用于天文观测的科学级相机成像和测试软件的研究

论文摘要

在现代天文观测领域,科学级相机已经成为现代光学望远镜必不可少的终端仪器。随着天文望远镜口径越来越大,相机的规模也越来越大,从小靶面单片CCD或CMOS芯片到大靶面拼接式的科学级相机,整个望远镜控制系统自动化程度越来越高,对相机成像控制的要求也越来越高。相机成像软件完成对相机成像配置和操控,需要具有良好的鲁棒性和可扩展的架构,并且能够支持远程控制。针对以上需求,本论文在实验室研发的多款CCD、CMOS相机的基础上设计并实现了一套相机成像软件,并很好的集成到望远镜控制系统以及科学级CCD控制器自动化测试系统中。论文首先介绍了天文成像系统的基本概念和望远镜控制系统的发展趋势,在结合国内外相机成像软件现状的基础上,分析了成像软件的需求。相机成像软件需要具备易用性、鲁棒性、兼容性、扩展性以及跨平台特性,支持远程控制以便被方便集成到天文望远镜控制系统以及科学级相机的自动化测试系统之中。相机成像软件进行了层次化设计以方便用户集成和使用,包括给用户二次开发使用的成像SDK和供用户直接使用的成像应用程序两部分,成像SDK提供了操作相机的基础功能的API,应用程序则基于SDK完成了面向用户操作的功能。在对科学级相机硬件进行介绍后,本论文分析并给出了成像SDK的功能要求。成像SDK与相机通过USB批量传输模式进行可靠通信,在协议层面设计了一套严格的功能指令格式来提供相机和上位机电脑的通信,完成指令的收发与图像数据的传输。为了能够兼容不同型号相机的功能差异,成像SDK采用面向对象的设计思想,将相机抽象为多个类,利用类之间的继承、多态特性,保证了相机成像软件的兼容性与扩展性。成像SDK采用CMake进行构建管理,实现了自动化文档发布与单元测试。通过对成像SDK进行充分的性能测试,可以证明其满足高性能、高可靠性的要求。相机成像软件的成像应用程序包括基于WPF的Windows应用程序和基于AreaDetector的Linux应用程序。本论文在Windows操作系统上实现了强大的图形界面,集成了图像处理的功能,能够对FITS图像进行分析处理。Linux应用程序提供了基于AreaDetector的远程控制功能,能很方便地集成进天文望远镜观测和控制系统。基于量子通信实验望远镜的导星系统的需求,本论文同时采用RTS2与AreaDetector相结合的方式实现此望远镜天文成像系统的导星控制,在观测现场的实际测试中有效补充望远镜的跟踪精度,证明了相机成像软件的可靠性。针对科学级相机CCD控制器自动化测试的需求,基于相机成像软件设计了CCD控制器自动化测试软件,在嵌入式系统上实现了基于Qt的CCD控制器自动化测试软件。测试软件包括三部分:Qt客户端、基于AreaDetector的相机成像软件以及CCD控制器测试SDK,其中Qt客户端用于绘制用户界面和控制测试流程。通过CCD控制器测试SDK与AreaDetector成像软件的配合,完成对CCD控制器的各部分功能及性能的自动化测试。本文的主要工作如下:1.设计了相机成像软件的构架,适配各种型号的科学级相机,具有良好的兼容性与扩展性;2.完成了针对相机成像SDK的性能测试,在传输速率测试、资源占用测试和稳定性测试中均有良好的表现;完成了 Windows系统下的相机成像软件,添加了 FITS图像的分析处理功能;3.完成了基于AreaDetector的相机成像软件,并结合RTS2设计实现了量子通信实验望远镜天文成像系统的导星系统,在现场的测试中性能满足科学观测的需求;4.设计了CCD控制器自动化测试软件的整体架构,在嵌入式系统上实现了CCD控制器自动化测试软件的测试SDK,基于Qt的测试客户端程序。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章引言

1.1 天文成像系统概述

1.2 CCD、CMOS的原理与特点

1.2.1 CCD

1.2.2 CMOS

1.2.3 CCD与CMOS对比

1.3 国内外科学级相机成像软件的现状

1.4 相机成像软件在天文领域中的需求

1.5 本文的主要工作内容

第2章相机成像SDK的研究

2.1 相机硬件的介绍

2.2 成像SDK的功能分析

2.3 成像SDK与相机的通信

2.4 成像SDK中的关键技术

2.4.1 功能指令格式的设计

2.4.2 多型号相机的适配

2.4.3 多相机的发现与选择

2.4.4 图像数据的获取

2.4.5 读出模式的介绍

2.4.6 通用的函数接口设计

2.5 自动化构建系统和测试

2.6 成像SDK的性能测试

2.6.1 指令往返时延测试

2.6.2 传输速率测试

2.6.3 资源占用测试

2.6.4 稳定性测试

2.7 本章小结

第3章相机成像应用程序的设计与应用

3.1 相机成像软件的架构设计

3.2 Windows成像应用程序

3.2.1 整体结构

3.2.2 功能设计与实现

3.3 基于AreaDetector的成像应用程序

3.3.1 EPICS简介

3.3.2 AreaDetector简介

3.3.3 AreaDetector添加新相机

3.3.4 AreaDetector的客户端

3.3.5 与望远镜控制系统的结合

3.4 量子通信实验望远镜的导星系统

3.4.1 望远镜简介

3.4.2 系统设计

3.4.3 系统实现

3.4.4 系统测试

3.5 本章小结

第4章 CCD控制器自动化测试软件的研究

4.1 CCD控制器测试系统简介

4.2 测试软件的运行环境

4.3 测试软件的设计与实现

4.3.1 功能简介

4.3.2 软件架构

4.3.3 功能测试流程

4.4 本章小结

第5章总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈亚奇

导师: 王坚

关键词: 科学级相机,成像软件,面向对象,导星

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 天文学,计算机软件及计算机应用

单位: 中国科学技术大学

分类号: TP311.52;P111

总页数: 85

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