NVST多通道成像观测系统的数据同步采集*

李玉艳，陈宇超，杨 磊，柳光乾

(1. 中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011；2. 中国科学院大学，北京 100049)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

NVST多通道成像观测系统的数据同步采集*

李玉艳1,2，陈宇超1,2，杨 磊1，柳光乾1

(1. 中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011；2. 中国科学院大学，北京 100049)

为了在1 m红外太阳望远镜多通道高分辨率成像观测系统中实现多个波段太阳图像的同步高分辨率统计重建，需要1 m太阳望远镜多个观测通道图像采集系统同步。研究了如何采用CCD相机外触发工作模式、计算机PCI总线硬件中断技术和全球定位系统时间相结合实现1 m太阳望远镜多个观测通道图像的同步采集，并在现有的Hα和TiO两个成像观测通道上搭建实验平台。通过一系列的波形时序测试，数据记录和分析等实验证明本文所采用的这一数据同步采集技术能满足1 m太阳望远镜多个观测通道图像的同步采集要求。

NVST多通道观测系统；多波段高分辨重建；数据同步采集；CCD相机外触发；PCI硬件中断

多波段高分辨率成像观测系统是1 m红外太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope, NVST)重要终端系统之一，可同时对太阳的光球和色球进行连续的高分辨成像观测[1]。自2010年该望远镜投入常规观测以来，其高分辨率成像观测系统已经取得大量宝贵的观测资料。目前，该系统准备从原有的Hα(波段656.3 nm)和TiO(705.8 nm)两个通道扩展为5个通道，另加3个成像通道中心波长分别为430.0 nm、854.2 nm和1 083.0 nm。由于1 m太阳望远镜高分辨率成像观测系统的后端数据处理系统采用基于斑点图的高分辨率统计重建技术，当1 m太阳望远镜成像观测系统通道扩展之后，数据处理系统的工作量和难度都相应增加。为提高数据处理效率和性能，文[2]提出了多波段同步高分辨重建技术，其核心思想是采用斑点掩膜法对其中一个通道的图像进行重建后，利用重建结果估计瞬时点扩散函数或大气传递函数，然后根据波长关系，推算其它通道下的大气传递函数，从而在其它通道实现高分辨率图像重建。这种方法实现的前提是多个通道的图像需要进行同步采集，目的是保证多个通道图像采集时刻有相同的大气特性，从而实现从一个波段的大气传递函数推算到其它波段的大气传递函数。

目前，大多数CCD相机具有外触发的工作模式，而且采用外触发的工作模式可以更加灵活地控制CCD相机曝光[3]。根据各系统要求和侧重点不一样，利用CCD外触发工作模式实现曝光的方法也不尽相同。为了在1 m太阳望远镜多通道观测系统中实现多个观测通道的数据同步采集，要求多个通道的采集相机同时开始曝光。此外，还需要各通道之间的同步帧有相同的绝对时间记录，而且，考虑到各通道采集相机性能之间的差异性，要求采集开始后能控制某一通道上CCD相机的某一帧与其它通道任意帧之间进行同步，同时也要求每个通道的CCD相机尽可能工作在其最高的采集速度。为此，本文采用CCD相机外触发工作模式，计算机PCI总线硬件中断技术[4]和全球定位系统时间相结合，实现1 m太阳望远镜多个观测通道图像的同步采集。

文章第1节分析了1 m太阳望远镜多个成像观测通道图像的同步采集详细要求。第2节给出了基于Hα和TiO两个成像观测通道上搭建的实验平台，并详细介绍了该系统的硬件和软件实现。第3节讨论在该实验平台上的有关实验，包括对时序波形、数据等进行测试、记录和分析。第4节总结该系统的运行结果，并讨论如何向5通道进行扩展。

1 1 m太阳望远镜多通道观测系统的同步采集要求

1 m太阳望远镜多通道系统数据同步采集的目的是提高后端数据处理系统的性能和效率，而且只有实现多个通道的同步采集，才能根据一个通道的大气传递函数推算其它通道的大气传递函数，实现多通道同步重建。1 m太阳望远镜对同步采集的主要要求有：

第一，时间尺度的要求。虽然文[2]没有详细讨论时间同步的最小尺度要求，但可以肯定，时间尺度必须小于大气的相干时间。由于大气“冻结”时间(大气相干时间)为0.01到0.001 s[5]，典型值为几毫秒[6]，因此本文把它定义在1 ms量级。这一时间尺度要求的实现，主要是控制几个通道的CCD相机能同时曝光。目前，大多CCD相机提供外触发工作模式，在不考虑CCD相机触发时刻到曝光时刻之间的时间延迟的条件下，认为要实现几个通道的CCD相机同时曝光就是要实现这几个通道的CCD相机外触发信号的同步控制。

