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HXMT DDM 图像重建软件分析、设计与开发进展

HXMT DDM 图像重建软件分析、设计与开发进展. 霍卓玺 导师 ：李惕碚 副 导师：周建锋. 内容概要. 工作 概述 工作 背景及意义 国内外相关工作动态 需求分析 任务概述 功能需求 运行需求 软件设计 总体设计 模块划分 核心 模块设计 开发进展 数学 库 迭代算法 球面投影程序 未来工作. 工作 背景、意义，国内外相关工作动态. 工作 概述. 工作 背景. 硬 X 射线调制望远镜（ Hard X-ray Modulation Telescope ，简称 HXMT ）是规划中的我国第一个空间天文 卫星 。

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HXMT DDM 图像重建软件分析、设计与开发进展

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Presentation Transcript

  1. HXMT DDM图像重建软件分析、设计与开发进展 霍卓玺 导师：李惕碚 副导师：周建锋 霍卓玺

  2. 内容概要 • 工作概述 • 工作背景及意义 • 国内外相关工作动态 • 需求分析 • 任务概述 • 功能需求 • 运行需求 • 软件设计 • 总体设计 • 模块划分 • 核心模块设计 • 开发进展 • 数学库 • 迭代算法 • 球面投影程序 • 未来工作 霍卓玺

  3. 工作背景、意义，国内外相关工作动态 工作概述 霍卓玺

  4. 工作背景 • 硬X射线调制望远镜（Hard X-ray Modulation Telescope，简称HXMT）是规划中的我国第一个空间天文卫星。 • 它采用我国学者发展的直接解调成像方法； • 将实现宽波段X射线（1KeV – 250KeV）成像巡天； • 并对黑洞双星等天体进行高精度定点观测，研究它们的多波段X射线快速光变。 • 2011年3月，HXMT项目正式获得国防科工局、财政部工程立项批复，明确任务目标和研制内容。中国科学院负责卫星有效载荷的研制。 • HXMT图像重建软件包由清华大学天体物理中心负责开发。 霍卓玺

  5. 高能空间望远镜 霍卓玺

  6. 高能空间望远镜的成像装置现状 霍卓玺

  7. 高能空间望远镜成像软件包现状 霍卓玺

  8. 图像重建结果分析现状 霍卓玺

  9. 任务概述、功能需求、运行需求 需求分析 霍卓玺

  10. 任务概述 • 目标： • 使用直接解调方法（Direct Demodulate Method, 简称DDM）重建HXMT巡天观测以及小天区深度扫描结果； • 以图像的形式输出结果； • 给出重建结果的置信度、显著性、分辨率等特性分析。 • 运行环境： • MATLAB环境，或者 • IDL环境 霍卓玺

  11. 功能需求 • 扫描数据生成与准备 • 望远镜有效PSF生成 • 扫描数据自适应分组 • 直接解调方法实现 • 按探测器运行历元、能道范围、天区分别输出与显示重建结果 • 不同天区图像的拼接 • 重建结果分析 霍卓玺

  12. 总体设计、模块划分、核心模块设计 软件设计 霍卓玺

  13. 总体设计 霍卓玺

  14. 模块划分 霍卓玺

  15. 核心模块设计 • 天球坐标系、高能望远镜（High energy telescope，简称HE）本地坐标系； • HE状态参数化、高能准直器状态参数化； • 望远镜PSF生成； • 扫描观测实时调制矩阵生成； • 迭代求解； • 背景估计； • …… 霍卓玺

  16. 天球坐标系 • 天球坐标系采用赤道坐标系 • 对应的空间直角坐标系： • X轴指向赤经0度、赤纬0度； • Y轴指向赤经90度、赤纬0度； • Z轴指向北纬90度。 霍卓玺

  17. 高能望远镜本地坐标系及状态参数 • 本地坐标系： • X轴沿主光轴方向； • Y轴过X轴、垂直于X轴指向1号准直器对称轴； • Z轴过X轴指向16号与13号准直器之间、17号15号探测器之间； • 随望远镜转动。 • 状态参数： • 指向为X轴方向，方位为Y轴方向； • 参考状态指向天球坐标系，方位； • 实时状态以描述望远镜旋转的规范化四元数表征。 霍卓玺

  18. 高能准直器状态参数 • 准直器指向为主光轴方向（与望远镜相同） • 准直器方位： • 长方形视场准直器方位沿宽边方向 • 正方形视场准直器方位垂直于网格排布方向 • 参考状态： • 指向天球坐标系 • 方位 • 实时状态用相对参考状态的旋转来表征，用规范化四元数描述。 霍卓玺

