led能32位吗

版本 : V1.1

发布日期 : 2008/08/28

文件名称 : SE50262_CHN_V11.pdf 页数 : 16

3232位位元LED LED定电流驱动芯片定电流驱动芯片定电流驱动芯片

SE50262

SE50262

LED 定电流驱动芯片

LED

3232 位元 L ED

芯片概述

SE50262是专为LED显示应用所设计的沉入电流式定电流驱动芯片。内建移位位元缓存器，数据锁存器，以及定电流电路组件于硅CMOS芯片上。32个输出通道的电流可由一外挂电阻调整。过温断电功能则可保护芯片避免在高温环境使用下而毁损。

芯片特色

芯片特色

定电流输出：5 ~ 50mA(以一外挂电阻调整)

最大输出承受电压：17V

最大频率：25MHz

过温保护功能：过温断电(当芯片接面温度带大于180℃)

芯片工作电压：4.5V ~ 5.5V

应用

室内／户外LED显示屏

LED交通可变情报板(VMS)

封装型式

SSOP48

LED 开/短路侦测器

16信道定电流驱动器

16位锁存缓存器

传感器

基准电压

LED 开/短路 选择器

功能方块图

温度传感器

基准电压

32信道恒流驱动器

32比特锁存缓存器

32比特位移缓存器

接脚图

脚位定义

编号 脚位名称 功能

1 GND 接地端

2 SDI 串行数据输入端

3 CLK 频率信号输入端，串行输入数据于频率信号的上缘时被取样

4 LE 锁存信号输入端，影像数据于锁存信号上升沿时，从移位缓存器传出。反之，则为锁存状态。 11 NC 未使用

5~44 OUT0~31 沉入式电流输出端 (open-drain)

45 OE 输出致能端 高电位时(‘H’)时，所有输出通道关闭

低电位时(‘L’)时，所有输出通道开启 46 SDO 串行数据输出端

47 REXT 外接电阻端，外接电阻应接于REXT 与GND 端之间以设定电流值 48

VDD

芯片工作电源端

GND SDI CLK LE OUT0 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 OUT5 NC GND GND GND OUT6 OUT7 OUT8 OUT9 OUT10 OUT11 OUT12 OUT13 OUT14 OUT15

VDD REXT SDO OE OUT31 OUT30 OUT29 OUT28 OUT27 OUT26 GND GND GND GND OUT25 OUT24 OUT23 OUT22 OUT21 OUT20 OUT19 OUT18 OUT17 OUT16

VDD

INPUT

GND

VDD

OUT

GND

输入及输出等效电路

1. CLK 、SDI 、LE 、OE 埠

2. SDO 埠

最大最大范围范围 (T a=25℃, Tj(max) = 120℃)

特性

符号 最大工作范围 单位 电源电压 VDD -0.3 ~ 7.0 V 输入电压 VIN -0.3 ~ VCC+0.3

V 输出电流 IOUT 50 mA 输出电压 VOUT -0.3 ~ 17 V 输入频率频率 FDCK 25 MHz 接地端电流

IGND 1600

mA 消耗功率(四层板PCB) PD 1.2 ( SSOP48 : Ta=25°C)

W 热阻值 Rth(j-a) 79.2 (SSOP48 ) ℃/W 工作温度 Top -40 ~ 85 ℃ 存放温度

Tstg

-55 ~ 150

℃

推荐工作推荐工作参数参数

特性

符号 条件 最小值 一般值 最大值 单位 电源电压 VDD ― 4.5 5.0 5.5 V 输出电压 VOUT 驱动器电流导通*1

1.0 ― 0.5VCC 输出电压 VOUT 驱动器电流关闭*2

― ― 17 V

IO OUTn

5 ― 50 IOH VOH = VCC - 0.2V ― ― +1.2 输出电流

IOL VOL = 0.2V ― ― -1.4 mA VIH 0.8VCC ― VCC V 输入电压

VIL VCC = 4.5V ~ 5.5V 0 ― 0.2VCC V 输入频率频率

FDCK 单一芯片运行状态

― ― 25 MHz

锁存信号(LE)脉波宽度 tw LE TBD ― ― 数据信号(CLK)脉波宽度 tw CLK TBD ― ― 致能信号(OE)脉波宽度

tw OE TBD ― ― 串行输入数据(SDI)的启动时间 tsetup(D) TBD ― ― 串行输入数据(SDI)的保持时间 thold(D) TBD ― ― 锁存信号(LE)的启动时间 tsetup(L) TBD ―

―

锁存信号(LE)的保持时间 thold(L) TBD ― ― 开/短路的启动时间 tsetup(OS) TBD ― ― 开/短路侦测反应时间

tdet

VCC = 5.0V

TBD

―

―

ns

电气特性 (VCC=5V,Ta=25℃ 除非另有规定)

特性

符号 测试条件 最小值 一般值

最大值 单位 输入电压-高电位(“H” Level) VIH CMOS 逻辑准位 0.8VCC ― VCC 输入电压-低电位(“L” Level) VIL CMOS 逻辑准位 GND

― 0.2VCC V 输出端漏电流

IOL VOH=17V ― ― ±1.0 uA VOL IOL=1.4mA ―

― 0.2

串行数据输出端(S-OUT)电压 VOH IOL=1.2mA VCC-0.2

― V 输出电流差异 (信道与信道间)*1 IOL1 ― ― ±4 % 输出电流差异 (芯片与芯片间)*2

IOL2 VOUT = 1.5V Rrext =250Ω ― ―

±10 %

输出电流对输出电压之变异率 % / VOUT Rrext=250Ω VOUT= 1V~3V ― ±0.1 ±0.5

输出电流对电源电压之变异率 % / VCC Rrext=250Ω ― ±1 ±4

% / V

LED 开路侦测起始电压 V(od) ― 0.3 ― LED 短路侦测起始电压 V(sd) 所有输出通道导通 ― 0.5VCC ― V 过混断电起始温度

T(sht) 芯片接面温度 ― 180 ― ℃

IDD(off) 上电后除了VCC 与GND 令其它所有脚位开路 ― 3.0 ― IDD(off)

当输入信号为稳态 Rrext=250Ω 所有输出通道关闭 ―

4.9

―

IDD(on)

当输入信号为稳态 Rrext=250Ω 所有输出通道开启 ―

6.4

―

IDD(on)

当输入信号为稳态 Rrext=125Ω 所有输出通道关闭 ―

12.7

―

电源端电流*3

IDD(on)

当输入信号为稳态 Rrext=125Ω 所有输出通道开启

―

15.4

―

mA

*1 输出电流差异(信道与信道间)定义为”任意Iout -

平均Iout ” 与 ”平均Iout ”的比率。平均Iout =（Imax+Imin ）/2

*2 输出电流差异(芯片与芯片间) 定义为任选两芯片之最大输出电流与最小输出电流的落差范围。 *3 IO 除外。

交流特性 (VCC=5V,Ta=25℃ 除非另有规定)