第二，同步时刻每个采集通道中绝对时间的获取。由于1 m太阳望远镜每个成像通道采用不同的相机，因此，相机之间有不同的采集速度，由于对太阳观测波段的不同，相机之间曝光时间也有差别，所以，各通道采集系统之间每帧图像不是一一对应的。为了充分发挥各系统的最大采集速度，使得各系统中某些帧是同步帧，某些帧是非同步帧，1 m太阳望远镜图像采集系统采用绝对时间识别同步帧和非同步帧。因此各通道采集系统需要有共同的绝对时间信息识别图像，但它对绝对时间的精度要求不高，可以用全球定位系统时间或北斗时间实现。

第三，同步帧与非同步帧的控制。根据各通道相机不同曝光、不同采集速度的特点，以及最快速度采集的要求，同步采集的模式规定为每通道间隔不同的非同步帧后对各通道图像采集系统进行同步控制，得到各系统的同步帧，各通道采集图像系统有相同的大周期(即同步采集周期)，不同通道的图像采集系统一个大周期内包含不同数目的小周期(一帧图像采集周期)，周期数(非同步帧数)根据需求可任意设置。归纳起来，就是大周期的第1个小周期为同步帧，其余小周期为非同步帧，小周期数定义为非同步帧数，每个通道图像采集系统大周期时间尺度和数目都相同，小周期时间尺度和数目可以任意设置，可以相同也可以不同。

2 同步系统的软硬件实现

2.1 系统结构

根据1 m太阳望远镜多通道成像观测系统的同步采集要求，并结合现有的Hα和TiO两个成像观测通道，建立了主从模式的同步实验系统，具体结构如图1。在图1中上位机为主控计算机，各通道的观测机为下位机，功能及工作原理如下：

(1)上位机从全球定位系统获取绝对时间，保证绝对时间有一定的精度，并通过PCI总线控制卡上的并行IO口向下位机(各通道图像采集计算机)发送时间数据，从而保证各下位机有共同的绝对时间信息。

(2)在各通道之间需要进行同步采集，即大周期(同步帧)开始工作时，上位机通过PCI总线的IO控制卡同时发送各通道的相机外触发信号，保证各通道的相机同时曝光。在给各相机发送外触发信号的同时，上位机还通过PCI总线的IO控制卡向下位机的PCI总线的IO中断控制卡发送控制信号，使下位机进入硬件中断程序。保证各相机进入工作状态的同时，中断信号通知各下位机能及时采集图像并读取上位机的绝对时间信息。在各下位机不需要同步采集，即小周期工作(非同步帧)时，上位机根据各通道的下位机的反馈信号，同时触发相应通道的相机和下位机进入下一小周期的工作，此时，各通道之间保持独立采集模式。

(3)下位机主要对其相机的图像进行采集和存储，获取上位机传送的绝对时间信息并写入图像头文件，以供图像处理系统判别是否是同步帧。当完成一帧图像的采集和存储后，向上位机输出反馈，表示完整采集到一帧图像。

(4)上位机根据各通道采集系统的速度和相机曝光时间，以及观测者具体的需求等，分别设置各通道图像采集系统在每个大周期中所需要包含的小周期数(非同步帧数)。并且，上位机可通过对各对应的小周期计数器进行判断，当各通道的小周期采集完成时，便启动下一个大周期工作，即下一个同步帧开始工作。

图1 基于1 m太阳望远镜双通道观测系统的时间同步系统框图

Fig.1 A block diagram of the system of time synchronization for the NVST two-channel observation system

2.2 硬件实现

上位机通过以太网从SDI-316网络时间服务器获取绝对时间，该时间服务器由七维航测科技股份有限公司生产，内置全球定位系统时间接收机，授时精度优于10 ms。因此，各下位机图像采集系统即使有SDI-316提供绝对时间信息，但也不能保证其相机同步曝光时刻。而且图像采集的时间应该以曝光时刻为准，而各相机的外触发信号由上位机提供，因此下位机的时间信号也应取自上位机。因此，本文的方案是在上位机触发采集相机曝光与下位机中断的同时，通过PCI总线的IO卡将上位机触发各相机曝光时刻的绝对时间信息并行地发送到各下位机，从而保证同步时刻各下位机采集的图像有相同的绝对时间。上位机的控制卡采用阿尔泰公司的PCI2362数据卡，该卡提供96路IO端口，为Hα、TiO两个通道的相机和采集计算机以及并行时间传送提供足够的输入输出能力。下位机中断和时间接收采用阿尔泰公司的PCI2310卡，该卡能分别提供32路开关量隔离输入输出端口，且在输入端口中，有1路输出信号可进行PCI总线上的硬件中断。

