Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами (1095912), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Управляющий компьютер долженсинхронизироваться по сигналам точного времени, чтобы уменьшить ошибкунаведения телескопа.Телескоп имеет гид - вспомогательный телескоп, установленныйпараллельно основной системе. С его помощью осуществляется наведение игидирование. Гид оборудован собственной фотокамерой с ФПМ ПЗС. Полезрения кадра этой фотокамеры в несколько раз больше, чем у основноготелескопа. Кадр гида можно видеть на экране управляющего компьютера.Экспозиция.Когда телескоп окончательно наведен на объект, можно запуститьпрограмму экспозиции.
В командной строке этой программы указывается:∙ название будущего файла результата (программа создаст его сама);∙ фильтр (смена фильтра осуществляется автоматически передэкспозицией);∙ время экспозиции в секундах;∙ логический символ, показывающий, нужно или нет осуществлятьавтоматическое гидирование.По окончании экспозиции проводится считывание кадра из ФПМ ПЗС.Время считывания существенно зависит от размерности матрицы. Например,для ФПМ ПЗС размерностью 1050 х 1200 при использовании биннинга 2 x 2результирующий кадр будет иметь размерность 525 х 600 пикселов. Времясчитывания такого кадра составляет около 2 мин.
Если биннинг неиспользуется, то время считывания и размер результирующего файласущественно возрастут.Следует учесть, что для обработки такого кадра понадобятся кадрыкалибровки: кадр разброса, плоского поля и темновой кадр, тоже полученныебез биннинга.Фактически есть много источников случайного шума в ФПМ ПЗС:шум, вызываемый аналого-цифровым преобразованием, случайный шум,шум, вызываемый считыванием заряда пиксела и посылкой этого значенияна ПК для обработки. Шум считывания не зависит от времени экспозиции иосложняет получение слабых изображений.
Большинство других источниковшума увеличиваются на квадратный корень времени . В результате, чемдольше время экспозиции ПЗС, тем меньше относительное влияние шума напоступающий полезный сигнал изображения. Отношение сигнал/шумвозрастает вместе с ростом времени экспозиции.Выборка.При выборке важно знать: сколько используется пикселов, чтобывоспроизвести детали. ПЗС-изображение состоит из крошечных пикселов,имеющих форму квадрата. Каждый пиксел имеет значение яркости, котороеопределяется дисплейной программой формирования уровней серого.
Таккак пикселы квадратны, то контуры деталей изображения будут иметьступенчатую форму. Чем больше используется количество пикселов иоттенков серого, тем более гладкими будут контуры.Изображения состоят из квадратиков или звезды выглядятквадратными в случае подвыборки, т.е. количество пикселов, используемыхпри формировании изображения звезды, недостаточно. Число пикселов,необходимых для формирования изображения звезды, определяетсясоотношениями между фокусным расстоянием телескопа, физическимиразмерами ячеек ФПМ ПЗС (обычно даются в микронах) и размеромизображения звезды (угловые секунды).Пользователь ПЗС-устройства имеет возможность выбирать фокусноерасстояние и размеры ячейки.
Телескопы выпускаются с различнымифокусными расстояниями и могут использовать различные преобразователифокусного расстояния. Точно так же ПЗС-камеры выпускаются с разнымиразмерами фоточувствительных ячеек: 9, 16, 24 мкм. Во многих ПЗС-камерахпредусмотрен биннинг, позволяющий пользователю изменять размерыпиксела в одной и той же ПЗС-камере.К сожалению, нет возможности управлять размером звездногоизображения, которое изменяется, главным образом, в зависимости отусловий наблюдения. На высокогорных обсерваториях часто видимость нехуже 1", а в долинах или городах она может составлять от 3 до 5".Хорошее практическое правило: чтобы избежать подвыборки, нужноразделить видимость пополам и выбрать такой размер ячейки, которыйобеспечит наблюдение такого сектора неба.
Например, если условиявидимости составляют 4", то нужно добиться охвата сектора неба в 2" наячейку. Если условия видимости составляют 1", то нужно добиться охватасектора неба 0,5" на ячейку. Следующая формула может использоваться дляопределения сектора неба, приходящегося на ячейку при заданном размереячейки, и фокусного расстояния:S=206,265/f'M·d,S=8,12/ f'д·d,(5.7)(5.8)где S - сектор неба, угл.
с; f'M - фокусное расстояние, мм; f'д - фокусноерасстояние, дм; d - размер ячейки, мм.Чувствительность ячейки.Чем больше ячейка, тем более чувствительна камера при любомзаданном фокусном расстоянии. Здесь также имеется проблема выборки. Приотличных условиях видимости камера с ячейками 24 мкм и телескопом сфокусным расстоянием 2000 мм сформирует изображения, которые оченьблизки к подвыборке. Однако для тусклых объектов дальнего космоса этибольшие ячейки выиграют (в терминах чувствительности) у камеры с 9 мкмячейками и тем же самым телескопом.
Это происходит потому, что камера с9 мкм ячейками, используемая с телескопом и фокусным расстоянием 2000мм, формирует изображения, которые являются почти сверхвыборкой. Тоесть каждое звездное изображение состоит из слишком большого числапикселов.