特性

符号

测试条件 最小值

一般值 最大值 单位

OE-to-OUT31 ― 64 ― LE-to-OUT31 ― 57 ― 延迟反应时间 (低电位到高电位)

CLK-to-SDO tpLH

― 25 ― OE-to-OUT31

― 17.5 ― LE-to-OUT31

― 25 ― 延迟反应时间

(高电位到低电位)

CLK-to-SDO

tpHL ― 20 ― 电流输出端的电位爬升时间 tor ― 50 ― 电流输出端的电位下降时间 tof ― 15 ―

输出通道间导通时间的延迟 (OUT (n)-to-OUT (n+1)) tod

VIH = VCC VIL = GND

Rrext = 2.2K Ω VL = 5.0V RL = 180Ω CL *1

= 13pF

―

2.2

―

ns

交流特性测试电路

CLK

SDI SDO

CLK LE

O

U T 31 (cu r re n t )

LE 时序图

1. CLK-SDI, SDO

2. CLK-LE

3. LE-OUT31

4.OE-OUT31

OE

O U T31

(curre nt)

5.OUT n+1-OUT n

O U T n+1

(cu r re n t)

O U T n

(cu r re n t)

6.OS-LE, CLK (OE=’L’) CLK

(op e ra tio n1)

LE

(o pe ra tion1)

CLK

(op e ra tio n2)

LE

(o pe ra tion2)

OS

(o pe n s ho rt)

OS

(s ho rt o p e n)

输出定电流设定

32个通道的输出定电流值由一外挂电阻设定，外挂电阻连接于接地端(GND)与外挂电阻端(REXT)之间。改变外挂电阻值，可以在5mA到50mA的范围内调节电流。REXT 端的参考电压(Vrext)约为1.2V。下表为输出电流值与外挂电阻设定参考值：

Iout(mA) 50 40 30 20

Rext(Ω) 180 230 310 480

串行数据接口

串行输入数据(SDI)于时钟信号(CLK)上升沿时传入32位移位存器，数据‘1’代表其对应的输出通道之电流导通、数据‘0’则表示关闭。数据于锁存信号(LE)上升沿的通时传入32位锁存器中；反之，资料则被闩锁住。锁存信号应于「影像数据所对应到的最后一个时钟信号下降沿」之后送出。串行输出数据（SDO）于时钟信号上升沿的同时从原芯片传出至下一级芯片。当致能信号（OE）维持在高电位时，所有输出通道关闭；反之，致能信号（OE）在低电位时，所有输出通道开启。

T( °C)

正常正常(芯片仍可工作的高温范围) 110°C 180°C

过温断电功能

当于过热的环境下 *** 作时，若芯片内部的半导体接面温度(junction temperature)上升超过约180℃，芯片会自动将所有电流输出通道关闭。关闭后，芯片将逐渐降温，直到接面温度回复到安全工作温度，亦即低于110°℃之后，才会重新启动所有电流输出通道的运行。若长时间于高温环境下 *** 作，将可能造成芯片的永久损坏。

输出通道分出通道分时导时导时导通通

系统于同一时间导通所有输出通道可能造成较大的突波电流(in-rush current)。为

减轻所造成的影响，SE50262

设计让每个输出通道间存在一固定的单位延迟(约 1.5ns)。输出延迟规 律为：OUT15 与 O UT31 皆无延迟；OUT14 与 O UT30 相对于 OUT15 及 O UT31 分别有 1 单位(约 1.5ns)的延迟；OUT13 与 O UT29 相对于 O UT15 及 O UT30 则分别有 2 单位的延迟；其它依此类推。

最大接面温度T j(℃) – 环境温度T a(℃) 最大散热功率P d(W) =

热阻值(℃/ Watt)

Pd(W)=V C C(V)×I DD(A)+Vout0×Iout0×Duty0+……+Vout31×Iout31×Duty15<Pd(max)(W)

整体亮度

整体亮度调调整

SE50262并无内建整体亮度调整功能。为获得较低分辨率的整体亮度调整效果，使用者可以利用以下两种方法：一为提供一与锁存信号同步的PWM信号源来控制使能端；二为调变外挂电阻的阻值或是改变外挂电阻两端之电位差，请参考以下电路图：

功率

需注意到芯片的散热功率受到封装与环境温度的限制，故在设定最大输出电流值时需考虑到实际 *** 作条件。最大可散热功率可由下式来计算:

MCU是Microcontroller Unit 的简称，中文叫微控制器，俗称单片机，是把CPU的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制，诸如手机、PC外围、遥控器，至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到MCU的身影。

单片机发展简史

单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。 它的产生与发展和微处理器（CPU）的产生与发展大体同步，自1971年美国英特尔公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段。下面以英特尔公司的单片机发展为代表加以介绍。

1971年~1976年

单片机发展的初级阶段。 1971年11月英特尔公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器英特尔4004，并配有RAM、 ROM和移位寄存器， 构成了第一台MCS—4微处理器， 而后又推出了8位微处理器英特尔8008， 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。

1976年~1980年

低性能单片机阶段。 以1976年英特尔公司推出的MCS—48系列为代表， 采用将8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构， 虽然其寻址范围有限（不大于4 KB）， 也没有串行I/O， RAM、 ROM容量小， 中断系统也较简单， 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。

1980年~1983年

高性能单片机阶段。 这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统， 多个16位定时器/计数器。片内RAM、 ROM的容量加大，且寻址范围可达64 KB，个别片内还带有A/D转换接口。

1983年~80年代末

16位单片机阶段。 1983年英特尔公司又推出了高性能的16位单片机MCS－96系列，由于其采用了最新的制造工艺， 使芯片集成度高达12万只晶体管/片。

1990年代

单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。

单片机的分类及应用

MCU按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用（典型为8031）；带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型（典型芯片为87C51）、MASK片内掩模ROM型（典型芯片为8051）、片内Flash型（典型芯片为89C51）等类型。

按用途可分为通用型和专用型；根据数据总线的宽度和一次可处理的数据字节长度可分为8、16、32位MCU。

目前，国内MCU应用市场最广泛的是消费电子领域，其次是工业领域、和汽车电子市场。消费电子包括家用电器、电视、游戏机和音视频系统等。工业领域包括智能家居、自动化、医疗应用及新能源生成与分配等。汽车领域包括汽车动力总成和安全控制系统等。

单片机的基本功能

对于绝大多数MCU，下列功能是最普遍也是最基本的，针对不同的MCU，其描述的方式可能会有区别，但本质上是基本相同的：

TImer(定时器)：TImer的种类虽然比较多，但可归纳为两大类：一类是固定时间间隔的TImer，即其定时的时间是由系统设定的，用户程序不可控制，系统只提供几种固定的时间间隔给用户程序进行选择，如32Hz，16Hz，8Hz等，此类TImer在4位MCU中比较常见，因此可以用来实现时钟、计时等相关的功能。

