CN115855448A - 一种基于针孔阵列光阑及最小二乘法的太阳望远镜多通道视场定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于针孔阵列光阑及最小二乘法的太阳望远镜多通道视场定标方法，包括设置一个二维针孔阵列光阑，以TiO通道为标准确定二维针孔阵的孔径大小、孔间间距以及加工精度；将成像系统在经过高精度装调后，使其探测器靶面的法线与光路严格重合，各通道视场之间仅存在二维平面上的几何变换关系；根据成像系统多通道实际光路的实测分析得到整个视场的畸变；用图像之间的旋转、放缩以及平移的仿射变换来描述各通道视场的不匹配性；本发明解决新真空望远镜多波段高分辨率成像系统各通道太阳图像视场之间的匹配问题，实现各波段图像高精度的视场匹配，提出了一套基于针孔阵列光阑及最小二乘估计的定标方法。
Description
技术领域
本发明涉及太阳望远镜多通道视场定标系统，具体是指一种基于针孔阵列光阑及最小二乘法的太阳望远镜多通道视场定标方法。
背景技术
新真空太阳望远镜作为我国新一代地面高分辨率太阳观测设备。它的多通道成像系统提供了对太阳大气从光球层到色球层的高空间分辨率和高时间分辨率的的成像观测，其空间分辨率可以达到0.1～0.3arcsec。
Berkebile-Stoiser等在对太阳微耀斑的精细结构进行多波段分析时，以太阳黑子为特征用互相关算法对不同仪器的图像进行视场匹配；Yurchyshyn等研究太阳小尺度磁浮现的色球特征时，认为在Hα波段和CaII H波段观测的亮结构是具有空间对应性的磁亮点，从而以磁亮点为参考将美国大熊湖1.6m太阳望远镜的Hα色球像与日本空间望远镜Hinode的CaIIH色球像进行视场匹配；Almeida等通过寻找相似结构并利用互相关算法或试错法对不同的图像进行匹配以解决不同仪器设备所观测到的光球像、紫外像以及磁图等之间的视场匹配问题。但上述方法通常是在一定的物理模型假设下，以不同波段图像中的相似结构为特征进行视场匹配，这样得到的匹配精较低(1″～2″),而且完全依赖图像的特征。此外，常用的互相关算法也只能解决图像之间的平移差异，并不能精确地处理由于空间分辨率(即尺度因子)差异或旋转差异造成的图像视场不匹配。
太阳多波段成像观测作为实测太阳物理的重要手段，其观测图像可能来自于不同仪器或同一仪器的不同观测系统。为了综合运用多波段成像数据对太阳大气活动现象进行分析与研究，图像之间的视场匹配是一个必须解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于针孔阵列光阑及最小二乘法的太阳望远镜多通道视场定标方法，包括以下步骤：
S1、在新真空望远镜多波段成像系统的望远镜焦平面处设置一个二维针孔阵列光阑，以TiO通道为标准确定二维针孔阵的孔径大小、孔间间距以及加工精度：
根据TiO通道相对于焦平面的垂轴放大率R(R≈0.58)以及探测器像元大小S(S＝6.5μm)计算可得针孔孔径大小φ＝0.1mm；
为使针孔光阑加工误差不影响后计算及控制误差的前提下，针孔光阑的实际加工精度为0.01mm，孔间距设计为3mm；为了能明显定位标记针孔像的位置而又不对其他针孔像产生干扰，所设计的标记针孔点偏离阵列0.8mm；最终针孔阵列光阑设计为11×11点阵的矩形阵列，孔间距为(3±0.01)mm，针孔大小为(0.1±0.01)mm，可以覆盖整个视场；
S2、将新真空望远镜多波段成像系统在经过高精度装调后，使其探测器靶面的法线与光路严格重合，各通道视场之间仅存在二维平面上的几何变换关系；
S3、根据新真空望远镜多波段成像系统多通道实际光路的ZEMAX仿真分析得到整个视场的畸变小于0.157％，不考虑大视场的视场高阶畸变；
S4、用图像之间的旋转、放缩以及平移的仿射变换来描述各通道视场的不匹配性，称之为RST变换；用旋转因子θ、尺度因子m、以及平移因子tx和ty，4个参数来表示这种变换关系，即四参数模型；如果有足够多的高精度特征点，就可以利用图像点匹配原理应通过最小二乘估计求解变换参数，并对参数误差作出估计；
