陳宇超，金振宇，楊　磊

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺，云南 昆明　650011；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100049)

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NVST多通道高分辨觀測系統(tǒng)軟件設(shè)計

陳宇超1,2，金振宇1，楊磊1

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺，云南 昆明650011；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

摘要：1 m太陽望遠(yuǎn)鏡多通道高分辨成像系統(tǒng)是望遠(yuǎn)鏡的重要終端設(shè)備之一，目前由Hα通道(線心656.283 nm)和TiO通道(705.8 nm)構(gòu)成。主要介紹了多通道高分辨觀測系統(tǒng)軟件的設(shè)計。觀測系統(tǒng)在功能上主要實現(xiàn)了Hα通道多波長點掃描觀測模式，TiO通道多時間分辨率觀測模式，以及為滿足多通道發(fā)展的需求，如常規(guī)觀測通道的增加以及探測器的更換等，在系統(tǒng)架構(gòu)上采用了松耦合的分布式分層結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：觀測采集系統(tǒng)；1 m太陽望遠(yuǎn)鏡；高分辨觀測

撫仙湖1 m太陽望遠(yuǎn)鏡(NVST)是目前國內(nèi)最大的太陽望遠(yuǎn)鏡，也是世界上最大的真空望遠(yuǎn)鏡，主要對太陽光球和色球進行高空間分辨率的成像觀測和高光譜分辨率的光譜觀測[1]。太陽光球和色球的高空間分辨率觀測是太陽物理很重要的研究方向，也是主要的觀測研究手段之一。目前已經(jīng)實現(xiàn)了TiO和Hα雙通道高分辨觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用高分辨圖像處理技術(shù)消除湍流大氣對成像質(zhì)量的影響，對太陽光球和色球進行同步高分辨率觀測?；谠撚^測系統(tǒng)可以開展多項太陽物理前沿的研究，如太陽耀斑的精細(xì)結(jié)構(gòu)等。常規(guī)的天文觀測直接用探測器自帶的軟件既可進行，但是隨著觀測要求的提高，探測器自帶的軟件已經(jīng)不能滿足觀測需求，高分辨觀測系統(tǒng)的觀測需求更為復(fù)雜，因此必須自行開發(fā)觀測軟件。

國內(nèi)外許多望遠(yuǎn)鏡采用不同的方式實現(xiàn)了自己的觀測系統(tǒng)。由于各個望遠(yuǎn)鏡實際情況以及科學(xué)目的不同，對觀測采集系統(tǒng)有不同的要求。觀測系統(tǒng)受這些需求的影響，在實現(xiàn)時采用了相應(yīng)的措施，具有鮮明的該望遠(yuǎn)鏡的特色，很難把這些系統(tǒng)直接挪用作為另一臺望遠(yuǎn)鏡的控制觀測系統(tǒng)。比如遠(yuǎn)程望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)第二版(Remote Telescope System 2ndVersion, RTS2)，最初的目的是為了能夠自動控制一臺小型望遠(yuǎn)鏡對伽馬射線暴進行觀測的控制程序[2]，所以在開發(fā)該系統(tǒng)時，更關(guān)心系統(tǒng)是否能夠及時響應(yīng)伽馬射線暴(Gamma Ray Burst, GRB)信號，進行觀測目標(biāo)的快速切換。因此RTS2系統(tǒng)采用簡單的C/S結(jié)構(gòu)，使用一個中央調(diào)度服務(wù)器管理各個設(shè)備進程，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于開發(fā)的特點。但受C/S架構(gòu)特點的影響，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得相對復(fù)雜時，將加大中央調(diào)度服務(wù)器的負(fù)載，降低服務(wù)器響應(yīng)速度，造成消息處理的延遲，影響整個系統(tǒng)的性能。因此阿塔卡瑪大型毫米波天線陣(Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array, ALMA)在開發(fā)其控制觀測系統(tǒng)時，基于該系統(tǒng)需要協(xié)調(diào)多臺望遠(yuǎn)鏡的控制進行觀測以及所控制的望遠(yuǎn)鏡規(guī)?？赡馨l(fā)生擴充的考慮，未采用傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)，而是使用了容器/組件模型開發(fā)系統(tǒng)[3]。多個容器分擔(dān)了系統(tǒng)中央調(diào)度服務(wù)器的角色，避免某一服務(wù)器負(fù)載過大。該方式不僅提高系統(tǒng)的可擴展性，而且具有更好的可重用性。此外，ALMA提供開源的ALMA通用軟件框架(ALMA Common Software, ACS)，可進行二次開發(fā)，縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。