1 m太阳望远镜的Hα通道与TiO通道的采集相机分别是PCO.4000的CCD和Neo sCMOS，两个相机都有外触发工作模式，图像采集时序如图2。

图2 相机外触发工作时序图

Fig.2 A timing diagram of the external triggering of a camera

在1 m太阳望远镜同步采集系统中，Neo sCMOS工作时，tdelay为9.37 us。根据PCO.4000的CCD芯片用户手册*PCO.4000的CCD芯片手册KAI-11002LongSpec.，PCO.4000的tdelay在几十微秒量级。因此，在1 m太阳望远镜多通道同步采集时间为1 ms量级的要求下，两个通道的相机外触发时刻到曝光时刻之间的时间延迟都可以忽略不计，1 m太阳望远镜的Hα通道相机与TiO通道相机之间的同步曝光控制就是外触发信号的同步控制。

2.3 软件实现

软件部分的实现是基于Windows操作系统平台，利用Visual C++6.0开发软件进行编写，其具体实现主要分为上位机和下位机两部分。上位机采用多线程程序[7]，为每个下位机提供相应的控制线程。主要是实现各通道中相机外触发信号与采集计算机的中断信号的各种时序、系统工作模式和基本参数的设置、时间发送以及下位机反馈信号采集。其双线程工作流程图如图3。图中：N1表示Hα通道的小周期数；N2表示TiO通道的小周期数；Count1表示Hα通道的小周期计数变量；Count2表示非同步的小周期计数变量。下位机主要是在硬件中断控制程序中实现相机图像采集、存储、时间信号读取以及小周期采集结束后反馈信号的发送。

图3 上位机双线程工作流程图

Fig.3 A two-thread flowchart of the host computer

3 同步采集系统的实验结果

同步采集实验主要根据图2搭建的软硬件系统对Hα和TiO两通道的相机外触发、图像采集计算机中断触发、帧采集完成反馈等6路信号进行时序波形测试、记录，并分析它们之间的工作时序关系、同步工作情况、时间延迟等。

通过实验获得的6路信号的整体时序波形如图4。在图4的波形中，Hα通道每隔2帧与TiO通道每隔16帧之间相互同步一次，同步时刻为图4中的t0、t1、t2时刻。图2中的上位机通过PCI2362并口同时发送两个通道的相机和计算机中断的触发信号，经测试，它们之间的时间同步在纳秒量级，因此认为它们之间已经严格同步。除此之外，Hα通道和TiO通道还存在各自非同步帧，非同步帧工作时，Hα通道和TiO通道各自同时触发自己的相机和采集计算机，如图4中的th01和tt01时刻。不管是Hα通道和TiO通道同步帧，以及非同步帧，只有收到相应的下位机的帧完成反馈信号时，才能启动下一帧的相机和采集计算机的触发信号。

图5(a)、(b)、(c)是测试两台下位机的中断程序延迟和CCD相机与中断采集程序工作时序(工作流程)。但测试时，中断延迟时间非常短，为了展示中断的延迟效果，两个通道都没有带上CCD相机，相机采集程序每一步工作过程用相应的一段时间延长代替，并且Hα通道非同步帧设置为2，TiO通道非同步帧设置为4，工作时序如图5(a)。

图4 同步采集系统整体时序图

Fig.4 A comprehensive timing diagram of the synchronized data acquisition system

图5(a) 不带相机测试下的两通道同步工作时序图；(b) 两通道CCD相机和中断程序工作流程；(c) 两通道中断延时测量图

Fig.5(a) A timing diagram showing the test of the synchronization of the two channels with the CCD cameras in idle states; (b) A timing diagram showing the workflows of the CCD cameras and interruption routines in the two channels; (c) A timing diagram showing the measurements of the delays in interruptions of the two channels