S5、设r(xr,yr)为参考通道中的特征点，p(xp,yp)为变换通道与参考通道对应的特征点，两点之间的匹配变换可以表示为：
r(xr,yr)＝p[tx+m(xrcosθ-yrsinθ),ty+m(xrsinθ+yrcosθ)] (1)
将(1)式对应线性方程的矩阵表达式为：
一般的，(2)式可表示为:
式中δx和δy分别表示仿射变换残余误差，a、b、c和d为矩阵四参数；
矩阵四参数与RST变换四参数的关系为：
若有N个对应特征点，对(3)式进行扩充可得:
式中(xr1,yr1),(xr2,yr2)…(xrN,yrN)分别为N个对应特征点；
根据(5)式，运用最小二乘法求解矩阵四参数a、b、c和d，在由(4)式得到仿射变换四参数θ、m、tx和ty，并对参数误差作出估计。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明解决新真空望远镜多波段高分辨率成像系统各通道太阳图像视场之间的匹配问题，实现各波段图像高精度的视场匹配，提出了一套基于针孔阵列光阑及最小二乘估计的定标方法。
附图说明
图1(a)是本发明Hα通道获得的针孔阵列像的灰度反像图。
图1(b)TiO通道获得的针孔阵列像的灰度反像图。
图2是本发明Hα通道针孔阵列像经过四参数RST变换视场定标后的残余误差分布图。
图3是本发明消旋过程中RST变换四参数的变化情况图，(a)旋转因子，(b)尺度因子，(c)x轴平移因子，(d)y轴平移因子。
图4(a)是本发明经过RST变换后的Hα线心色球像。
图4(b)是本发明与图4(a)对应的TiO同步帧图像。
图4(c)是本发明经过RST变换之后的Hα远线翼光球像。
图4(d)是本发明与图4(c)对应的TiO同步帧图像。
图5是本发明经RST变换之后Hα远线翼光球像与对应TiO同步帧图像之间的局部相关偏移量矢量分布图。
图6是本发明NVST多波段高分辨率成像观测系统光路示意图。
图7是本发明针孔阵列光阑的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：
结合附图1-7，一种基于针孔阵列光阑及最小二乘法的太阳望远镜多通道视场定标方法，包括以下步骤：
S1、在新真空望远镜多波段成像系统的望远镜焦平面处设置一个二维针孔阵列光阑，以TiO通道为标准确定二维针孔阵的孔径大小、孔间间距以及加工精度：
根据TiO通道相对于焦平面的垂轴放大率R(R≈0.58)以及探测器像元大小S(S＝6.5μm)计算可得针孔孔径大小φ＝0.1mm；
为使针孔光阑加工误差不影响后计算及控制误差的前提下，针孔光阑的实际加工精度为0.01mm，孔间距设计为3mm；为了能明显定位标记针孔像的位置而又不对其他针孔像产生干扰，所设计的标记针孔点偏离阵列0.8mm；最终针孔阵列光阑设计为11×11点阵的矩形阵列，孔间距为(3±0.01)mm，针孔大小为(0.1±0.01)mm，可以覆盖整个视场；
S2、将新真空望远镜多波段成像系统在经过高精度装调后，使其探测器靶面的法线与光路严格重合，各通道视场之间仅存在二维平面上的几何变换关系；
S3、根据新真空望远镜多波段成像系统多通道实际光路的ZEMAX仿真分析得到整个视场的畸变小于0.157％，不考虑大视场的视场高阶畸变；
S4、用图像之间的旋转、放缩以及平移的仿射变换来描述各通道视场的不匹配性，称之为RST变换；用旋转因子θ、尺度因子m、以及平移因子tx和ty，4个参数来表示这种变换关系，即四参数模型；如果有足够多的高精度特征点，就可以利用图像点匹配原理应通过最小二乘估计求解变换参数，并对参数误差作出估计；
S5、设r(xr,yr)为参考通道中的特征点，p(xp,yp)为变换通道与参考通道对应的特征点，两点之间的匹配变换可以表示为：
r(xr,yr)＝p[tx+m(xrcosθ-yrsinθ),ty+m(xrsinθ+yrcosθ)] (1)
将(1)式对应线性方程的矩阵表达式为：
一般的，(2)式可表示为:
式中δx和δy分别表示仿射变换残余误差，a、b、c和d为矩阵四参数；
矩阵四参数与RST变换四参数的关系为：
若有N个对应特征点，对(3)式进行扩充可得:
式中(xr1,yr1),(xr2,yr2)…(xrN,yrN)分别为N个对应特征点；