另一类则是Programmable Timer(可编程定时器)，顾名思义，该类Timer的定时时间是可以由用户的程序来控制的，控制的方式包括：时钟源的选择、分频数(Prescale)选择及预制数的设定等，有的MCU三者都同时具备，而有的则可能是其中的一种或两种。此类Timer应用非常灵活，实际的使用也千变万化，其中最常见的一种应用就是用其实现PWM输出。

由于时钟源可以自由选择，因此，此类Timer一般均与Event Counter(事件计数器)合在一起。

IO口：任何MCU都具有一定数量的IO口，没有IO口，MCU就失去了与外部沟通的渠道。根据IO口的可配置情况，可以分为如下几种类型：

纯输入或纯输出口：此类IO口有MCU硬件设计决定，只能是输入或输出，不可用软件来进行实时的设定。

直接读写IO口：如MCS-51的IO口就属于此类IO口。当执行读IO口指令时，就是输入口当执行写IO口指令则自动为输出口。

程序编程设定输入输出方向的：此类IO口的输入或输出由程序根据实际的需要来进行设定，应用比较灵活，可以实现一些总线级的应用，如I2C总线，各种LCD、LED Driver的控制总线等。

对于IO口的使用，重要的一点必须牢记的是：对于输入口，必须有明确的电平信号，确保不能浮空(可以通过增加上拉或下拉电阻来实现)而对于输出口，其输出的状态电平必须考虑其外部的连接情况，应保证在Standby或静态状态下不存在拉电流或灌电流。

外部中断：外部中断也是绝大多数MCU所具有的基本功能，一般用于信号的实时触发，数据采样和状态的检测，中断的方式由上升沿、下降沿触发和电平触发几种。外部中断一般通过输入口来实现，若为IO口，则只有设为输入时其中断功能才会开启若为输出口，则外部中断功能将自动关闭(ATMEL的ATiny系列存在一些例外，输出口时也能触发中断功能)。外部中断的应用如下：

外部触发信号的检测：一种是基于实时性的要求，比如可控硅的控制，突发性信号的检测等，而另一种情况则是省电的需要。

信号频率的测量，为了保证信号不被遗漏，外部中断是最理想的选择。

数据的解码：在遥控应用领域，为了降低设计的成本，经常需要采用软件的方式来对各种编码数据进行解码，如Manchester和PWM编码的解码。

按键的检测和系统的唤醒：对于进入Sleep状态的MCU，一般需要通过外部中断来进行唤醒，最基本的形式则是按键，通过按键的动作来产生电平的变化。

通讯接口：MCU所提供的通讯接口一般包括SPI接口，UART，I2C接口等，其分别描述如下：

SPI接口：此类接口是绝大多数MCU都提供的一种最基本通讯方式，其数据传输采用同步时钟来控制，信号包括：SDI(串行数据输入)、SDO(串行数据输出)、SCLK(串行时钟)及Ready信号有些情况下则可能没有Ready信号此类接口可以工作在Master方式或Slave方式下，通俗说法就是看谁提供时钟信号，提供时钟的一方为Master，相反的一方则为Slaver。

UART（Universal Asynchronous Receive Transmit）：属于最基本的一种异步传输接口，其信号线只有Rx和Tx两条，基本的数据格式为：Start Bit + Data Bit(7-bits/8-bits) + Parity Bit(Even， Odd or None) + Stop Bit(1~2Bit)。一位数据所占的时间称为Baud Rate(波特率)。

对于大多数的MCU来讲，数据为的长度、数据校验方式(奇校验、偶校验或无校验)、停止位(Stop Bit)的长度及Baud Rate是可以通过程序编程进行灵活设定。此类接口最常用的方式就是与PC机的串口进行数据通讯。

I2C接口：I2C是由Philips开发的一种数据传输协议，同样采用2根信号来实现：SDAT(串行数据输入输出)和SCLK(串行时钟)。其最大的好处是可以在此总线上挂接多个设备，通过地址来进行识别和访问I2C总线的一个最大的好处就是非常方便用软件通过IO口来实现，其传输的数据速率完全由SCLK来控制，可快可慢，不像UART接口，有严格的速率要求。

Watchdog（看门狗定时器）：Watchdog也是绝大多数MCU的一种基本配置(一些4位MCU可能没有此功能)，大多数的MCU的Watchdog只能允许程序对其进行复位而不能对其关闭(有的是在程序烧入时来设定的，如Microchip PIC系列MCU)，而有的MCU则是通过特定的方式来决定其是否打开，如Samsung的KS57系列，只要程序访问了Watchdog寄存器，就自动开启且不能再被关闭。一般而言watchdog的复位时间是可以程序来设定的。Watchdog的最基本的应用是为MCU因为意外的故障而导致死机提供了一种自我恢复的能力。

单片机的学习窍门

任何一款MCU，其基本原理和功能都是大同小异，所不同的只是其外围功能模块的配置及数量、指令系统等。

对于指令系统，虽然形式上看似千差万别，但实际上只是符号的不同，其所代表的含义、所要完成的功能和寻址方式基本上是类似的。

要了解一款MCU，首先需要知道就是其ROM空间、RAM空间、IO口数量、定时器数量和定时方式、所提供的外围功能模块（Peripheral Circuit）、中断源、工作电压及功耗等等。

了解这些MCU Features后，接下来第一步就是将所选MCU的功能与实际项目开发的要求的功能进行对比，明确哪些资源是目前所需要的，哪些是本项目所用不到的。

对于项目中需要用到的而所选MCU不提供的功能，则需要认真理解MCU的相关资料，以求用间接的方法来实现，例如，所开发的项目需要与PC机COM口进行通讯，而所选的MCU不提供UART口，则可以考虑用外部中断的方式来实现。

对于项目开发需要用到的资源，则需要对其Manua*进行认真的理解和阅读，而对于不需要的功能模块则可以忽略或浏览即可。对于MCU学习来讲，应用才是关键，也是最主要的目的。

明确了MCU的相关功能后，接下来就可以开始编程了。

对于初学者或初次使用此款MCU的设计者来说，可能会遇到很多对MCU的功能描述不明确的地方，对于此类问题，可以通过两种方法来解决，一种是编写特别的验证程序来理解资料所述的功能另一种则可以暂时忽略，单片机程序设计中则按照自己目前的理解来编写，留到调试时去修改和完善。前一种方法适用于时间较宽松的项目和初学者，而后一种方法则适合于具有一定单片机开发经验的人或项目进度较紧迫的情况。

指令系统千万不要特别花时间去理解。指令系统只是一种逻辑描述的符号，只有在编程时根据自己的逻辑和程序的逻辑要求来查看相关的指令即可，而且随着编程的进行，对指令系统也会越来越熟练，甚至可以不自觉地记忆下来。

