Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами (1095912), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Этоможет отрицательно сказаться на качестве публикаций астрономическихизображений со слабыми деталями.Если есть возможность заранее ознакомиться со средством управлениявидеопроектором, то нужно попробовать спроецировать шкалу серого илиизображение с большим динамическим диапазоном. Наиболее важно дляастрономических изображений корректировать контраст и яркость так, чтобыможно было видеть различие в оттенках в темном конце шкалы. Такженужно удостовериться, что можно различать уровни яркости в светлом концешкалы, чтобы избежать чрезмерно насыщенных ярких частей изображений.5.3.
Определение положения астрономического объекта5.3.1. Преимущества использования ПЗС-камеры с телескопомВекторы положения и скорости любого астрономического объектавычисляются по данным наблюдений двух сферических координат, скоростиизменения этих координат (собственных движений), параллаксу и лучевойскорости. В ходе наблюдений фиксируют с телескопа последовательнонесколько кадров с изображением участка неба, содержащего определяемыйобъект и окружающее звездное поле.
Телескоп должен сопровождать точкунаведения в ее суточном движении с необходимой точностью. Дальнейшаяобработкаполученныхкадровпозволяетвычислитькоординатыопределяемого объекта и его интенсивность. Отсчет для каждого пикселапредставляет собой двухбайтовое целое число без знака, т.е. заключено винтервале от 0 до 65 535. В случае использования биннинга размер пикселасоставит 0,033 мм, что соответствует в угловой мере 0,90".5.3.2. Высококачественные ПЗС-камерыКак видно из табл.
5.2, преимуществ у ПЗС-камер много, но есть инедостатки. Самым большим ограничением в камерах для съемки в условияхслабой освещенности является темновой ток. Темновой ток обычноудваивается при увеличении температуры на 5...8 °С. Это вызывает двепроблемы.Во-первых, если скорость накопления темнового заряда достаточновысока, возникает переполнение датчика. Потенциальная яма каждой ячейкиимеет ограниченную емкость для накопления электронов. Для большинствадатчиков темновой ток может заполнить яму в течение секунд при комнатнойтемпературе.Во-вторых, хотя темновой ток накапливается с устойчивой среднейскоростью, но он весьма случаен.
Чем больше накапливается темнового тока,тем больше случайного шума вносится в изображение. Шум затрудняет илиделает невозможным обнаружение сигнала - фотоэлектронов, возбужденныхфотонами.Чтобынадежнообнаружитьцель,требуетсяотношениесигнал/шум, равное 3. Для условий слабой освещенности и при длительныхэкспозициях необходимы средства подавления темнового тока.Поскольку темновой ток возрастает с температурой, необходимоохладитьдатчик.Камерынаучногоклассаобычноработаютпритемпературах от 0 до -70 °С. Некоторые ПЗС-датчики специальноразработаны так, чтобы минимизировать темновой ток, и они могут работатьоколо верхней части температурного диапазона. Другие требуют сильногоохлаждения, которое достигается с помощью жидкого азота или болееудобного, но менее мощного термоэлектрического холодильника (ТЭХ).Большая глубина потенциальной ямы также важна для хорошейработы.Длявысокоточныхизмеренийтребуетсятакоеотношениесигнал/шум (ОСШ), которое сможет обнаружить большее количествофотоэлектронов.
Чем больше глубина потенциальной ямы, тем большееколичество электронов накопится, что дает возможность увеличить точностьизмерений. Большая глубина потенциальной ямы способствует увеличениюдинамического диапазона, т.е. диапазона яркости, с которым датчик будетработать. В нижнем конце динамического диапазона находится уровеньшума, ниже которого ОСШ не обеспечивает обнаружение сигнала. В верхнемконце - уровень насыщенности; если яма переполняется, изображение можетрасплываться (из-за перетекания избыточных зарядов в смежные пикселы).Широкий динамический диапазон чрезвычайно важен для отображенияастрономических целей, которые резко различаются по уровню яркости.Таблица 5.2. Сравнение наблюдений с помощью ПЗС-камеры ипленочного фотоаппаратаПреимуществаизображенийформированияПЗС-НедостаткиПЗСматpицы по сравнению сфотoгpaфией*Чувствительность(квантоваяМалое поле зрения.эффективность) ФПМ ПЗС гораздо выше Размерсуществующихчувствительностифотопленки,поэтому матриц более чем в 10 раздлительность экспозиции можно уменьшить в меньшевозможногонесколько раз.
