面向空间天文观测的序列图像无损压缩算法

空间天文观测任务会获得大量天文图像.对定点天体连续观测得到的序列天文图像具有时间及空间冗余较高的特点.为了减少序列天文图像的存储与传输的数据量,保证序列天文图像的完整性,满足科学目标的任务需求,需要对其进行无损压缩.本文提出了一种利用帧内压缩与改进的帧间压缩相结合的无损压缩算法,将序列天文图像的第一帧进行JPEG-LS帧内无损压缩编码,其余帧进行改进的帧间无损压缩编码,从而有效去除序列天文图像的时间及空间冗余,提高序列天文图像的压缩比.经过试验测试,改进后的帧间压缩效果优于帧内压缩效果,改进后的帧间压缩时间少于帧内压缩时间.结果表明,该算法简单且高效,适用于对序列天文图像的无损压缩.     

基于混合编码的天文序列图像无损压缩算法

提出了一种将时间和空间双维度预测与混合熵编码结合的图像无损压缩算法,应用于星体定点成像的天文序列图像.时间与空间双维度预测可以消除天文序列图像的时间相关性和空间相关性.混合熵编码融合了高熵编码与低熵编码算法,充分利用预测误差分布的稀疏性,进一步提升压缩效率.针对星体的天文序列图像,该算法首先在时间维度上进行帧间预测,去除时间相关性,再对帧间预测后的图像在空间维度上进行直方图滤波和上下文预测,去除空间相关性,最后将预测误差送入熵编码器进行编码.实验结果表明,本文所提出算法的压缩效果优于JPEG-LS,平均压缩比提升约15%.该算法结构简单,计算复杂度较低,易于硬件实现,适合星载天文图像的无损压缩.     

蒸发液滴空间实验研究的图像反馈控制系统

提出了一种利用图像反馈控制系统测量液滴蒸发速率的方法.该系统主要由图像采集、图像处理、反馈控制三个部分组成.其工作原理是对CCD采集到的液滴图像进行分析,得到液滴的物性参数,利用控制注液器动态注入来维持液滴的大小,由此得到单位时间内的注入量,即液滴蒸发速率.或通过对液滴图像几何尺寸的计算,得到单位时间内液滴的变化量,进而得到液滴的蒸发速率.为了从动态变化的图像中准确找到液滴的轮廓,简单介绍了基于拉普拉斯方程,运用牛顿法和龙格库塔法等数值方法,对图像轮廓进行拟合的算法理论.以拟合得到的液滴轮廓为基础,利用数值积分计算液滴的表面积和体积,从而由体积的变化量确定蒸发速率.介绍了图像反馈控制系统的软件结构和硬件结构.并给出了利用其进行液滴蒸发测量得到的实验结果.该系统是为我国SJ-10返回式卫星上蒸发与流体界面效应空间实验研究项目专门开发的.     

三相线钉扎的大液滴蒸发实验

利用实践十号返回式科学实验卫星蒸发对流箱,开展了三相线处于钉扎状态且接触半径大于毛细长度的无水乙醇大滴在加热PTFE表面蒸发的地基科学实验。实验发现,液滴体积随时间线性递减,但钉扎大液滴蒸发过程中没有出现恒定接触角（CCA）阶段。与小液滴蒸发的恒定接触半径（CCR）阶段相同,大液滴的平均蒸发速率也与初始体积无关,表明受重力影响明显的大液滴蒸发主要发生在三相线附近区域。瞬时蒸发速率经历了迅速上升和之后的长时间内保持稳定两个阶段。与数值模拟结果对比分析发现,准静态扩散模型低估了三相线处于钉扎状态的大液滴瞬时蒸发速率,而同时考虑蒸气扩散与空气中自然对流经验模型的准确性取决于实验所用工质。     

基于截断重排的小波图像无损压缩算法

针对图像小波系数的能量聚集特性,提出一种基于截断重排的小波图像无损压缩算法。该算法在离散小波变换的基础上,对图像低频子带的小波系数先后按照大津法和希尔伯特曲线进行分类和重排,对图像各高频子带的小波系数分别根据信息熵代价函数进行自适应的奇异值截断变换,然后对截断重排后的所有小波系数进行熵编码,以实现图像无损压缩。实验结果表明,该算法实现简单,有效地降低了图像的编码比特率,提升了图像无损压缩的压缩比。     

天舟一号货运飞船空间实验装置蒸发相变地面实验

以天舟一号货运飞船为依托,开展空间蒸发相变传热规律的科学实验研究,探索重力对蒸发传热传质过程的影响规律.设计了一套地面蒸发实验平台,以蒸发相变液体FC-72为研究对象,通过红外热像仪测温、热流量计、差分热电偶等手段,观测FC-72液层在不同台面温度、注液量等情况下的相变界面变化、蒸发表面特性、流体物性及Marangoni对流涡胞的变化等,获取其蒸发两相流体的液层温度差、表面温度场、热流量值、蒸发速率和涡胞结构等.实验结果表明：在其他条件不变的情况下,FC-72液层与蒸发台面的温差越高,其蒸发速率越快;注液量越大,蒸发速率也越大;在蒸发过程中出现了浮力对流涡胞和Marangoni对流涡胞.此外,通过地面蒸发实验可以确定空间科学实验选用的实验介质和材料,进而优化确定空间科学实验的工况、参数及流程等,部分地面实验结果也将直接成为天地对比实验的科学成果.     