单片机的程序编写

MCU的程序的编写与PC下的程序的编写存在很大的区别，虽然现在基于C的MCU开发工具越来越流行，但对于一个高效的程序代码和喜欢使用汇编的设计者来讲，汇编语言仍然是最简洁、最有效的编程语言。

对于MCU的程序编写，其基本的框架可以说是大体一致的，一般分为初始化部分(这是MCU程序设计与PC最大的不同)，主程序循环体和中断处理程序三大部分，其分别说明如下：

初始化：对于所有的MCU程序的设计来讲，出世化是最基本也是最重要的一步，一般包括如下内容：

屏蔽所有中断并初始化堆栈指针：初始化部分一般不希望有任何中断发生。

清除系统的RAM区域和显示Memory：虽然有时可能没有完全的必要，但从可靠性及一致性的角度出发，特别是对于防止意外的错误，还是建议养成良好的编程习惯。

IO口的初始化：根据项目的应用的要求，设定相关IO口的输入输出方式，对与输入口，需要设定其上拉或下拉电阻对于输出口，则必须设定其出世的电平输出，以防出现不必要的错误。

中断的设置：对于所有项目需要用到的中断源，应该给予开启并设定中断的触发条件，而对于不使用的多余的中断，则必须给予关闭。

其他功能模块的初始化：对于所有需要用到的MCU的外围功能模块，必须按项目的应用的要求进行相应的设置，如UART的通讯，需要设定Baud Rate，数据长度，校验方式和Stop Bit的长度等，而对于Programmer Timer，则必须设置其时钟源，分频数及Reload Data等。

参数的出世化：完成了MCU的硬件和资源的出世化后，接下来就是对程序中使用到的一些变量和数据的初始化设置，这一部分的初始化需要根据具体的项目及程序的总体安排来设计。对于一些用EEPROM来保存项目预制数的应用来讲，建议在初始化时将相关的数据拷贝到MCU的RAM，以提高程序对数据的访问速度，同时降低系统的功耗（原则上，访问外部EEPROM都会增加电源的功耗）。

主程序循环体：大多数MCU是属于长时间不间断运行的，因此其主程序体基本上都是以循环的方式来设计，对于存在多种工作模式的应用来讲，则可能存在多个循环体，相互之间通过状态标志来进行转换。对于主程序体，一般情况下主要安排如下的模块：

计算程序：计算程序一般比较耗时，因此坚决反对放在任何中断中处理，特别是乘除法运算。

显示传输程序：主要针对存在外部LED、LCD Driver的应用。

中断处理程序：中断程序主要用于处理实时性要求较高的任务和事件，如，外部突发性信号的检测，按键的检测和处理，定时计数，LED显示扫描等。

一般情况下，中断程序应尽可能保证代码的简洁和短小，对于不需要实时去处理的功能，可以在中断中设置触发的标志，然后由主程序来执行具体的事务――这一点非常重要，特别是对于低功耗、低速的MCU来讲，必须保证所有中断的及时响应。

对于不同任务体的安排，不同的MCU其处理的方法也有所不同。

例如，对于低速、低功耗的MCU(Fosc=32768Hz)应用，考虑到此类项目均为手持式设备和采用普通的LCD显示，对按键的反应和显示的反应要求实时性较高，应此一般采用定时中断的方式来处理按键的动作和数据的显示；而对于高速的MCU，如Fosc》1MHz的应用，由于此时MCU有足够的时间来执行主程序循环体，因此可以只在相应的中断中设置各种触发标志，并将所有的任务放在主程序体中来执行。

在MCU的程序设计中，还需要特别注意的一点就是：要防止在中断和主程序体中同时访问或设置同一个变量或数据的情况。有效的预防方法是，将此类数据的处理安排在一个模块中，通过判断触发标志来决定是否执行该数据的相关 *** 作；而在其他的程序体中(主要是中断)，对需要进行该数据的处理的地方只设置触发的标志。――这可以保证数据的执行是可预知和唯一的。

全球主流单片机制造商

欧美地区

1、Freescale+NXP（飞思卡尔+恩智浦）：荷兰，主要提供16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、LED和普通照明、医疗保健、多媒体融合、家电和电动工具、楼宇自动化技术电机控制、电源和功率转换器、能源和智能电网、自动化、计算机与通信基础设施。

2、Microchip+Atmel（微芯科技+爱特梅尔）：美国，主要提供16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、工业用、电机控制、汽车、楼宇自动化、家用电器、家庭娱乐、工业自动化、照明、物联网、智能能源、移动电子设备、计算机外设。

3、Cypress+Spansion（赛普拉斯+飞索半导体）：美国，主要提供8位、16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、家用电器、医疗、消费类电子、通信与电信、工业、无线。

4、ADI（亚德诺半导体）：美国，主要提供8位、16位、32位MCU。应用范围：航空航天与国防、汽车应用 、楼宇技术 、通信 、消费电子 、能源 、医疗保健 、仪器仪表和测量 、电机、工业自动化 、安防。

5、Infineon（英飞凌）：德国，主要提供16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、消费电子、工程、商用和农用车辆、数据处理、电动交通、工业应用、医疗设备、移动设备、电机控制与驱动、电源、面向摩托车电动自行车与小型电动车、智能电网、照明、太阳能系统解决方案、风能系统解决方案。

6、ST Microelectronics（意法半导体）：意大利/法国，主要提供32位MCU。应用范围：LED和普通照明、交通运输、医疗保健、多媒体融合、家电和电动工具、楼宇自动化技术电机控制、电源和功率转换器、能源和智能电网、自动化、计算机与通信基础设施。

7、Qualcomm（高通）：美国，主要提供16位，32位MCU。应用范围：智能手机、平板电脑、无线调制解调器。

8、Texas Instruments（德州仪器）：美国，主要提供16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、消费电子、医疗设备、移动设备、通信。

9、Maxim（美信）：美国，主要提供32位MCU。应用范围：汽车电子、消费电子、工业应用、安防。

日韩地区

1、Renesas（瑞萨）：日本，主要提供16位、32位MCU。应用范围：电脑及外设、消费类电子、健康医疗电子、汽车电子、工业、通信。

2、Toshiba（东芝）：日本，主要提供16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、工业用、电机控制、无线通信、移动电话、电脑与周边设备、影像及音视频、消费类(家电)、LED照明、安全、电源管理、娱乐设备。

3、Fujitsu（富士通）：日本，主要提供32位MCU。应用范围：汽车、医疗、机械，家电。

4、Samsung Electronics（三星电子）：韩国，主要提供16位、32位MCU。应用范围：汽车电子、工业用、电机控制、汽车、楼宇自动化、家用电器、家庭娱乐、工业自动化、照明、物联网、智能能源、移动电子设备、计算机外设。