Изображение ПЗС можно сразу размера фотопластинокувидеть на экране монитораБолеевысокая(пропорциональность откликасветовой энергии)линейностьпоступившейОтсутствие эффекта Шварцшильда:Сложностьичувствительность фотопленки падает по мередороговизна оборудованияувеличения времени экспозицииВозможностьнепосредственногопреобразования результата наблюдений вмашиночитаемую форму-Возможность калибровки ПЗС-матрицыдо или после наблюденийОбработка изображения после экспозициипозволяет кардинально улучшить качествоизображения. Например, ПЗС-снимки Юпитера,полученныеспомощьюлюбительскихтелескопов, превосходят уровень детальностифотографий, полученных на самых больших вмире наземных телескопах.-* Оба указанных недостатка постепенно преодолеваются в ходетехнического прогресса.Малая глубина потенциальной ямы ограничивает количество цифровыхуровней света, которые могут быть извлечены из ячеек.
Нет никакого смысларегистрироватьрезультатнижеуровняшумаиливышеуровнянасыщенности. Цифровые фотоаппараты с пикселами малых размеров частоне могут воспроизвести даже 256 различимых уровней (8-битовоеизображение). Высококачественные ПЗС-камеры могут воспроизводить 65536 уровней (16-битовое изображение). Но некоторые камеры выставляютсяна продажу как 16-битовые, хотя они не могут воспроизводить изображениясо слабо различающимися уровнями яркости.Втабл.5.3приведенытипичныепредназначенные для работы с телескопом.параметрывидеокамер,Изображения,воспроизводимыеПЗС-камерами,несовершенны.Каждая ячейка в каждой камере имеет разброс значений таких параметров,как напряжение выходного сигнала, скорость генерирования темнового тока,чувствительность к освещенности.
Эти недостатки могут быть точноисправлены с помощью кадров калибровки, каждый из которых играет своюроль: для учета разброса (кадр разброса), для учета темнового тока (темновойкадр), для учета изменения чувствительности по полю (кадр плоского поля).Калибровка позволяет резко улучшить точность и чувствительность камеры.5.3.3. Качество исходных данныхЛучший способ сформировать хорошее изображение состоит в том,чтобы иметь превосходные исходные данные.
Съемка хороших изображенийтребует терпения и практики. Необходимы следующие шаги:∙ Убедиться, что изображение хорошо сфокусировано, а такжеосуществлены качественные выборка и гидирование.∙ Калибровать изображение. Вычесть темновой кадр, а еще лучшеиспользовать вычитание темнового кадра, формирование плоского поля имногократное наложение кадров калибровки, чтобы гарантировать лучшееотношение сигнал/шум.∙ Экспонировать в течение длительного периода времени.
Дляизображений темного неба следует расположить в стеке много кадров свыдержкой от 60 до 300 с. Использование коротких экспозиций уменьшаетшанс ошибок гидирования, влияния порывов ветра и других переходныхпроцессов. Это позволяет удалять или исправлять дефектные изображения.Необходимо использовать более длительные индивидуальные экспозиции,если применяются узкополосные фильтры или у камеры имеется высокийшумовой порог.∙При применении цветового стиля LRGB в яркостном каналеиспользовать большую выдержку, чем в цветных каналах. Увеличитьэкспозициювлюбомцветовомканале,которыйимеетменьшуючувствительность относительно других каналов (например, у некоторыхкамер хуже чувствительность в синем канале).
Рассмотреть возможностьиспользованиябиннингованияцветнойсъемки,чтобыувеличитьчувствительность, имея в виду, что это может ухудшить качество привысокой яркости неба.5.3.4. Рекомендуемая последовательность обработки изображенияПредлагается следующая последовательность:∙ калибровка изображения;∙ удаление плохих пикселов (или фильтра "горячих"/"мертвых"пикселов) и/или подавление расплывания;∙ квадрирование пикселов (для камер, где соотношение сторон пикселане равно 1:1);∙ наложение изображений (с выравниванием, если требуется);∙ обращение свертки;∙ низкочастотная фильтрация (дефокусировка);∙ комбинирование цветов;∙ цветовая настройка;∙ дополнительная фильтрация;∙ масштабирование яркости (спецификации кривых гистограмм, гаммакоррекция и т.д.).Сначала всегда нужно выполнять калибровку изображения.
