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由斑点图重建天文图像的研究

作　者: 霍卓玺
导　师: 周建锋
学　校: 清华大学
专　业: 核科学与技术
关键词: 天文仪器斑点图重建频率域重建方法空间域重建方法卡尔曼滤波
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

图像重建是天文学和天体物理学研究中重要的方面。空间望远镜尽管不受大气层扰动带来的天文视宁度的影响,但是在制造成本以及尺寸上均受严苛的限制。地面望远镜的制造和维护成本相对于空间望远镜较为低廉,并且可以制造成更大的尺寸,因而也拥有更高的集光性能与极限角分辨率。但是受到视宁度影响,实际的观测结果距离极限角分辨率还有很大的差距。使用地面望远镜进行短曝光拍摄得到的具有斑点结构的图像成为斑点图。因而研究如何从地面望远镜拍摄到的斑点图中重建天文图像,是十分重要和必要的。本文对现有的从斑点图中重建天文图像的方法、对斑点图的获取方法以及计算机模拟生成方法进行了调研。还通过计算机模拟的手段对典型的重建方法进行了测试。本文还提出了基于卡尔曼滤波包含物理约束的图像重建方法。本文的主要研究内容包括:现有由斑点图重建天文图像方法分析与测试、基于卡尔曼滤波的图像重建方法设计与实现、基于卡尔曼滤波的图像重建方法的测试与分析,其中还对是否包含物理约束的重建结果进行了比较,从而突出加入物理约束后重建结果的优越性。基于卡尔曼滤波方法包含物理约束的图像重建方法显示了积极的应用前景。未来将继续研究该方法的改进,理解在处理真实观测结果中暴露出的意料之外的现象,解决可能存在的问题,还将研究使用卡尔曼滤波对图像重建结果以及图像重建方法进行评价的方法。本文的研究工作提出的图像重建方法可以提高天文图像的角分辨率,能够在现有的观测硬件条件下从图像中获取更多信息。这对于发现新的天体或者已知天体的新的结构有重要意义。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章引言  9-12
  1.1 影响望远镜成像的因素  9
  1.2 天文图像重建  9-10
  1.3 卡尔曼滤波在天文图像重建中的应用  10-12
第2章斑点图的获取与模拟  12-16
  2.1 斑点图的获取  12-14
  2.2 斑点图的计算机模拟  14-16
第3章斑点图的重建方法  16-31
  3.1 斑点图的频率域重建方法  16-24
    3.1.1 模复原方法  16-17
      3.1.1.1 斑点干涉法  16-17
    3.1.2 相位复原方法  17-24
      3.1.2.1 从单幅斑点图复原相位的方法  17-18
      3.1.2.2 由模复原相位的方法  18-19
      3.1.2.3 斑点掩模法  19-23
      3.1.2.4 Knox-Thompson 方法  23-24
  3.2 斑点图的空间域重建方法  24-27
    3.2.1 LWH 方法  24-26
    3.2.2 迭代位移叠加  26-27
  3.3 盲消卷积类的图像重建方法  27-29
  3.4 小结  29-31
第4章典型重建方法测试  31-37
  4.1 斑点图的生成  31-35
  4.2 根据重建方法设计算法  35
    4.2.1 实现简单平移叠加方法的算法  35
  4.3 图像重建结果与小结  35-37
    4.3.1 简单平移叠加方法重建结果  35-37
第5章利用卡尔曼滤波进行斑点图重建  37-74
  5.1 卡尔曼滤波原理  37-41
    5.1.1 卡尔曼滤波与最小二乘估计  37
    5.1.2 卡尔曼滤波原理  37-39
    5.1.3 卡尔曼滤波的实现  39-41
  5.2 利用卡尔曼滤波进行图像重建的算法  41-42
  5.3 带约束的卡尔曼滤波图像重建算法  42-43
  5.4 测试与验证  43-74
    5.4.1 一维图像重建  44-58
      5.4.1.1 模拟目标源的设置  44
      5.4.1.2 模拟成像系统设置  44-46
      5.4.1.3 模拟观测结果  46-48
      5.4.1.4 对模拟数据进行重建  48-52
      5.4.1.5 图像重建结果评价  52-58
    5.4.2 二维图像重建  58-67
      5.4.2.1 模拟目标源的设置  58-60
      5.4.2.2 模拟成像系统设置  60-62
      5.4.2.3 模拟观测结果  62
      5.4.2.4 对模拟数据进行重建  62-67
    5.4.3 重建哈勃空间望远镜图像  67-74
      5.4.3.1 观测结果  68-69
      5.4.3.2 成像系统的点扩展函数估计  69-71
      5.4.3.3 卡尔曼滤波重建结果  71-72
      5.4.3.4 维纳反卷积重建结果  72-74
第6章总结与讨论  74-76
参考文献  76-79
致谢  79-80
附录A 重要程序的源代码  80-96
  A.1 模拟生成斑点图的MATLAB 代码  80-82
    A.1.1 phasescreen.m  80
    A.1.2 pdl.m  80-81
    A.1.3 psfsse.m  81
    A.1.4 psfsle.m  81
    A.1.5 p2psf.m  81-82
  A.2 测试简单平移叠加方法的 MATLAB 代码  82-83
    A.2.1 ssademo.m  82-83
  A.3 卡尔曼滤波进行图像重建的 MATLAB 代码  83-96
    A.3.1 trianglepsf.m  83
    A.3.2 kalman.m  83-88
    A.3.3 hstpsf.m  88-89
    A.3.4 testkalma112d.m  89-91
    A.3.5 kalma112d.m  91-94
    A.3.6 kalman.m  94-96
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  96

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