台湾地区

1、宏晶科技：台湾，主要提供32位MCU。应用范围：通信、工业控制、信息家电、语音。

2、盛群半导体：台湾，主要提供8位、32位MCU。应用范围：消费电子、LED照明等。

3、凌阳科技：台湾，主要提供8位、16位MCU。应用范围：家庭影音。

4、中颖电子：台湾，主要提供4位、8位MCU。应用范围：充电器、移动电源、家电、工业控制。

5、松翰科技：台湾，主要提供8位、32位MCU。应用范围：摇控器、智能型充电器、大小系统、电子秤、耳温q、血压计、胎压计、各类量测及健康器材。

6、华邦电子：台湾，主要提供8位、16位MCU。应用范围：车用电子、工业电子、网络、计算机、消费电子、物联网。

7、十速科技：台湾，主要提供4位、8位、51位MCU。应用范围：遥控器、小家电。

8、佑华微电子：台湾，主要提供4位、8位MCU。应用范围：录音集成电路产品、消费电子、家用产品。

9、应广科技单片机：台湾，主要提供4位、8位MCU。应用范围：机械、自动化、家电、机器人。

10、义隆电子：台湾，主要提供8位、16位MCU。应用范围：消费电子、电脑、智能手机。

大陆地区

1、希格玛微电子：主要提供32位MCU，应用范围：电信、制造、能源、交通、电力等。

2、珠海欧比特：主要提供32位MCU，应用范围：航空航天：星箭站船、飞行器高端工控：嵌入式计算机舰船控制、工业控制、电力设备、环境监控。

3、兆易创新：主要提供32位MCU，应用范围：工业自动化、人机界面、电机控制、安防监控、智能家居、物联网。

4、晟矽微电子：主要提供8位、32位MCU，应用范围：小家电、消费类电子、遥控器、鼠标、锂电池、数码产品、汽车电子、医疗仪器及计量、玩具、工业控制、智能家居及安防等领域。

5、芯海科技：主要提供16、32位MCU，应用范围：仪器仪表、物联网、消费电子、家电、汽车电子。

6、联华集成电路：主要提供8位、16位MCU，应用范围：消费电子、白色家电、工业控制、通信设备、汽车电子、计算机。

7、珠海建荣：主要提供8位MCU，应用范围：家用电器 、移动电源。

8、炬芯科技：主要提供8位至32位MCU，应用范围：平板电脑、智能家居、多媒体、蓝牙、wifi音频。

9、爱思科微电子：主要提供8位、16位MCU，应用范围：消费类芯片、通讯类芯片、信息类芯片、家电。

10、华芯微电子：主要提供8位、4位MCU，应用范围：卫星接收器、手机充电器、万年历、多合一遥控器。

11、上海贝岭（华大半导体控股）：主要提供8位、16位、32位MCU，应用范围：计算机周边、HDTV、电源管理、小家电、数字家电。

12、海尔集成电路：主要提供14位、15位、16位MCU，应用范围：消费电子、汽车电子、工业、智能仪表。

13、北京君正：主要提供32位MCU，应用范围：可穿戴式设备、物联网、智能家电、汽车、费类电子、平板电脑。

14、中微半导体：主要提供8位MCU，应用范围：智能家电、汽车电子、安防监控、LED照明及景观、智能玩具、智能家居、消费类电子。

15、神州龙芯集成电路：主要提供32位MCU，应用范围：电力监控、智能电网、工业数字控制、物联网、智能家居、数据监控。

16、紫光微电子：主要提供8位、16位MCU，应用范围：智能家电。

17、时代民芯：主要提供32位MCU，应用范围：汽车导航、交通监控、渔船监管、电力电信网络。

18、华润矽科微电子（华润微旗下公司）：主要提供8位、16位MCU，应用范围：消费电子、工业控制、家电。

19、国芯科技：主要提供32位MCU，应用范围：信息安全领域 、办公自动化领域、通讯网络领域、 信息安全领域。

20、中天微：主要提供32位MCU，应用范围：智能手机、数字电视、机顶盒、汽车电子、GPS、电子阅读器、打印机。

21、华润微电子：主要提供8位、16位MCU，应用范围：家电，消费类电子、工业自动化控制的通用控制电路。

22、中颖电子：主要提供4位、8位、16位、32位MCU，应用范围：家电、电机。

23、灵动微电子：主要提供32位，应用范围：电机控制、蓝牙控制、高清显示、无线充、无人机、微型打印机、智能标签、电子烟、LED点阵屏等。

24、新唐科技：主要提供8位MCU，应用范围：照明、物联网等。

25、东软载波：主要提供8位、32位MCU，应用范围：家电、智能家居、仪器仪表、液晶面板控制器、工业控制等。

26、贝特莱：主要提供32位MCU，应用范围：智能家居、工业控制以及消费类产品领域。

27、笙泉科技：主要提供8位MCU，应用范围：车用、教育、工控、医疗等中小型显示面板。

28、航顺芯片：主要提供8位、32位MCU，应用范围：汽车、物联网等。

29、复旦微电子：主要提供16位、32位MCU，应用范围：智能电表、智能门锁等。

30、华大半导体：主要提供8位、16位、32位MCU，应用范围：工业控制、智能制造、智慧生活及物联网等。

摘要：先进天基太阳天文台(ASO-S)是计划于2021年底或2022年上半年发射的中国首颗综合性太阳探测卫星,莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)作为ASO-S的有效载荷之一,具体包括莱曼阿尔法全日面成像仪(SDI)、日冕仪(SCI)以及白光望远镜(WST) 3台科学仪器和2台导行镜(GT),其主要目标是在多个波段对太阳上的两类剧烈爆发现象(太阳耀斑和日冕物质抛射)进行连续不间断的高分辨率观测.为了实现这一观测目标, LST所有仪器的观测模式中均包含了一种针对爆发事件而设置的爆发模式.该模式下, SCI将以更高的频率进行图像采集, SDI和WST则以更高的频率对爆发所在区域进行图像采集.测试结果表明,观测图像经过中值滤波、像元合并处理后,可以通过监测图像各像元亮度的相对变化提取爆发事件的时间和位置信息.这些信息将为LST观测模式间的相互切换提供重要电子学输入.

关键词： 太阳 探测器 日冕 日冕物质抛射 耀斑

1、引言

太阳是太阳系的中心,也是距离我们最近的一颗恒星,它孕育了地球的万物.太阳耀斑和日冕物质抛射(CME)是太阳大气乃至整个行星际空间能量释放最为剧烈的两类爆发现象,蕴含着丰富的物理过程[1,2,3,4].太阳磁场是引起太阳活动的一个根本原因,是太阳上各种活动现象的能量来源.对于它们的研究,既能加深人们对太阳的认识和理解,又能帮助人们理解宇宙中其他恒星上发生的类似现象[5,6].同时,太阳具有地面等离子体实验室无法模拟的高温、高压等极端等离子体环境,是天然的等离子体实验室.因此,发生在太阳上的各种物理现象对实验室等离子体的研究具有重要的指导意义.此外,太阳爆发对空间天气的影响又使得对太阳爆发的研究具有重大的现实意义[7,8].