由于1 m太陽望遠(yuǎn)鏡高分辨觀測系統(tǒng)仍有很多發(fā)展規(guī)劃，如增加觀測通道、改進高分辨重建技術(shù)、更換高速探測器、與光譜儀的同步觀測模式等等。因此在高分辨觀測軟件的設(shè)計過程中需要將當(dāng)前的需求和未來觀測系統(tǒng)的發(fā)展統(tǒng)籌考慮，否則每一次變化都可能導(dǎo)致整個軟件重新設(shè)計，大大增加開發(fā)成本，大幅度拖延觀測系統(tǒng)的研制時間。在保證觀測系統(tǒng)功能的前提下，還需具備良好的可擴展性，因此選用與ACS相似的軟件架構(gòu)。由于ACS使用通用物件請求代理架構(gòu)作為通信中間件，并且與整個框架緊密耦合，基于通用物件請求代理架構(gòu)(Common Object Request Broker Architecture, CORBA)組件性能與功能局限選擇自行開發(fā)組件容器以及遠(yuǎn)程對象調(diào)用的底層實現(xiàn)。

1多通道高分辨觀測系統(tǒng)簡介

1.1觀測系統(tǒng)現(xiàn)狀

1 m太陽望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)使用的常規(guī)觀測通道為Hα通道(656.283 nm)和TiO通道(705.8 nm)，分別對太陽色球和光球進行觀測。1 m太陽望遠(yuǎn)鏡未將自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)用于常規(guī)觀測，為實現(xiàn)高分辨觀測，采用了后期數(shù)據(jù)重建的方式提高觀測數(shù)據(jù)的空間分辨率，所以觀測系統(tǒng)首先要滿足重建算法的要求。1 m太陽望遠(yuǎn)鏡采用斑點掩模算法，對圖像進行多幀統(tǒng)計重建，需要觀測采集系統(tǒng)能夠在保證觀測對象結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的同時，采集滿足算法信噪比要求幀數(shù)的數(shù)據(jù)。

1 m太陽望遠(yuǎn)鏡原使用探測器廠家提供的數(shù)據(jù)采集程序，在功能上只能實現(xiàn)探測器的連續(xù)采集，無法與其它設(shè)備進行交互以實現(xiàn)比較復(fù)雜的觀測模式，因此需要開發(fā)新的觀測采集系統(tǒng)。新的觀測采集系統(tǒng)根據(jù)各個通道觀測方式的特點，可以實現(xiàn)波長點掃描觀測、時間分辨率可調(diào)等多種觀測模式。

1.1.1Hα通道

Hα通道使用中心波長可調(diào)的Lyot濾光器進行成像觀測，可實現(xiàn)不同波長的觀測。對窄帶成像觀測，單點觀測通常難以解釋一些現(xiàn)象，如某些低溫物質(zhì)存在一定視向運動，造成增亮的假象，所以需要利用濾光器中心波長可調(diào)的特點，通過對多個波長進行觀測，以獲得譜線觀測所能提供的物理信息。

在滿足后期重建算法要求的基礎(chǔ)上，觀測采集系統(tǒng)需要實現(xiàn)Hα通道多個波長點掃描觀測模式。其中，單個波長點觀測作為多波長點掃描觀測模式的特例，具體觀測狀態(tài)見圖1。觀測多個波長點會造成時間分辨率的下降，通常觀測3個波長點需要42 s。由于常規(guī)觀測主要對耀斑進行監(jiān)測，所以為保證時間分辨率，Hα通道常規(guī)觀測模式為Hα線心單波長點觀測。

圖1觀測狀態(tài)圖：左圖為TiO通道；右圖為Hα通道多個波長點掃描觀測

Fig.1The State Diagram of the Observation

1.1.2TiO通道

TiO通道的觀測對象為不同演化速度的動力學(xué)現(xiàn)象，為滿足觀測需要，配備了一臺可以實現(xiàn)高速采集的互補式金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)探測器。該探測器可以實現(xiàn)全幀曝光頻率為100 Hz，但受CamLink傳輸速度250 MB/s的限制，1 s內(nèi)曝光的數(shù)據(jù)需要4 s的傳輸時間。為防止探測器內(nèi)存由于緩存太多的數(shù)據(jù)導(dǎo)致崩潰，在曝光完一定幀數(shù)后，必須停止曝光，直到緩存于探測器內(nèi)存中的數(shù)據(jù)被完全移出。影響采集速度的主要因素為CambLink的傳輸速度，因此可通過縮小曝光區(qū)域，降低數(shù)據(jù)量以提高每秒傳輸?shù)膸瑪?shù)，即犧牲TiO通道的視場以換取更高的時間分辨率。觀測采集系統(tǒng)需要根據(jù)觀測要求，提供小視場、高時間分辨率的觀測模式。