  19. 望远镜PSF生成 • 准直器PSF： • 合并用户选取能道范围的PSF • 望远镜总PSF： • 旋转、合并用户选取准直器的PSF 霍卓玺

  20. 扫描观测实时调制矩阵生成 PSF（参考状态响应函数） 实时响应函数（根据实时状态旋转PSF） 霍卓玺

  21. 扫描观测实时调制矩阵生成 • 给定高能望远镜状态，天球上任意一点，脉冲响应： • 初始化图像向量： • 对于给定的观测空间采样点：调制方程为： • 令：则： 霍卓玺

  22. 迭代求解 • 迭代初始值采用均匀图像： • Richardson-Lucy迭代公式：迭代次数。 • 迭代终止条件： 霍卓玺

  23. 背景估计 • 使用推广的CLEAN算法提取明显的源的位置： • CLEAN算法用来解决反卷积问题 • 反卷积与解调同属Fredholm第一类积分方程问题，具有相同的矩阵形式 • CLEAN算法可推广进而用以解调 • 扣除明显的源 • 平滑残图、估计背景强度 霍卓玺

  24. 数学库、RL迭代、投影变换…… 开发进展 霍卓玺

  25. 数学库、RL迭代 • 四元数运算： • 四元数与矩阵互相换算 • 四元数基本运算 • 三维向量旋转 • 三维曲面插值： • 推导工作 • RL迭代： • 完成 霍卓玺

  26. 球面平面：投影变换 Mollweide变换的Tissot示意图： 使用Mollweide变换： 伪圆柱投影 面积保守 已经完成从球面到平面的Mollweide变换程序以及从平面到球面的逆变换程序 霍卓玺

  27. Mollweide变换 球面 平面投影 霍卓玺

  28. 完成开发、测试，研究图像重建结果分析方法 未来工作 霍卓玺

  29. 未来工作 • 高能望远镜图像重建： • 数学库（3D曲面插值） • DDM实现 • 天区分割与扫描数据分组 • 图像拼接 • …… • 中能、低能望远镜图像重建 • 探索图像重建结果分析方法 霍卓玺

  30. 路线图 霍卓玺

  31. 参考文献 • Amini, Abolfazi M. "Metropolis Monte Carlo Deconvolution." Part of the SPIE Conference on Visual Infomation Processing VIII. 1999. • Atwood, W. B., et al. "The Large Area Telescope on the Fermi Gamma-Ray Space Telescope Mission." The Astrophysical Journal, 2009. • Ayers, G. R., and J. C. Dainty. "Iterative blind deconvolution method and its applications." Optics Letters, July 1988. • Bertero, M., and P. Boccacci. "A simple method for the reduction of boundary effects in the Richardson-Lucy approach to image deconvolution." Astronomy and Astrophysics, 2005. • Byrne, Charles. "Iterative algorithms for deblurring and deconvolution with constraints." Inverse Problems, 1998. • Capalbi, M., M. Perri, B. Saija, F. Tamburelli, and LorellaAngelini. The SWIFT XRT Data Reduction Guide. 2005. • Chernyakova, M, and A. Neronov. INTEGRAL Science Data Center IBIS Analysis User Manual.n.d. • Chernyakova, M. INTEGRAL Science Data Center Introduction to the INTEGRAL Data Analysis.n.d. • Cornwell, T. J., and K. F. Evans. "A simple maximum entropy deconvolution algorithm." Astronomy and Astrophysics, 1985. • Courbin, F., P. Magain, M. Kirkove, and S. Sohy. "A method for spatial deconvolution of spectra." The Astrophysical Journal, 2000. • Dempster, A. P., N. M. Laird, and D. B. Rubin. "Maximum Likelihood from Incomplete Data via the EM Algorithm." Journal of the Royal Statistical Society. Series B (Methodological), 1977. • Dey, Nicolas, et al. "Richardson-Lucy Algorithm With Total Variance Regularization for 3D Confocal Microscope Deconvolution." Microscopy Research and Technique, 2006. • Doucet, Arnaud, Christian P. Robert, and Simon J. Godsill. "Marginal maximum a posteriori estimation using Markov chain Monte Carlo." Statistics and Computing, 2002. • Esch, David N., Alanna Connors, Margarita Karovska, and David A. Van Dyk. "An image restoration technique with error estimates." The Astrophysical Journal, 2004. • Fish, D. A., A. M. Brinicombe, and E. R. Pike. "Blind deconvolution by means of the Richardson-Lucy algorithm." J. Opt. Soc. Am. A, 1995. • Institute of Space and Astronautical Science and the X-ray Astrophysics Laboratory NASA/Goddard Space Flight Center. The Suzaku Data Reduction Guide. 2011. • Kundur, D., and D. Hatzinakos. "Blind image deconvolution revisited." IEEE Signal Processing Magazine, 1996. • Lane, R. G. "Methods for maximum-likelihood deconvolution." J. Opt. Soc. Am. A, 1996. • Lannes, A., S. Roques, and M. J. Casanove. "Stabilized Reconstruction in Signal and Image Processing." Journal of Modern Optics, 1987. 霍卓玺

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