先进天基太阳天文台(ASO-S)是计划于2021年底或2022年上半年发射的我国首颗太阳探测卫星[9].它的科学目标主要是为了研究太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射的起源及3者之间可能存在的因果关系.莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)作为ASO-S的有效载荷之一,具体由莱曼阿尔法全日面成像仪(SDI)、莱曼阿尔法日冕仪(SCI)、白光太阳望远镜(WST)3台科学仪器和2台导行镜(GT)组成,其主要功能是进行全日面(0到1.2倍太阳半径)和内日冕(1.1到2.5倍太阳半径)的成像观测,获取满足科学需求的高分辨率图像,包括:莱曼阿尔法波段(121.6 nm)的全日面和内日冕图像、白光波段(360 nm)的全日面高分辨率图像以及白光波段(700 nm)的内日冕高分辨率线偏振亮度图像[10,11,12].

对于耀斑和暗条爆发等快变活动现象的研究通常需要较高的时间分辨率,特别是变化快、时间短的白光耀斑.为了能够实现对太阳爆发事件的高分辨观测,LST各仪器的观测模式中均包含了一种针对爆发事件而设置的模式,即爆发模式[10].该模式下,各仪器将以最快的速度和最高的分辨率进行科学数据采集.同时,采集的数据也以尽可能高的数传率下传.然而,在爆发模式下,如果在不改变空间分辨率的情况下继续进行全日面成像观测,探测器将产生巨大的数据量,尤其是对于4608 4608像元的SDI和WST,这将为星载的数据存储与传输带来巨大的困难.为了克服以上困难并且确保科学目标的实现,SDI和WST在爆发模式期间均采取了开窗观测,即探测器在有爆发事件发生时选择读取爆发区域附近的1024 1024像元区域.这样一来,我们需要在太阳爆发事件的初始时刻对事件的爆发时间和发生位置等信息进行提取,以便能及时地进行观测模式的切换.SCI无需开窗,但在事件爆发期间需要以更高频率进行数据采集,因此SCI需要爆发的初始时间信息.

ASO-S没有单独用于爆发事件识别的独立探测系统,因此,LST需要根据自身需求,发展出一套属于自己的爆发模式触发和终止方案.下文将就该方案做具体论述.

2、SDI爆发模式触发及终止方案

SDI的观测模式均包含了常规、爆发和用户3种观测模式[10].在常规模式,为了能够尽可能早地识别爆发事件并及时切换至爆发模式,SDI以较快的频率进行数据采集(每10 s采集1幅全日面图像).然而,由于受到星载数据存储器容量和星地链路带宽的限制,此模式下采集的图像仅部分下传至地面(每间隔采集3幅经卫星下传1幅,即地面接受到相邻图片间的时间间隔为40 s).当SDI接收到来自星载计算机的爆发模式触发信号时,在完成当前图像采集后,随即进入爆发模式.爆发模式下,SDI每4 s进行一次开窗观测(开窗区域的中心位置为耀斑的发生位置,开窗区域大小为1024 1024像元),每40 s穿插进行一次全日面观测.爆发模式期间采集的所有图像均下传.进入爆发模式后,星载计算机开始对爆发模式的终止信号进行判断,当满足终止条件时,SDI自动退出爆发模式.

一般情况下,太阳耀斑在初始阶段的辐射强度较低且增加缓慢,要想及时地把它们从复杂的太阳背景辐射中检测出来,简单地基于全日面辐射流量的阈值检测是远远不够的.我们的算法是将最新采集的全日面图像与先前采集的背景图像进行比较,通过设定一定的阈值来判断耀斑的起始和结束.该算法完全基于SDI在常规模式及爆发模式下采集的全日面图像而设计,开窗观测产生的太阳部分像不参与计算.考虑到星载计算机有限的计算资源,本算法力求简单,主要包括以下几个步骤:

(1)中值滤波.当空间望远镜在外太空工作时,互补式金属氧化物半导体(CMOS)探测器容易受到空间宇宙线(高能粒子流)的轰击,致使观测图像上出现一些孤立且突然增亮的像元,进而引起观测模式误触发.这些误触发不仅浪费了有限的数据存储资源,还会干扰正常耀斑的识别,因此,在对耀斑识别之前,我们采取一定手段对这些孤立的噪声点进行去除.中值滤波是一种基于排序统计理论并能有效抑制噪声的非线性信号处理技术,它将观测图像上每一点的像素值设置为该点邻域窗口(即相邻的像元组成的一个窗口)内所有点的中值,进而消除孤立宇宙线带来的影响.具体来讲,当CMOS探测器采集到一幅全日面图像时,我们首先对该图像上的每一个像元进行中值滤波处理,滤波窗口的大小为3 3像元

(2)像元合并.CMOS探测器采集到的全日面图像具有较高的分辨率(包含4608 4608像元),如果对每个像元都进行阈值判断,将消耗很大的计算量.为了降低参与计算的像元数,在对当前图像进行阈值判断之前,我们对能够覆盖整个日面及其边缘的4096 4096像元进行邻近像元合并(即每相邻128 128像元合并成一个超级像元,超级像元的像素值为被合并像元的平均值),得到一个由32 32个超级像元组成的低分辨图像.像元合并后的图像记为Fn(i,j),其中n代表采集到的图像序列号,i和j分别代表图像沿水平和竖直方向的像元坐标(i=0,···,31j=0,···,31).该步骤可有效地降低背景噪声以及以下步骤中所需的计算量

(3)中值背景计算.判断日面事件是否爆发的一个主要参照标准是事件爆发前的背景亮度.本方案中,我们滚动保存当前观测前6 min内采集到的图像,用于参照背景的计算(注意,这些图像均已经过中值滤波、像元合并处理).为了过滤掉异常像元以及耀斑早期辐射带来的影响,我们对图像上每个像元沿时间方向取中值,得到一个中值背景,然后以该中值背景为参照标准来对当前图像进行判断.为降低中值计算量,并且保证6 min的时间跨度,我们每间隔40 s取1幅,滚动保存9幅图像用于中值背景计算.考虑到SDI在不同观测模式下不同的采样频率,常规观测模式下我们每采集4幅取1幅用于中值背景计算,进入爆发模式后,采集到的每一幅全日面图像均用于中值背景计算.由此计算到的中值背景记为Fref(i,j)(其中i=0,···,31j=0,···,31)

(4)阈值图像计算,判断触发和终止.经过以上步骤的预处理,本步骤开始计算用于判断爆发模式触发和终止的阈值图像γn(i,j).γn(i,j)代表采集到的第n幅图像上横纵坐标分别为i,j的像元接收到的辐射强度相对于参照背景的变化量.具体表达式如下:

其中g是为了避免背景亮度过小而引入的一个背景亮度补充因子.注意,为了提高算法对微弱信号的敏感度,我们对当前观测与参照背景间的差分图像进行了平方运算.假设γ1和γ2分别为爆发模式的触发和终止阈值,当阈值图像上的像元满足

(本文称之为触发像元)且像元数NP介于NP1和NP2之间时,触发爆发模式,反之则继续进行常规模式观测.注意,NP1和NP2代表触发像元数的下限和上限,分别是为了滤掉一些小耀斑和避免粒子暴事件带来的误触发.进入爆发模式后,星载计算机继续计算阈值图像,并开始对爆发模式的终止信号进行判断,当阈值图像中没有像元满足

即阈值图像上所有像元的数值均降到终止阈值以下,退出爆发模式,反之则继续进行爆发模式观测.注意,为避免反复进入,终止阈值应不大于触发阈值,即γ2γ1.

