基于图像全站仪的天文大地垂线偏差测量及其精度分析

高精度天文大地垂线偏差在地球重力场模型精化、区域大地水准面模型验证等领域具有重要的应用。目前,数字天顶仪是最为常用的天文大地垂线测量仪器,但存在结构复杂、体积庞大、设备笨重、价格昂贵、运输不便等缺点。本文提出了一种利用图像全站仪实现高精度、全自动垂线偏差测量的方法。简要介绍了垂线偏差测量的基本原理和数据处理方法,并利用Leica公司生产的TS60图像全站仪,在河南郑州和陕西泾阳进行了为期1 a共计23个夜间的野外试验。结果表明,观测时间为12 min时,垂线偏差的内符合测量精度达到0.18″~0.23″;观测时间增加到96 min时,内符合精度提升至0.13″~0.19″,外符合精度优于0.2″。与数字天顶仪相比,图像全站仪兼具了测量精度和效率,甚至具备单人观测的条件,因此具有广阔的推广应用前景。

基于GAN的天文图像生成研究

生成对抗网络(GAN)被广泛应用于图像生成。生成恒星和星系图像对预测未知恒星和星系有着重要的意义。首次将GAN用于生成天文图像,给出了天文图像生成的GAN模型结构;设计了GAN训练的策略;为了提高GAN的稳定性,提出了改进的神经元抛弃方法,通过网格搜索法对模型中的部分高级参数进行了优化,并采用了韦氏距离对损失函数进行了改进。以斯隆数字巡天数据库(SDSS)中的恒星以及星系图像作为训练图像,采用改进方法和原始GAN分别生成了2种不同分辨率的恒星和星系图像,并进行了对比,验证了改进方法的有效性。

一种针对GAN生成的天文图像评价方法研究

为定量评价使用生成对抗网络生成的恒星和星系图像的质量,提出了感知损失函数与Mode score相结合的双样本评价方法。通过对几种常用的生成图像定量评价方法的优缺点的分析以及对感知损失函数进行的改进,得到了能够定量评价生成图像多样性和视觉质量的双样本评价模型。为了验证提出方法的有效性,分别采用Inception score,Kernal MMD,Wasse-rstein distance及双样本评价方法对生成的两种分辨率的恒星和星系图像进行评价,并将评价结果进行了对比分析。结果表明双样本评价方法能够全面且客观的评价生成的恒星和星系图像,对利用生成的天文图像预测未知的恒星和星系具有重要意义。

基于DCGAN的高分辨率天文图像生成研究

为生成分辨率大于等于256×256的恒星和星系图像,帮助预测未知的恒星和星系,采用了深度卷积对抗生成网络(DCGAN)以及改进的神经元抛弃方法。通过研究对抗生成网络(GAN)的结构,优化了图像生成模型和训练过程,得到了稳定的能够生成高分辨率的恒星和星系图像生成模型。为了验证上述方法的有效性,在实验中采用了斯隆数字巡天数据库(SDSS)中的图像作为训练图像,生成了256×256以及512×512两种高分辨率的恒星和星系图像,并将结果与采用GAN生成的结果进行了对比。实验结果证明上述算法有效可行,能够在保证模型稳定性的前提下,生成清晰度更高的高分辨率恒星和星系图像。

恒星干涉仪中的高速倾斜镜应用研究

在恒星干涉仪中,高速倾斜镜(Fast-steering mirror,FSM)因分辨率高、响应频率快等特点被广泛应用于校正大气湍流、仪器内部振动等引起的波前倾斜.一方面,针对倾斜镜本身在加工、装调中引入的镜面与触动器偏转轴不共面等误差进行系统分析,通过数值方法研究了上述因素在倾斜镜工作时产生的附加光程差(Optical Path Difference,OPD),并讨论了该光程差对恒星干涉仪条纹跟踪精度的影响;另一方面,两臂光束之间的平行度误差是造成干涉条纹可见度损失的主要因素之一,通过分析大气扰动引起的波前倾斜对条纹可见度的影响,提出了一种基于单一阵列探测器、简单高效的星光平行度实时校正方案,并结合室内实验论证了该方案的可行性.实验结果表明:经高速倾斜镜校正后的星光方向平行度初步满足了恒星干涉仪系统对波前倾斜的需求.

星图的稀疏表示性能

分析了星图在不同表示方法下的稀疏性能,以便将更好的稀疏表示应用于星敏感器压缩成像过程中。采用两种方式对星图的稀疏性进行了分析：第一种方法利用离散余弦变换（DCT）、离散傅里叶变换（DFT）和离散小波变换（DWT）构造完备正交基,考察星图在不同完备基下的稀疏性;第二种方法则是通过选择DCT完备基构造超完备字典及训练学习字典来分析星图在不同表示方法下的稀疏性。仿真结果表明,在完备基表示下,星图相比一般场景图像的平均峰值信噪比（PSNR）值高出15-20dB,超完备字典和学习字典稀疏表示能够在各稀疏度下进一步提升峰值信噪比（PSNR值）2-20dB;对于星点的重构质量,各表示方法在10%以上稀疏度时基本能够保证星点重构成功率高于95%。得到的结果证明星图的稀疏性满足压缩成像的要求,其稀疏重构能够在很大程度上保持适用于姿态确定的星点质心位置,从而验证了压缩感知在星敏感器应用中的稀疏前提及可行性。

压缩感知稀疏重构对星图的影响

稀疏重构是压缩感知理论的核心内容之一,为了将稀疏重构有效地应用于星敏感器的压缩成像过程中,从星图图像误差和星点特征误差两个方面分析稀疏重构对星图的影响。在图像误差方面,利用峰值信噪比评价指标考察星图在不同重构算法、不同压缩比下的重构质量;在特征误差方面,从理论上分析稀疏重构对星点特征的影响机理,提出星点特征重构误差的评价指标,考察星点的质心、亮度和数量特征的重构误差。结果表明,在所选算法各压缩比下,星图相比一般图像能够获得更高的重构质量,重构星点能够在很大程度上保持可用于姿态确定的特征信息,结论保证了利用重构星图进行姿态计算的正确性,进一步验证了压缩感知理论在星敏感器中应用的可行性,为实现星敏感器的压缩成像提供了现实依据。

一种对分离星点目标清晰成像的方法

提出了一种能克服大气湍流影响、对点目标清晰成像的方法,并将该方法成功应用到对分离星点组成的天文目标的模拟成像实验中.首先,在望远镜像面利用视场光阑选中单个星点目标,利用类Ptychography方法恢复出星点像场的频谱信息;其次,由于大气湍流的高斯随机特性,所选单星目标的频谱估计值可以通过叠加一系列在不同大气湍流下所恢复的频谱场而得到;然后,通过对单星目标的频谱估计做逆傅里叶变换得到该星点目标的清晰图像;最后,通过拼接每个单星目标的清晰成像得到分离星点组成的天文目标的清晰成像.模拟实验结果表明,该方法简单、高效、抗噪声能力强.

新知

书布望远镜完成镜面对齐北京时间2月11日,美国航天局(NASA)公布了詹姆斯·韦布太空望远镜(James Webb Space Telescope,缩写JWST)所拍摄的第一颗恒星图像:黑色的背景上,有18个模糊的白点,它们显示的都是大熊座当中一颗明亮、孤独的恒坫--HD 84406。同时公布的还有JWST的一张“自拍照”,由红外相机(NIRCam)内部的一个特殊镜头拍摄,帮助校准主镜。