改进的帧内帧间模式选择快速算法

为提高I帧和P帧的编码效率,H.264视频编码标准采用多模式帧内预测和多子块模式帧间预测,并选择率失真最优的模式进行编码,导致编码复杂度很高.为此,提出一种基于小波变换的帧内模式快速选择结合帧间预测下帧内模式预判断的算法.利用小波变换后的低频子图做帧内模式选择,由此预判断宏块中每个4×4子块可能的预测模式,使原来9次的代价函数计算减少到平均3.75次;使用去均值的差值平方和,预判断宏块是否选择帧间预测下的帧内编码模式,减少P帧编码时间.实验表明,改进算法在峰值信噪比降低不超过0.0644dB的情况下,编码速度平均提高19%左右.      

蒸发效应与热毛细对流耦合现象的实验研究

实验研究了矩形液池中蒸发薄液居中蒸发效应与热毛细对流的耦合机理. 对于单纯的热毛细对流稳定性从实验和理论上已有深入研究,但目前国际上对带有菇发界面的热毛细对流问题尚缺乏研究. 特别是近来的研究发现,气液界面的蒸发对热毛细对流稳定性有很大的影响. 本实验以温度为主要控制参数,测量了不同工况下蒸发界面不同点的蒸发速率和表层温度,并利用 PIV 方法分析得到了液体内的嘛场分布. 实验结果发现,随着沿界面的温差增加,蒸发液体内的流型从稳定的单涡胞结构变为稳定的多祸胞结构,并最终演变为紊流结构. 综合分析以上测量结果并与理论分析结果进行了比较。     

空间低温溶液晶体生长的地基实验

首次使用疏水型聚四氟乙烯微孔滤膜,利用其透气不透水的特性,密封晶体生长容器,采用恒温蒸发法进行晶体生长.溶剂通过蒸发离开生长容器后,被生长容器外的吸附剂吸附,使得溶液维持一定过饱和度,以实现单晶的连续生长.在此基础上研制出一套空间低温溶液晶体生长地基模拟装置.利用此装置进行了一系列地基模拟实验,获得一批高质量α-LiIO₃单晶,证实了该生长装置的溶剂蒸发量和容器密封性能够满足空间低温溶液晶体生长需要,为未来空间低温溶液晶体生长实验奠定了基础.     

CCSDS无损数据压缩算法的实现与应用研究

无损数据压缩是航天应用和遥感系统的重要业务之一。对CCSDS(空间数据系统咨询委员会)推荐的数据无损压缩标准进行了分析研究,讨论了其推荐算法的基本原理和编码方法,然后基于DSP(数字信号处理器)实现了该算法并对代码进行了优化。实验结果表明,DSP实现的CCSDS标准的无损数据压缩算法的数据处理速率可达11Mbit/s,可用于那些不需要很高数据吞吐率的星上数据处理任务。最后讨论了CCSDS无损数据压缩标准是如何融入CCSDS体制的星载数据系统中的。     

基于FPGA的CCSDS星载数据无损压缩系统设计

星载数据的无损压缩对星载数据的存储和传输具有重要意义.CCSDS推荐的RICE算法对于实现数据的无损压缩具有很好的效果.本文针对RICE算法中k值选择算法计算量大的缺点,利用预处理样本最大值优化k值的方法,使优化后的算法计算复杂度更低,资源占用率更小,运行时间更短,但压缩比相近.利用FPGA进行硬件实现并通过仿真和试验测试,使星载数据的压缩比达到1.5以上,可以满足星载系统对数据压缩的要求,为星上其他载荷提供更多资源.     

探空火箭图像压缩算法研究

结合探空火箭图像系统需求, 提出了一种基于小波变换编码, 即基于MSPIHT的自适应差分算术编码(MSPIHT Adaptive Differential Arithmetic Coding for image, MADAC)的图像压缩算法. 该算法对经过量化编码之后的数据 进行熵编码. 实验结果表明, MADAC算法具备探空火箭图像系统所要求的分辨 率、帧速率及压缩率可调的功能, 且易于硬件实现.     

基于权重的层次矢量量化体压缩算法及其在空间环境中的应用

空间环境数据可视化是空间环境预报和服务的重要手段.目前基于矢量量化的压缩体绘制算法均只考虑了数据特点和压缩效果,并未结合具体应用需求.为适应空间环境体数据可视化具体应用需求,提出了一种应用驱动的压缩体绘制算法——基于权重的层次矢量量化算法（WHVQ）.算法将体数据划分为4³的数据块,并为数据块设置权重,重点关注区域的数据块赋予相对较大的权重值.然后,对各数据块用三层结构表示.最后,对次高层和最高层分别采用基于权重的主成分分析分裂法产生初始码书,并采用基于权重的LBG算法进行码书优化和量化.实验结果表明,该算法能够在保证整体压缩效果的同时,提升局部重点关注区域的重构质量.     

空间科学实验平台分布式风回路优化设计

空间科学实验平台是集机械、热控、电子学及通信等系统于一体的综合平台, 能够为有效载荷提供适宜的工作环境. 为减小通风回路的流动阻力, 提高空气流量及其散热能力, 对采用强迫通风冷却散热方式的空间科学实验平台分布式风回路提出三种结构布局并进行对比. 利用计算流体力学方法对三种布局的压力场和速度场进行了计算, 得到空间科学实验平台内部阻力和速度分布. 综合考虑三种布局的结构及流场阻力特性, 得到空间科学实验平台分布式风回路的优化设计结果.