考虑到现场可编程逻辑门阵列(FPGA)在进行除法运算时的困难,我们将(1)式代入(2)式和(3)式,并进行简单变形得到

分别用Qn,1(i,j)、Qn,2(i,j)表示(4)式和(5)式的左侧,即

(2)式和(3)式分别等价于,

常规观测模式下,我们使用(6)式计算阈值图像,并将阈值图像满足(8)式的像元标记为触发像元,当触发像元数大于NP1且小于NP2时,进入爆发模式,反之则继续进行常规模式观测.爆发模式下,我们改用(7)式计算阈值图像,当阈值图像满足(9)式的像元数降为零时,退出爆发模式,反之则继续进行爆发模式的观测.需要强调的是,在对爆发模式触发条件进行判断时,考虑到太阳爆发事件的源区都是在日面上,我们把对触发像元的查找范围限制在1.1倍太阳半径范围之内.在对爆发模式退出条件进行判断时,为了避免开窗区域之外的爆发带来的干扰,我们把对满足(9)式的像元的查找范围限制在开窗区域内.

图1是根据以上步骤设计的SDI星上检测软件工作原理流程图,其中R 为太阳半径.表1给出了SDI星上检测软件需要上注的自由参数列表.在卫星测试阶段,我们需要根据实际观测,对这些参数进行适当的调整,以使得对爆发的探测达到最佳效果.

图1 LST/SDI爆发模式触发和终止方案示意图

表1 LST/SDI爆发事件星上检测软件的自由参数

3、WST爆发模式触发及终止方案

WST的观测模式也包含常规、爆发和用户3种模式.WST的爆发模式设置较SDI略为简单.在常规模式下,WST每10 s采集1幅全日面图像,每间隔采集11幅经卫星下传1幅(即地面接受到图像的时间间隔为120 s).当WST接收到爆发模式的触发信号(由SDI提供的触发信息给出),在完成当前图像采集后,随即进入爆发模式.进入爆发模式后,WST进行开窗观测(窗口大小同样为1024 1024像元),并且每120 s穿插进行一次全日面观测.开窗区域的中心位置同样由SDI提供的触发信息给出.爆发模式期间,WST的开窗观测采用两种采样间隔,分别对应观测的两个阶段(第1阶段5 min,第2阶段为设置(上注)的WST耀斑时长减去5 min),第1阶段采样间隔为1 s,第2阶段为2 s,图像采样后即下传,待两个阶段的观测结束,WST强制退出爆发模式.

4、SCI爆发模式触发及终止方案

SCI仪器在莱曼阿尔法波段和白光波段对太阳大气低日冕(日心距离从1.1倍太阳半径到2.5倍太阳半径)进行观测,其观测模式同样包括常规、爆发和用户3种模式[10].SCI爆发模式的触发和终止是基于SCI在白光波段的观测进行判断的.白光波段的偏振亮度观测是在3个线偏振角度(-60 、0 和60 )上进行的[13],数据的采集从-60 开始,然后依次在0 和60 采集图像,每采集一遍得到一组观测数据.在常规模式下,每30 s采集一组数据,每采集两组数据下传一组,即每60 s下传一组数据.一旦有CME等爆发事件发生,SCI将快速切换至爆发模式.爆发模式期间,SCI的采样间隔保持不变(仍为30 s一组数据),但采集到的每一组数据均下传(下传间隔变为30 s).SCI爆发模式的触发和终止方案与SDI类似,但又略有不同.不同之处在于SCI不需要开窗,因此不需要提供爆发的位置信息,只需要提供爆发模式触发和终止的时间信息即可.具体方案如下:

(1)SCI在白光波段采集的每一组数据相加,得到3个线偏振角度上的总强度图像(图2中patrol image)

(2)总强度图像经中值滤波(滤波窗口为3 3像元)、像元合并等处理,得到一个由32 32个超级像元构成的低分辨图像(图2中Fn(i,j)).关于中值滤波及像元合并,请参考第2节

(3)滚动保存当前观测前6.5 min内经上述步骤处理过的低分辨图像(共13幅),并对这些图像的每个像元沿时间方向取中值,得到一个中值背景(图2中Fref(i,j))

(4)计算SCI阈值图像(计算公式同SDI),并对爆发模式的触发和终止进行判断.在常规模式下,我们采用(6)式计算阈值图像,并将满足(8)式的像元标记为触发像元,当触发像元数大于NP1且小于NP2时,SCI观测模式迅速切换至爆发模式,反之则继续进行常规模式观测.爆发模式下,我们改用(7)式计算阈值图像,阈值图像上满足(9)式的像元数降为零时,SCI退出爆发模式,反之则继续进行爆发模式观测.需要强调的是,阈值图像的计算是针对所有像元进行的,而早期CME触发的像元所在的高度一般较低,为了排除大视野中异常增亮引起的误触发,并且考虑到LST有效的观测视野,在对爆发模式触发条件进行判断时,我们将触发像元的查找范围限制在1.1–2 R 范围内.

SCI在莱曼阿尔法波段的观测模式同样包含常规模式、爆发模式和用户模式,其中爆发模式的触发和终止信号均由SCI在白光波段的观测提供.常规模式下,SCI在莱曼阿尔法波段每间隔60 s采集一组图像(长曝光、短曝光各1幅),采样后即下传.在接到白光波段提供的爆发模式触发信号后,SCI在完成当前莱曼阿尔法图像采集后,随即进入爆发模式.爆发模式下,SCI在莱曼阿尔法波段的采样间隔和下传间隔均调整为15 s.

图2 LST/SCI爆发模式触发和终止方案示意图

图2是SCI星上检测软件的工作流程图,软件需要地面上注的参数同SDI,见表1.在卫星测试阶段,我们需要根据实际观测,对这些参数进行适当的调整,以使得对爆发的探测达到最佳效果.这里需要强调的是,虽然SCI与SDI的上注参数具有相同的定义,并且使用了相同的符号和名称,但它们其实具有不同的值.

