基于GPU技术的实时全日面磁场深积分观测系统

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高分辨率太阳磁场观测是太阳物理学家不懈追求的目标,采用现代图像处理技术与方法处理后期数据可以更充分发挥现有望远镜的工作潜力。对于地基望远镜而言,望远镜的分辨率由地球大气扰动的相干尺度决定。而太阳磁场需要长时间积分观测,更会受到风,望远镜跟踪误差等影响因素干扰,从而导致分辨率大大低于理想相干尺度下的观测结果。而全日面磁场的观测一般采用多幅全日面像深积分降低磁图噪音,提升信噪比,从而获得较高质量的全日面磁图。因此由于图像的深积分原因,计算机需要对每幅全日面像进行位移互相关对齐。进行图像对齐互相关操作必然涉及互相关窗口的划定,但是由于全日面像的图像梯度特征在有无黑子两种情况下存在较大不同,因此我们采用了不同的互相关窗口的划定策略进行全日面像的图像互相关对齐。另外为了满足观测人员对于软件的实时需求,本文采用了GPU技术设计并实现了全日面太阳磁场实时观测系统,本系统主要实现了对于相机获取到的图像进行实时的位移积分计算。具体工作主要分为如下两点:第一,通过图像处理技术对获得的初始数据降噪,利用图像梯度图判断黑子存在及位置进行不同的互相关策略:全局互相关或局部互相关。并对互相关结果利用三次样条插值进行亚像元求解提升实验精度,最后根据全日面磁场的计算公式计算磁场数据。第二,通过CUDA(Compute Unified Device Architecture)框架利用GPU并行计算改进并实现上述算法,大大提升了算法效率,满足了当前的实时要求。本文以中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地为研究应用背景。主要成果包括:一,设计并实现了全日面磁场数据的互相关对齐算法,图像质量评价的结果说明了本算法的有效性;二,利用GPU并行加速技术实现上述互相关对齐算法,实现了系统的实时性要求。目前工作成果正在中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地进行试观测。
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