空间太阳望远镜稳像系统中图像相关器的研究

论文摘要

空间太阳望远镜是我国自主研发的第一颗天文卫星。主要用于对太阳的全日制、多波段以及高分辨率观察。将有助于太阳小尺度磁场和活动区磁场精细结构的研究,并有望取得突破性进展,因此曾被国外媒体称为“雄心勃勃的大计划”。空间太阳望远镜的1m主光学系统具有0.1″的瑞利衍射极限分辨率。望远镜本身的卫星平台仅能提供±6″的指向精度和3″/s的姿态稳定度,由于卫星本身的震动以及太阳自转会造成积分时间内的成像模糊。在必需增加积分时间以提高CCD图像信噪比的情况下,需要利用相关跟踪器改正,实现对成像的运动补偿。本文对空间太阳望远镜相关跟踪器的目标图像特征进行了分析。考虑到太阳米粒组织的对比度比较低、形状不规则等特点,沿用了国内外一贯采用的相关算法实现图像偏移检测。相关算法在整像元偏移检测上具有很好的效果,辅助亚像元拟合可以得到更高的检测精度。本文通过对大量米粒图像进行仿真分析发现,引入修正参数后的曲面拟合算法可以进一步提高亚像元偏移检测精度。其中修正参数是利用统计学方法对其分布进行分析后,根据数学期望的估计值得到的。对于整个相关跟踪系统来说,相关计算十分费时。过去由于器件水平有限,太阳望远镜的相关跟踪系统难以实现快速计算,造成了系统具有明显时滞特征。而纯时滞系统的闭环特性与时延有反比关系,因此寻求快速相关实现方法成为类似系统所需解决的关键之一。快速相关器的设计可以利用简化相关算法实现,主要是减少乘法的次数,例如以减法相关算法取代乘法相关算法。但是,减法相关算法容易产生零漂。本文在总结前人的经验基础上,根据当今集成电路发展的水平,采用了高集成度的FPGA实现相关运算。利用并行算法将相关运算进行分解,并与FPGA的结构特点相结合,设计出并行相关计算单元。使之具有模块化、数控分流等特点。充分利用了硬件资源,达到缩短计算时间的目的。利用FPGA实现相关运算的数据结构为浮点格式。考虑到资源有限,在保证运算过程不发生溢出的情况下,采用18 bits的浮点运算。通过实际测试,相关矩阵的计算结果与双精度浮点的相比,相对误差在2‰～6‰之间。利用理论推导、仿真波形和示波器测试都可以验证,整个相关计算时间约为240us。满足空间太阳望远镜的需求。综上所述,拟合修正参数的引入改善了亚像元偏移检测精度,为高精度亚像元偏移检测提供了算法保证;利用并行算法和FPGA结构特点相结合的方法,极大缩短了相关运算的计算时间。实现了计算时间和计算精度指标的优化。本文的相关跟踪计算单元不但满足了相关跟踪器的指标需求,而且为其他类似实时高精度数据处理系统提供设计参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.1.1. SST介绍
• 1.1.2. 图像积分的需求
• 1.1.3. 姿态稳定系统
• 1.1.4. 相关跟踪器系统
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1. 国内外天文望远镜的图像稳定系统
• 1.2.2. 相关运算器发展概况
• 1.3 课题的主要内容
• 1.4 论文的章节安排
• 参考文献
• 第二章 相关跟踪图像稳定系统介绍
• 2.1 引言
• 2.2 相关跟踪器的科学目标
• 2.3 主光学望远镜与相关跟踪系统光路
• 2.4 图像偏差检测系统
• 2.4.1. 图像预处理
• 2.4.2. 相关运算
• 2.4.3. 曲面拟合
• 2.5 控制系统
• 2.5.1. 频率特性
• 2.5.2. 闭环系统传递函数与PID 控制器
• 2.6 小结
• 参考文献
• 第三章 图像亚像元偏移检测算法分析
• 3.1 引言
• 3.2 图像偏移检测算法概述
• 3.3 相关函数计算方法
• 3.4 亚像元拟合建模
• 3.4.1. 信号截断影响
• 3.4.2. 采样影响
• 3.4.3. 量化影响
• 3.4.4. 抛物线模型及其影响
• 3.5 拟合修正算法
• 3.5.1. 亚像元拟合建模
• 3.5.2. 修正参数计算
• 3.6 修正算法影响分析
• 3.6.1. 算法抗噪声能力分析
• 3.6.2. 修正参数对计算精度的改善
• 3.7 小结
• 参考文献
• 第四章 图像相关算法的前端设计
• 4.1 引言
• 4.2 相关算法的并行计算
• 4.2.1. 并行算法介绍
• 4.2.2. 相关算法分解
• 4.2.3. 二维傅立叶变换的MIMD 并行算法
• 4.2.4. 一维傅立叶变换的向量并行算法
• 4.2.5. 一维并行傅立叶变换的数据分配
• 4.3 FPGA介绍
• 4.4 FPGA模块化设计
• 4.4.1. 数据结构分析与设计
• 4.4.2. 基-2 蝶形单元设计
• 4.4.3. 双核处理器设计
• 4.4.4. 完全混合算子设计
• 4.4.5. 主存储器设计
• 4.4.6. 输入缓存设计
• 4.4.7. 输出缓存设计
• 4.4.8. 相关矩阵获取单元设计
• 4.4.9. 接口设计
• 4.4.10. 系统集成设计
• 4.5 数控分流设计
• 4.5.1. 控制流分析设计
• 4.5.2. 数据流分析设计
• 4.6 设计优化
• 4.6.1. 设计复杂度建模分析
• 4.6.2. 基于PN 算子的简化
• 4.7 小结
• 参考文献
• 第五章 图像相关算法的后端设计
• 5.1 引言
• 5.2 时钟规划
• 5.2.1. 全局时钟网络
• 5.2.2. 静态时序分析
• 5.3 仿真验证
• 5.3.1. 蝶形单元仿真
• 5.3.2. 控制单元仿真
• 5.4 功耗分析
• 5.5 物理实现
• 5.5.1. 网表综合
• 5.5.2. 布局布线
• 5.5.3. 下载配置
• 5.6 小结
• 参考文献
• 第六章 图像相关算法的实验验证
• 6.1 引言
• 6.2 实验平台介绍
• 6.2.1. 相关跟踪计算单元
• 6.2.2. 上位机测试系统
• 6.2.3. 相关跟踪计算单元工作流程
• 6.3 计算精度验证
• 6.3.1. 18-bit 量化的计算信噪比分析
• 6.3.2. 相关矩阵的计算误差分析
• 6.3.3. 图像位移偏差检测精度分析
• 6.4 计算时间验证
• 6.4.1. 相关计算时序分析
• 6.4.2. 相关计算时间的仿真测试
• 6.4.3. 相关计算时间的实验验证
• 6.5 小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 博士期间第一作者身份发表论文
• 致谢