5、 算法测试

SDI在莱曼阿尔法波段(121.6 7.5 nm)对宁静日面及活动区进行高分辨率观测.目前能够在该波段对太阳进行观测的仪器主要有美国SDO(Solar Dynamics Observatory)卫星上的EVE(the Extreme Ultraviolet Variability Experiment)仪器以及GOES(the Geostationary Operational Environmental Satellite)系列卫星(GOES-13、GOES-14、GOES-15)上的EUVS(the Extreme Ultraviolet Sensors)仪器.然而,它们仅是对太阳的全日面辐射总流量进行监测,成像观测仍然缺乏.

AIA(Atmospheric Imaging Assembly)是搭载在SDO卫星上的大气成像组件,被认为是当前太空中运行的最新也是综合性能最好的太阳大气成像观测仪器.它能在多个紫外(1600 A、1700 A)及极紫外波段(94 A、131 A、171 A、193 A、211 A、304 A、335 A)上同时对宁静太阳大气、冕洞、活动区及耀斑等结构进行成像观测.AIA的7个极紫外波段分别对应不同的特征温度和太阳大气层次,除304 A属于光学厚辐射外,其余均属于光学薄辐射.太阳的莱曼阿尔法辐射主要来自于太阳色球中的中性氢,是太阳紫外波段最亮的发射线.由于太阳色球中含有大量的中性氢,莱曼阿尔法发射线也属于光学厚辐射,因此,本工作中我们采用SDO/AIA在304 A的成像观测数据作为实验数据,对SDI爆发模式触发和终止方案进行验证.由于AIA的数据量太大,我们主要对太阳活动比较剧烈的几个时间段的观测数据进行了检验.

根据第2节中描述的方法,我们设计了耀斑识别软件,并将从SDO数据网站下载到的304 A观测图像作为输入,开展耀斑的识别工作.表2给出了本次测试中所有参数的设置情况.图3是耀斑识别软件在爆发模式期间的一个测试界面.受篇幅限制,表3仅给出我们对2011年2月13日至18日期间AIA在304 A波段所有观测数据的识别结果.表格自左向右依次代表被识别耀斑的编号、发生日期、起始时间、结束时间、持续时间(以分钟为单位)、耀斑的发生位置(日面坐标)、耀斑的显著性以及对应的GOES在软X射线波段探测到的耀斑级别.其中耀斑的显著性是用来衡量耀斑级别及重要性的一个参数,具体定义如下:

其中Fbkg代表耀斑开始前开窗区域的平均背景亮度,Fmax代表耀斑爆发过程中开窗区域的最大亮度值.

表2耀斑检测软件使用的参数数值,各参数的定义见表1

在2011年2月13日至18日,我们在304 A波段一共识别出79个耀斑事件,其中编号为15的触发事件为像元异常增亮(宇宙线)引起的误触发.这些耀斑的持续时间多数分布在几分钟至十几分钟,最长不超过1 h.考虑到耀斑在莱曼阿尔法波段与304 A波段可能具有相似的辐射特性,我们这个测试结果也为星上设置耀斑爆发模式的最长持续时长提供了一个依据.通过将我们的识别结果与GOES耀斑列表进行比较,我们发现我们的识别软件不仅对M级及其以上的大耀斑有很好的识别,对于C级及其以下,甚至是在GOES上没有明显响应的小耀斑也能很好地识别.此外,我们将来可以根据需要,通过适当调节触发参数(比如触发像元数的下限)过滤掉一部分小耀斑.

表3 2011年2月13日至18日耀斑识别结果.表格自左向右依次是代表被识别耀斑的编号、发生日期、起始时间(世界标准时间)、结束时间(世界标准时间)、持续时间(以分钟为单位)、耀斑的发生位置(日面坐标,以度为单位,其中“N”和“S”分别表示日面北纬和南纬,“E”和“W”分别表示日面东经和西经)、耀斑的显著性以及相应的GOES耀斑级别

图3耀斑识别软件在爆发模式下的一个测试界面.第1行显示了太阳的全日面(实线)和局域(点线)光变曲线,其中竖直虚线代表识别到的耀斑起始时间,竖直长实线代表当前图像所在时刻,竖直短实线代表用于背景计算的9幅图像所在时刻.第2行左图显示了当前全日面图像,黑色方框代表开窗区域.第2行右图显示了对耀斑区域的开窗观测.

6、总结与展望

为了克服星上大数据存储和下传的困难,并且确保ASO-S卫星科学目标的实现,LST各仪器均包含了一种针对爆发事件而设置的模式,即爆发模式.该模式下,LST各仪器将以更高的频率进行图像采集,以获得对爆发事件的高分辨观测(注意,爆发模式下,SDI和WST采集的图像主要以覆盖爆发区域的局域像为主,中间穿插少量全日面像).然而,ASO-S卫星没有专门用于爆发信号监测的系统,因此,LST各仪器需要根据各自采集的数据,采用适当的算法,对爆发信号进行实时检测.本文基于LST的观测方案及其将来可能产生的观测数据,详细介绍了LST各仪器爆发模式触发和终止信号的获取方案.

一般来讲,耀斑等太阳爆发事件在爆发的初始阶段辐射强度十分微弱,容易被太阳辐射背景噪声淹没,因此,要想将它们尽可能早地识别出来,简单地基于日面总辐射流量进行阈值判断的方法是行不通的.本文采用的算法是将观测图像通过像元合并划分成32 32个不同的子区域,对于每个子区域,我们计算其辐射强度相对于前面图像(背景)的相对变化量,定义见文中(1)式.当相对变化量超出预先设定的阈值时,爆发模式触发.通过像元合并,我们有效地抑制了背景噪声,提高了信噪比.在计算辐射流量相对变化时,我们通过对当前与背景间的差分流量取平方(见(1)式分子项)对信号做进一步放大,进而提高信号识别的灵敏度(该步骤对识别日面边缘事件尤为有效).我们对触发像元的数目分别设置了上限和下限,上限可以有效地避免高能粒子暴事件(尤其是当卫星经过南大西洋异常区的时候)带来的误触发,下限是为了过滤掉一些小耀斑(小爆发)事件.

为了验证我们的算法,我们选用SDO/AIA在304 A的观测数据作为测试数据,对耀斑进行识别,并且对耀斑的显著性进行了定义(即耀斑期间的峰值强度相对于耀斑前背景的相对变化,见(10)式).在2011年2月13日至18日期间,我们一共识别出80个事件(进一步检测表明,79个为耀斑事件,1个为误识别,详见表3),耀斑的显著性变化范围为10.3%–176.6%,几乎识别出304 A图像上所有肉眼可见的爆发.由此可见,我们的识别算法对耀斑具有非常高的识别率.通过对比GOES卫星在软X射线波段观测到的耀斑,不难看出,我们的算法不仅能够很好地识别M级及以上的大耀斑,对于C级及以下的小耀斑也有很好的识别.基于以上测试结果,我们期待本文中研究的算法不仅能够在将来的LST观测中发挥重要作用,对其他空间和地面观测仪器也能具有一定的借鉴意义.

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