根据(5)式，运用最小二乘法求解矩阵四参数a、b、c和d，在由(4)式得到仿射变换四参数θ、m、tx和ty，并对参数误差作出估计。
本实施例中应用的太阳望远镜多通道视场定标系统，包括新真空望远镜多波段成像系统以及可旋转式光学平台，新真空望远镜多波段成像系统设置于可旋转式光学平台上，新真空望远镜多波段成像系统包括望远镜、望远镜焦平面、场镜、准直镜、分束镜以及成像通道，来自望远镜的光在望远镜焦平面之后经由场镜、准直镜以及分束镜等分出进入5个独立的成像通道，成像通道包括TiO光球宽带通道、G-band光球宽带通道，Hα色球窄带通道、HeI色球窄带通道以及CaIIH色球窄带通道，成像通道内分别设置探测器，从成像通道出射的光分别成像在各通道中的探测器上。
一、具体实验
针对针孔光阑市场定标方法在Hα通道和TiO通道双通道中进行了实验与分析：
1、针孔阵列像的采集
TiO通道和Hα通道均使用英国Andor公司的ZylaCMOS相机，靶面包含2560×2160个像元，每个像元大小为6.5μm×6.5μm。为了消除像场旋转的影响，NVST采取了使光学平台与像场同步旋转的消旋方案来保持图像稳定。针孔像的采集包括：
(1)光学平台处于静止状态下观测一组针孔阵列像(约5min)，用于计算特定位置处的视场匹配四参数；
(2)旋转光学平台模拟消旋过程，在光学平台处于旋转状态下观测一组针孔阵列像(约7min)，研究消旋过程中匹配参数是否发生变化以及变化的大小，以确定一天之内视场定标的次数，保证通道间太阳图像的匹配精度。
2、太阳图像的采集
为了克服地球大气特性的不断变化以及望远镜镜体晃动的影响，采用同步观测模式采集太阳图像，即通过探测器外触发工作模式实现两通道图像的同步采集，以保证两通道具有相同的曝光时间。
选取日面中心附近附近的一个小活动区作为观测目标，分别进行Hα线色球像(656.28nm)与TiO像的同步观测(2016-10-0603:46:52-03:52:03UT)；Hα远线翼光球像(656.28～656.30nm)与TiO像的同步观测(2016-10-0603:53:00-03:58:45UT)。
从图1可看出Hα通道的视场内包含了9×9阵列的针孔像,而TiO通道的视场只包含8×8阵列的针孔像，直观地说明了两个通道的视场放大率存在明显的差异。
3、双通道RST变换四参数计算及误差分析
为进一步降低随机噪声的影响，对得到的450组针孔阵列像进行了叠加平均，得到一组平均针孔阵列像；从图1可以看出，实验中的实际有效针孔数目为64，故可以得到64个有效控制点。由64个有效控制点计算得到Hα通道相对于TiO通道的RST变换四参数值以及相应的标准差分别为：
对Hα通道针孔阵列像作RST变换，比较变换后各针孔质心位置与相对应的TiO通道针孔质心位置，计算之间的残余误差。
图2Hα通道针孔阵列像经过四参数RST变换视场定标后的残余误差分布
从图2可以看出，质心位置残差在整个视场中的分布不均匀，残差畸变分布，残差的标准差为0.59pixel，对应太阳表面0.031″，最大残差可达1.46pixel，对应太阳表面0.076″，但依然满足匹配误差精度要求。
为了考察光学平台处于不同位置时视场定标参数的变化情况,在光学平台转动的同时连续采集针孔阵列像，计算得到一系列RST变换四参数，由此反映出匹配四参数在整个消旋过程中的变化情况。在光学平台消旋过程中(从东限位0°到西限位约190°)连续采集针孔阵列像，其四参数变化情况如图3所示，四参数变化的标准差和均值如表1所示。
表1四参数变化的均值与标准差
通过拟合结果得到在消旋过程中，四参数变化造成的视场匹配差异不超过0.05″，可以忽略平台转动对四参数的影响选取某一固定位置计算匹配参数,并以此对全天的观测数据进行视场定标。
4、双通道太阳图像匹配结果
用所得的四参数对Hα线心色球图像和Hα远线翼光球图像进行RST变换，分析他们与各自对应的同步TiO像的匹配效果；为了定量验证针孔光阑视场定标对双通道实测太阳图像的视场匹配精度，将图4(c)(d)两帧同步数据进行局部相关位移计算，用相关偏移量反映视场定标匹配对实测太阳图像的匹配精度。