常規(guī)觀測時，TiO通道以監(jiān)測為主，需要保證足夠的視場。由于后期數(shù)據(jù)重建速度較慢，不能應(yīng)對長時間持續(xù)采集帶來的數(shù)據(jù)處理壓力。因此需要觀測采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大視場、低時間分辨率的常規(guī)觀測模式，即在連續(xù)采集完重建算法要求的幀數(shù)后，暫停一段時間，在保證后期重建效果的同時，減少數(shù)據(jù)量。

1.2觀測系統(tǒng)的發(fā)展

在現(xiàn)有雙通道高分辨成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將搭建五通道成像系統(tǒng)，具體參數(shù)見表1[4]。

1.2.1多通道高分辨成像系統(tǒng)

多通道高分辨成像系統(tǒng)的升級包括兩方面：

(1)常規(guī)觀測通道數(shù)的增加。首先在原雙通道成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加G-band，Ca II(854.2 nm)和He I(1 083.0 nm)。其中，Ca II通道將使用中心波長可調(diào)的Lyot濾光器對色球進行觀測，沿用Hα通道的觀測模式，即多個波長點掃描觀測，以及將單個波長點觀測作為該種觀測方式的特例。

(2)更高采集效率探測器的使用。在雙通道觀測中，TiO通道使用的CMOS探測器采集頻率為100 Hz，但由于CamLink傳輸速度的限制，造成觀測時間分辨率的下降。所以選擇能夠使用兩個CamLink接口同時傳輸數(shù)據(jù)的探測器，作為多通道使用的探測器。

1.2.2多通道同步觀測

通道數(shù)的增加和更高采集頻率探測器的使用，將面臨更大的數(shù)據(jù)處理重建壓力。TiO通道采用降低常規(guī)觀測的時間分辨率的方式減輕數(shù)據(jù)重建的壓力，但這種采集方式很難在其它觀測通道繼續(xù)使用，所以為減輕重建的壓力，將采用多通道同步觀測作為特殊的采集手段。

TiO通道使用濾光片對光球進行觀測，信噪比遠(yuǎn)高于Hα通道使用的Lyot濾光器，所以使用由高信噪比的寬帶成像系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計重建得到的瞬時傳遞函數(shù)，重建低信噪比低通道的觀測數(shù)據(jù)。該方式具有如下優(yōu)點[5]：

(1)重建速度快。同步重建只需要計算信噪比較高的通道的傳遞函數(shù)，所以相比需要對幾個通道都計算傳遞函數(shù)的傳統(tǒng)重建方式，可以減少重建所需的時間。

(2)提高時間分辨率。使用斑點掩模法對數(shù)據(jù)進行重建，為保證信噪比，往往采用增加重建幀數(shù)的方法，而使用同步重建需要的幀數(shù)較少，即用同樣的幀數(shù)可以獲得更多的結(jié)果，所以提高了時間分辨率。

同步重建算法要求不同通道探測器同步觸發(fā)的誤差為1 ms。為滿足該觸發(fā)精度，由一臺上位機負(fù)責(zé)多臺探測器的同步外觸發(fā)控制。上位機通過外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)(Peripheral Component Interconnect, PCI)總線控制卡的并行I/O口同步向多臺探測器發(fā)出外觸發(fā)信號，探測器收到信號后開始曝光。經(jīng)過試驗證明探測器的觸發(fā)精度在納秒量級，可以滿足同步重建算法的要求。

雙通道同步觀測已經(jīng)完成實驗，但仍未用于常規(guī)觀測。主要原因為雙通道現(xiàn)使用的探測器采集頻率相差很大。Hα通道使用的CCD模數(shù)轉(zhuǎn)換效率很低，合并讀取為1×1時采集頻率為3.4 Hz，而TiO通道使用的CMOS外觸發(fā)模式下采集頻率為13 Hz，所以若采用一一對應(yīng)的同步方式，將極大降低TiO通道的時間分辨率。因此，在搭建五通道觀測平臺時，選用了相同型號高采集頻率的CMOS探測器。

2系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

1 m太陽望遠(yuǎn)鏡多通道高分辨觀測系統(tǒng)主要需求如下：

(1)功能性需求：(a)Hα通道實現(xiàn)多個波長點掃描觀測；(b)TiO通道時間分辨率可調(diào)。

(2)非功能性需求：(a)開發(fā)周期短：功能性需求需要馬上實現(xiàn)，并用于實際觀測。在使用過程中，根據(jù)使用效果，可能調(diào)整預(yù)先定義的需求；(b)易擴展性：觀測系統(tǒng)能夠滿足多通道觀測系統(tǒng)擴展或升級需求。

