全日面Hα观测数据还原技术与方法研究

Synoptic Hα full-disk observations of the sun plays an important role in solar observation, and the solar image restoration is universal demand, and the related theory and method needs further study and improvement. This project is aimed at the problem of interference fringe and uneven background underlying the synoptic Hα full-disk observations, and carries out the following works in the aspect of image processing. 1) Study the interference fringe feature extraction method, analyze the interference fringe in space and gray scale, and create its mathematical model，design the filters for the interference fringe automatic detection and remove. 2) Extract the uneven background from the solar image based on the multiresolution analysis, create the corresponding model, correct the uneven background underlying the Hα observations. 3) Deeply analyze the mathematical theory of the Kuhn sun flat-fielding method, and study the mathematical model and relaxation solution of the flat-fielding under the conditions of strong freedom in gain solution. In practice, we verify the proposed technique with the restoration example of the partial data observed by the Huairou base from 2001 to 2009, analyze the effectiveness of the restored image gray value. This project is expected to explore the automatic detection and remove method of the interference fringe and uneven background underlying the Hα observations degraded by the hardware, further improve the Kuhn sun flat-fielding technique, make some preparation for the future hardware solution, improve the quality of astronomical observation product.

全日面Hα是太阳观测的重要内容，太阳图像还原修复的需求普遍存在，其理论和方法需不断深入研究并改进。针对现有Kuhn平场程序难以修正的Hα图像干涉条纹和明暗不均背景问题，本项目从图像处理角度，1)研究干涉条纹特征提取方法，分析其空间分布和灰度变化，建立数学模型，设计自适应滤波器，实现干涉条纹的自动检测与去除；2)基于多尺度太阳图像分析，提取明暗不均背景，建立模型，修正背景；3)分析Kuhn平场数学原理，研究强干扰条件下平场的数学建模与求解。实践中以01-09年怀柔基地的部分观测数据还原为例，分析还原数据的有效性，以验证这一新技术。本项研究旨在从实际科研需求出发，针对与硬件关联的数据质量问题，研究干涉条纹和明暗不均背景的自动检测和去除，进一步改进Kuhn平场技术，在全日面Hα观测数据还原技术和方法上有所突破，为将来的硬件实现做准备，提高天文数据产品质量，具有重要意义。

该项目从图像处理的角度研究全日面Hα图像干涉条纹和明暗不均背景问题，拓展全日面Hα观测数据还原技术和方法，提高天文数据产品质量。在分析01-09年怀柔基地的部分全日面Hα数据的条带干扰和明暗不均背景特性的基础上，研究取得以下成果：1)提出了一种基于支持度变换及多尺度LS-SVM的条带检测及消除方法。先利用支持度变换分解太阳图像为不同的尺度分量，将信息、背景、条带干扰等图像中的元素逐级分离；再利用多尺度LS-SVM对提取的条带数据进行拟合滤波完成条带建模，最后在原数据中直接减掉条带，还原无条带图像。将这些方法应用于01-09年怀柔基地的部分Hα观测数据还原实验。结果表明，该方法可以有效地消除干扰条带对Hα图像的影响，对像质提高很大，但对太阳结构的强度本身也存在影响。2)针对经典的Kuhn平场算法基于最小方差和准则,抗噪能力比较差，对明暗不均背景等强干扰的适应性差，收敛速度比较慢的问题，将相关熵最大准则与Kuhn算法相结合，提出了一种基于相关熵最大准则的平场计算新方法，高斯核的自适应迭代技术可以自适应地实现迭代次数和高斯核参数的优化，自主完成平场的计算。新方法相对于Kuhn算法不仅平场计算精度高、收敛速度快，且表现了很好的抗干扰能力。3)研究了相关方法在手绘太阳黑子图信息的提取、小目标检测和光球单色像太阳黑子的自动识别以及太阳图像柔性点集匹配方面的应用，均获得较满意的实验结果，也开展了SBM、天文相关科学研究。初步完成了云南天文台自1957年至2015年积累的近2万张手绘太阳黑子信息的提取，建立我国最系统的手绘黑子信息数据库，对提高我国手绘黑子观测资料的利用率和国际太阳物理研究具有重要意义。项目研究成果已发表期刊论文9篇，均被SCI、EI收录，培养硕士生6名，获批软件著作权1项。.本项研究针对与硬件关联的数据质量问题，研究了干涉条纹和明暗不均背景的自动检测和去除方法，提出了一种基于相关熵最大准则的平场计算方法，改进了经典的Kuhn平场技术的性能，在全日面Hα观测数据还原技术和方法上有所突破，对提高天文数据产品质量，具有重要意义。