Еслитребуется обращение свертки, то ее следует делать после калибровки,очистки и наложения, но перед любыми другими шагами обработки.Фильтрациядолжнабытьсделананаяркостном кадре,еслииспользуется LRGB цветовой стиль. Это будет иметь эффект фильтрацииполного изображения, без заметного изменения цветового представления. Вчастности, дефокусировку лучше выполнять до комбинирования цветов,потому что можно ухудшить цветовую насыщенность.Большая доля гибкости содержится в последних шагах. Вообще говоря,лучше применить линейную фильтрацию изображения прежде, чем онообработано нелинейным способом, но могут быть причины изменитьпорядок шагов.При подготовке мозаики из изображений звездного неба следуетудостовериться, что исходные изображения сняты с одинаковой экспозициейи что состояние неба тоже одинаково.
Если уровни фона различаются, то этоможет вызвать проблемы при смешивании. Применение кадра плоского поляособенно важно; любое виньетирование обнаружится как образ в итоговоймозаике. Необходимо также удостовериться, что нет никаких краевыхартефактов от камеры. Если они есть, то их нужно обрезать до формированиямозаики.Процедуры,необходимыеприиспользованииориентированных на работу с телескопом,после установления телескопа, фотоприемника и ПК:∙ определить температуру фотоприемника;∙ получить экспозицию плоского поля;ПЗС-камер,не∙ использовать окуляр для центровки в поле звезды средней яркости,сфокусировать звезду в окуляре;∙перепроверить фокус звезды с помощью фотоприемника нателескопе;центрироватьобъектсъемкинаФПМПЗС,используякорректирующее устройство привода телескопа для центровки изображения;∙ вновь проверить фокус объекта;∙ установить время экспозиции изображения;∙ получить экспозицию темнового кадра;∙ установить экспозицию реального изображения.Процедуры, необходимые при использовании ПЗС-камер, специальноразработанных для работы с телескопом,после установления телескопа, фотоприемника и ПК:∙ центрировать;∙ фокусировать;∙ нажать кнопку спуска.После этого прибор автоматически:∙ определяет надлежащую длительность экспозиции;∙ формирует темновой кадр и заносит его в память;∙ дает пользователю возможность сформировать кадр плоского поля исохраняет его в памяти;∙ выполняет реальное экспонирование;∙ вычитает кадр темнового тока;∙ сохраняет полученное изображение в памяти.Процедура центрировки и фокусировки в приборе, ориентированном наработу с телескопом:∙ выполнить первую экспозицию согласно предыдущей процедуре;∙ на экране дисплея щелкнуть мышкой по детали объекта, котораядолжна стать центром кадра;∙ телескоп автоматически перемещается так, чтобы центрироватьобъект в кадре;∙ нажать кнопку спуска затвора.5.3.5.
Стыковка телескопа с ФПМГлавные проблемы стыковки.Можно выделить три главных проблемы стыковки телескопа с ФПМ:∙ определение параметров выборки, при которых звезды не выглядятквадратными;∙ определение чувствительности ячейки ФПМ, при которой не нужноприменять длительные выдержки, чтобы получить удовлетворительныйсигнал;∙ определение поля зрения, достаточного для наблюдения зазаданными объектами.Этим проблемам должно быть уделено внимание, чтобы снимать ПЗСизображения с помощью телескопа.Подготовка к наблюдениям.В качестве исходных данных для процесса гидирования используютсякоординаты и величины звезд в поле вокруг определяемого объекта. Данныеберутся из каталога гидировочных звезд.Для уменьшения собственных шумов ФПМ ПЗС устанавливают вкриостат.
Примерно за 1,5...2 ч до начала наблюдений необходимо залитьжидкий азот в криостат. Примерно через 1 ч, когда установитсяотносительное температурное равновесие в фотокамере, включитьэлектропитание ФПМ ПЗС. Еще через полчаса, когда установитсяотносительное температурное равновесие в системе телескоп - фотокамера,можно начинать сеанс наблюдений.Для наведения телескопа на объекты не ярче 8...9 звездной величиныиспользуется программа наведения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