為了在較短的開發(fā)周期內(nèi)提交軟件，以及在使用過程中能夠快速響應(yīng)需求的變化，采用敏捷開發(fā)方式[6]，即首先快速搭建能夠滿足觀測需要的軟件，并在較低周期的迭代部署過程中，根據(jù)使用情況，調(diào)整原有功能的實現(xiàn)并增加新的特性。

在系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程中，為滿足多通道發(fā)展的需要，主要通過降低系統(tǒng)耦合性的方式提高可擴展性，并分別從硬件部署和軟件結(jié)構(gòu)上進行系統(tǒng)的解耦。

2.1系統(tǒng)部署

為滿足1 m太陽望遠(yuǎn)鏡增加觀測通道，使用更高采集頻率探測器的要求，以及Hα通道和TiO通道的觀測具有一定的獨立性，采用分布式、多終端的觀測采集部署方案(圖2)。該方案具有以下優(yōu)點：

(1)可拓展性：由于每個通道配有一個控制終端，可通過增加控制終端數(shù)目來增加通道數(shù)，而且每個終端控制一臺探測器，可以滿足探測器的帶寬以及其它要求。

(2)可維護性：發(fā)生單點故障時，不影響其它通道的正常觀測，而且方便故障的排查。

(3)成本較低：可以使用較為便宜的商用計算機，降低成本。

圖2觀測采集系統(tǒng)部署圖

Fig.2The Deployment diagram of the data collection system

2.2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

由于觀測系統(tǒng)仍然處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，需要更換探測器，調(diào)整存儲設(shè)備，甚至存在更換操作系統(tǒng)的可能，因此需要系統(tǒng)架構(gòu)能夠滿足功能和該功能相關(guān)計算機底層技術(shù)間的松耦合，所以將系統(tǒng)架構(gòu)分為功能架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)[3, 7](圖3)。

圖3功能/技術(shù)架構(gòu)示意圖

Fig.3Functional/Technical Architecture

(1)功能框架描述了各個組件的接口及功能，以及各個組件間的關(guān)系和交互行為。

(2)技術(shù)框架提供了遠(yuǎn)程通訊、線程、事務(wù)處理機制等底層具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

為實現(xiàn)系統(tǒng)功能架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)的分離，采用了組件容器模型。組件是架構(gòu)構(gòu)建的最小模塊，并以元數(shù)據(jù)等方式聲明了與架構(gòu)相關(guān)的屬性，包括與其它組件的依賴性，所以可以獨立開發(fā)組件。容器擁有多個獨立的組件，并提供外部接口，能夠簡化對組件的管理。組件相當(dāng)于實現(xiàn)構(gòu)建功能框架最小單元的程序，而容器負(fù)責(zé)這些程序的開始、結(jié)束及其它功能，構(gòu)成技術(shù)框架。Java和.Net都提供了容器組件的實現(xiàn)，但由于性能和設(shè)備硬件的支持，如許多設(shè)備的SDK包不提供.Net或者Java環(huán)境的支持，所以選擇自行開發(fā)。

技術(shù)框架和功能框架的分離具有以下優(yōu)點：

(1)降低了具體功能與相關(guān)軟件技術(shù)間的耦合性。軟件技術(shù)發(fā)展十分迅速，若與功能緊密耦合，就會使觀測采集系統(tǒng)的性能受現(xiàn)有軟件實現(xiàn)技術(shù)的限制。如1 m太陽望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)有控制系統(tǒng)的開發(fā)與通信技術(shù)實現(xiàn)緊密耦合。當(dāng)時的通信技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的要求，所以如果更改底層通信技術(shù)，需要重寫所有望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)，工程量巨大。通過技術(shù)架構(gòu)與功能架構(gòu)間的松耦合性，可以減少調(diào)整軟件技術(shù)帶來的工作量。

(2)可以為工程師提供開發(fā)具體應(yīng)用的平臺，開發(fā)具體功能性應(yīng)用的技術(shù)人員不用關(guān)心底層技術(shù)的實現(xiàn)。

2.3界面設(shè)計

為方便觀測人員操作，使用了圖形交互界面(圖4)。界面的設(shè)計采用了極簡風(fēng)格，主界面中僅列出觀測必須使用的功能，如Hα通道濾光器掃描的偏帶點、探測器曝光時間、觀測目標(biāo)信息等，其它在觀測中極少使用的功能，如修改探測器合并讀取或截取區(qū)域(Area Of Interest, AOI)，更改濾光器串口等，通過修改相應(yīng)配置文件調(diào)整這些在觀測中很少使用的參數(shù)。