图5是局部相关偏移量的矢量图，所有相关偏移量在x方向和y方向上的平均值分别为0.346pixel和0.470pixel，并且从图5可以看出局部相关偏移量的分布是不均匀的；经过对240组同步数据进行局部相关位移量计算，得出每组局部相关偏移量的平均值分布在0.3～0.5pixel之间，精度小于0.03″，局部最大偏移量在1～2pixel之间，精度小于0.1″。
5、结论
通过实验及分析，可以得出：
(1)在有64个有效控制点的情况下，视场匹配精度可达0.031″。
(2)双通道经视场定标后存在残余的视场匹配畸变，匹配残差的标准差为0.031″，在视场边缘最大可达0.076″，但仍在匹配精度要求的范围内。
(3)光学平台在消旋过程中处于不同位置时计算得到的视场匹配参数的最大差值不超过0.05″，可以不考虑不同位置处匹配参数的差异，可以用光学平台处于某一固定位置处的匹配参数对全天的观测数据进行视场定标匹配。
(4)以对太阳Hα远线翼光球像与同步观测TiO像的匹配为准，用局部相关偏移量验证视场定标在实测数据上的效果，同样得到偏移量的平均值在0.03″以下，局部区域会有0.1″的偏移。
使用针孔光阑市场定标方法对TiO通道和Hα通道进行视场定标,实现了两通道图像之间0.1″精度的视场匹配。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于针孔阵列光阑及最小二乘法的太阳望远镜多通道视场定标方法，应用于新真空望远镜多波段成像系统上，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在新真空望远镜多波段成像系统的望远镜焦平面处设置一个二维针孔阵列光阑，以TiO通道为标准确定二维针孔阵的孔径大小、孔间间距以及加工精度；
S2、将新真空望远镜多波段成像系统在经过高精度装调后，使其探测器靶面的法线与光路严格重合，各通道视场之间仅存在二维平面上的几何变换关系；
S3、根据新真空望远镜多波段成像系统多通道实际光路的ZEMAX仿真分析得到整个视场的畸变小于0.157％，不考虑大视场的视场高阶畸变；
S4、用图像之间的旋转、放缩以及平移的仿射变换来描述各通道视场的不匹配性，称之为RST变换；用旋转因子θ、尺度因子m、以及平移因子tx和ty，4个参数来表示这种变换关系，即四参数模型；如果有足够多的高精度特征点，就可以利用图像点匹配原理应通过最小二乘估计求解变换参数，并对参数误差作出估计；
S5、设r(xr,yr)为参考通道中的特征点，p(xp,yp)为变换通道与参考通道对应的特征点，两点之间的匹配变换可以表示为：
r(xr,yr)＝p[tx+m(xrcosθ-yrsinθ),ty+m(xrsinθ+yrcosθ)] (1)
将(1)式对应线性方程的矩阵表达式为：
一般的，(2)式可表示为:
式中δx和δy分别表示仿射变换残余误差，a、b、c和d为矩阵四参数；
矩阵四参数与RST变换四参数的关系为：
若有N个对应特征点，对(3)式进行扩充可得:
式中(xr1,yr1),(xr2,yr2)…(xrN,yrN)分别为N个对应特征点；
根据(5)式，运用最小二乘法求解矩阵四参数a、b、c和d，在由(4)式得到仿射变换四参数θ、m、tx和ty，并对参数误差作出估计。
2.根据权利要求1所述的一种基于针孔阵列光阑及最小二乘法的太阳望远镜多通道视场定标方法，其特征在于，步骤S1中确定二维针孔阵的孔径大小、孔间间距以及加工精度，具体为：
根据TiO通道相对于焦平面的垂轴放大率R(R≈0.58)以及探测器像元大小S(S＝6.5μm)计算可得针孔孔径大小
为使针孔光阑加工误差不影响后计算及控制误差的前提下，针孔光阑的实际加工精度为0.01mm，孔间距设计为3mm；为了能明显定位标记针孔像的位置而又不对其他针孔像产生干扰，所设计的标记针孔点偏离阵列0.8mm；最终针孔阵列光阑设计为11×11点阵的矩形阵列，孔间距为(3±0.01)mm，针孔大小为(0.1±0.01)mm，可以覆盖整个视场。
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