图5(b)是图5(a)中ta到tb一个工作周期左右部分的放大，描述一个工作周期内Hα通道相机和TiO通道相机与它们相应采集程序的工作流程和时序关系。两个通道工作时，都存在中断延迟，即图2中的上位机中断触发下位机后，下位机的中断程序启动较中断触发时刻有时间延迟，这个时间延迟与PCI2310中断卡、计算机软硬件配置等有关。经实测，Hα通道采集计算机的中断延迟是18 us，TiO通道采集计算机的中断延迟是70 us，如图5(c)。

图5(c)是图5(a)中ta到tc部分的放大。采集计算机进入中断程序后，首先读取上位机发送的同步时刻的绝对时间，然后等待相机曝光完成，读取和存储图像， 并向上位机反馈帧完成信号。实际在1 m太阳望远镜上工作时，TiO通道相机曝光时间是1 ms左右，Hα通道相机曝光时间是20 ms左右。因此，采集计算机的中断延迟和绝对时间读取所消耗的时间远小于相机的曝光时间，不影响系统的图像采集速度。

1 m太阳望远镜要求多通道同步采集时，每个通道的同步采集帧之间间隔任意设置，即非同步帧的数目可以任意设置，目的是为了扩展成5通道后，当不同相机工作在不同曝光时间时，每个通道都尽量工作在最大采集速度。图6中Hα通道的非同步帧数N1小于TiO通道的非同步帧数N2，且N1为2，N2为16。图7中Hα通道的非同步帧N1大于TiO通道的非同步帧数N2，且N1为2，N2为1。从这两幅图中可以看出，两通道可以设置任意非同步帧数以达到某一通道的任一帧可以和另一通道的任一帧实现同步。通过这一设置，既能达到两个通道的相互同步采集，又能发挥每个通道最快的采集速度。

图6N1

Fig.6 A timing diagram of the two channels whenN1

图7N1>N2的两通道工作时序图

Fig.7 A timing diagram of the two channels whenN1>N2

就目前1 m太阳望远镜的多通道成像观测系统而言，Hα通道实际使用的采集时间是47 ms，TiO通道实际使用的采集时间是281 ms，根据图6和图7，以及每帧采集时刻的时间记录数据，如表1，可以得出：当Hα通道非同步帧数为2帧，TiO通道非同步帧数为16帧时，两通道既能相互同步采集，又能达到最佳的采集速度；当Hα通道非同步帧数为2帧，TiO通道非同步帧数为1帧时，两通道虽然能相互同步采集，但TiO通道出现了很大的时间等待，并且从表1的时间信息记录文件中可以很方便地判断哪些图像是同步帧，哪些图像是非同步帧，方便后续的图像处理工作。

表1 同步采集系统图像曝光时刻记录

Table 1 A list of records of camera exposures of the synchronized data acquisition system

4 总 结

经过Hα和TiO两个成像观测通道同步实验，本文所采用的CCD相机外触发工作模式，计算机PCI硬件中断技术，并结合全球定位系统获取绝对时间和PCI并口发送时间的方法设计的同步采集系统能满足1 m太阳望远镜多通道成像观测系统对数据同步采集的要求。下一步的主要工作是扩展现有系统，在5个通道上实现。

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A Synchronized Data Acquisition System in the Multi-ChannelObservation System on the NVST of the YNAO

Li Yuyan1,2, Chen Yuchao1,2, Yang Lei1, Liu Guangqian1

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

In order to achieve synchronized multi-wavelength high-resolution image reconstruction with the multi-channel high-resolution observation system on the NVST (New Vacuum Solar Telescope) of the Yunnan Observatories, data of the multiple channels need to be synchronously recorded. In this paper we present our study of realization of the needed synchronous recording. Our approach combines externally triggered working modes of the CCD cameras, technologies of interrupting computer PCI bus hardware, and the GPS time system. Using the approach we have built a system to achieve synchronized data acquisition with the NVST multi-channel observation system. In this paper we also introduce an experimental platform built on the existing Hα and TiO imaging channels. Through a series of experiments, such as timing sequence analyses of waveforms, data recording, and data analyses, we show that our system can meet the requirements of synchronous recording with the NVST multi-channel observation system.

NVST multi-channel observation system; Multi-channel high-resolution image reconstruction; Synchronized data acquisition; External triggering of CCD cameras; Interruption of PCI hardware

国家自然科学基金 (11103077, 11203074) 资助.

2014-10-19；修定日期：2014-11-10 作者简介：李玉艳，女，硕士. 研究方向：精密跟踪与控制技术. Email: lyy@ynao.ac.cn

P111

A

1672-7673(2015)03-0323-08