圖4交互圖形界面。左圖為Hα通道圖形界面，右圖為TiO通道圖形界面

Fig.4Interaction of the GUI

3結(jié)論及展望

多通道高分辨觀測采集系統(tǒng)在功能上主要實現(xiàn)了Hα通道的多波長點掃描觀測以及TiO通道根據(jù)不同觀測目的采用不同時間分辨率等觀測模式。由于1 m太陽望遠(yuǎn)鏡多通道高分辨觀測系統(tǒng)仍處于發(fā)展之中，觀測采集軟件系統(tǒng)在實現(xiàn)觀測功能的同時，需保證良好的擴展性。因此在實現(xiàn)觀測軟件的過程中，采用了敏捷開發(fā)方式，在較低開發(fā)周期的部署迭代中，調(diào)整已實現(xiàn)的功能并加入新的特性。此外通過分布式、多終端的部署方式以及類似于ACS技術(shù)、功能框架的分離，提高觀測采集系統(tǒng)的擴展性。

在下一步的發(fā)展中，將由雙通道拓展為五通道高分辨成像系統(tǒng)，并更換更高速率的探測器，因此將在現(xiàn)有雙通道觀測采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加相應(yīng)的觀測采集服務(wù)端。此外，將使用多通道同步外觸發(fā)采集模式代替現(xiàn)在使用的軟件觸發(fā)模式。

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CN 53-1189/PISSN 1672-7673

NVST Multi-Channel High-Resolution Imaging System

Chen Yuchao1,2, Jin Zhenyu1, Yang Lei1

(1. Yunnan Observatories, Chinese Academy of Science, Kunming 650011, China, Email: cyc@ynao.ac.cn,2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Key words:Observation System; NVST; High-resolution Observation

Abstract:The New Vacuum Solar Telescope is an 1-meter, ground-based telescope which offers the unparalleled performance to solar observations. One of the important instruments in the NVST is the multi-channel high-resolution imaging system, and in the system five main work wave length ranges, including Hα, TiO-band, G-band, Ca II (854.2nm) and He I (1083.0nm) are covered. Up to now, Hα and TiO-band channels are being used. The Hα channel is an arrow-band imaging system, equipped with a tunable Lyot filter. The interpretation of the narrow-band filtergram is difficult due to the crosstalk between the brightness and the Dopplershift modulation, therefore the observational system is required to perform the multi-offband observation in Hα channel to obtain a scanned profile in order to get meaningful physical information. The TiO-band is abroad-band imaging system and uses a high-cadence CMOS. To achieve much higher cadence for some specific observations, it should support to decrease the FOV to increase the acquisition speed of the camera. However, the software provided by the camera manufacturedis failed to meet the observation need so that a new observational software system is constructed to satisfy the different observational needs in two channels. Taking the factors into account that another three channel will soon be added and high-cadence cameras will come into uses, the software architecture designed for NVST acquisition system should provide the scalability and the flexibility to adapt to changes in technologies throughout the lifetime of NVST. To achieve this goal, the distributed multi-terminal deployment and a loosely coupled system is adopted. The system is based on a tiered software architecture implemented as three primary systems that are the Observation Control System (OCS), the Instrument Control System (ICS) and the Data Handling System (DHS). The OCS interacts with our staff and coordinates the overall observational operations. The ICS manages the instruments and the DHS manages the data operation including saving, processing and transferring. For decoupling the logical systems they can be developed independently so that the software architectures are separated into the functional architecture and the technical architecture, patterned similar to that adopted by the ACS (ALMA Common Service). The technical architecture describes the underlying implementation of the technical aspect, such as threading and message broadcasting. The functional architecture, in contrast to the technical architecture, describes the functional behavior. Therefore the container/component mode is adopted to achieve this separation of architectures. The container manages many components which provide functional behavior. This paper describes the deployment of acquisition system and the design of the software architecture on the top of the container/component mode to achieve the scalability and flexibility to adapt the changes in observational instruments and in observational methods

基金項目：國家自然科學(xué)基金 (11203074, 11273059) 資助.

收稿日期：2015-04-29；

修訂日期：2015-05-22

作者簡介：陳宇超，碩士. 研究方向：觀測系統(tǒng)軟件設(shè)計. Email: cyc@ynao.ac.cn

中圖分類號：TP311.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號:1672-7673(2016)01-0075-07