGA板上可现场手动调节的多阈值图像显示方案，频域幸运成像的分组算法等。另外，还研发了与本项目相关的一些通用的方法和技术，例如，USB总线数据侦听的方法及其实现的技术，不同接口的高速相机的图像采集技术，运动目标的FPGA实时检测跟踪技术，彩色图像序列的幸运区域融合方法，基于LSWT-NSST的红外与可见光图像融合算法等。研究结果对相关领域的专业技术人员具有一定的参考价值。.通过本项目的研究，取得了一批成果：发表或录用论文11篇；受权专利8件，登记软件著作权3项；培养研究生11人(已毕业)，在读研究生7人。