В результате чувствительность уменьшится, а разрешающаяспособность увеличится.Вернемся к обсуждению, что изображение-подвыборка означаетслишком мало пикселов в каждом звездном изображении. Рассмотримслучай, когда весь свет звезды содержится в единственном пикселе. Если бызвезда была достаточно ярка, чтобы произвести 10 000 отсчетов, включаяфон, то пиксел имел бы значение 10 000. Теперь вообразим, что размерячейки урезан наполовину, т.е. вместо размера ячейки 18 x 18 мкм, имеемразмер ячейки 9 x 9 мкм.
То же самое количество звездного света попало бына ячейки, но так как размеры ячеек вдвое меньше, то свет распределился быпо четырем ячейкам. Если бы изображение звезды было точно сосредоточенона ячейках, то результат составил бы 2500 отсчетов на ячейку. Другимисловами, яркость звезды составила бы четвертую часть от прежней яркости.Отсюда видно, что при согласовании размеров ячейки и фокусногорасстояния мы должны найти надлежащее равновесие между подвыборкой исверхвыборкой изображения.
При увеличении разрешающей способности засчет уменьшения размеров ячеек мы рискуем получить сверхвыборкуизображения и снизить чувствительность. При увеличении размера ячейки сцелью улучшения чувствительности есть риск снизить разрешающуюспособность и увеличить зернистость звездных изображений. Следуяформулам (5.7), (5.8), хорошее соответствие размера ячейки, фокусногорасстояния и условий видимости оптимизируют как чувствительность, так иразрешающую способность.Есть некоторые другие соображения для надлежащей выборкиизображения. Одно из них - объект наблюдения в ПЗС-изображении.
Дляярких планет супервыборка обеспечит лучшую разрешающую способность,это поможет уменьшить яркость света, чтобы предотвратить блуминг. Сдругой стороны, для тусклых объектов дальнего космоса, напримергалактики или туманности, приближение к подвыборке даст лучшуючувствительность, позволяя уменьшить время экспозиции.Другое соображение - обработка изображения. Например, если нужноподчеркнуть детали в изображении, то лучшие результаты получатся уизображений с хорошей выборкой.Поле зрения.После определения охвата сектора неба, приходящегося на ячейку,легко найти поле зрения и фокусное расстояние. В формуле (5.7) следуетумножить результат на количество ячеек ФПМ сначала по горизонтали, апотом по вертикали. Затем результаты умножения разделить на 60, чтобыпреобразовать угловые секунды в угловые минуты. В табл.
5.4 дается полезрения и охват сектора неба для датчика при различных апертурах идиафрагменных числах.Некоторые микросхемы ПЗС разгружаются (т.е. данные считываютсяиз ячеек в ПК) без всякого механизма затвора, чтобы заблокироватьпопадание света на ПЗС во время считывания. В результате изображенияярких объектов, таких как луна и планеты, могут быть смазаны. Поэтомуиспользуют систему кадрового переноса, тем самым создавая электронныйзатвор, который может формировать изображение в такое короткое времяэкспозиции, как 4 мс.Интерфейс SCSI (скази)позволяет перегружать данные из больших микросхем ПЗС в ПК закороткое время.
Благодаря SCSI, есть возможность выполнять фокусировкупочти в реальном времени: фокусировать и видеть результат немедленно.5.3.6. Обработка изображенийБиннингование и изменение размеров.Иногда полезно ужать изображения. С помощью биннингованиясмежные пикселы объединяются в "суперпиксел".Простое биннингование не гарантирует, что результат будетудовлетворять критерию выборки Найквиста. Это означает, что маленькиеточечные источники, например звезды, могут почти исчезнуть."Правильный" способ изменения размеров изображения состоит в том, чтобысначала выполнить низкочастотную фильтрацию так, чтобы никакиепространственные частоты не превысили половину нового интервалавыборки. Это предотвращает дополнительную погрешность пикселизацииизображения.Фотометрияслужит для измерения количества света, излучаемого объектом.
Точноефотометрическое измерение - фундаментальное и важное средство дляпонимания физики астрономических объектов и явлений.До появления ПЗС-камер фотометрические измерения выполнялисьвизуально с помощью фотографий или фотоумножителей. Эти два методастрадают неточностью, трудоемки и отнимают много времени. ПЗС-камерыпозволяют проводить одновременно сбор данных как для звезды или объектанаблюдения, так и для других звезд сравнения.Обычно фотометрические измерения звезд выполняются с помощьюфильтров. Используется несколько систем фильтров, включая JohnsonUBVRI, Kron/Cousins UBVRI и Bessell.Сравнение полос различных фильтров позволяет определить цветовойиндекс звезды.
Используя эти методы, можно получить фундаментальныефизические параметры звезды. Много звезд имеют переменную яркость;благодаря анализу кривых светимости, можно установить ограничения нафизические модели, измерение расстояния и т.д.Апертура, применяемая для измерений, регулируется. Кольцеваяобласть для фоновых измерений также регулируется. Это дает возможностьполучить полный свет от звезды и выбрать лучшую область дляиспользования при фоновых измерениях.Подавление расплывания (антиблуминг).ФПМ ПЗС характеризуются максимально допустимой емкостьюпотенциальной ямы. Если число фотоэлектронов превышает это значение, тоячейка переполняется, а ее содержимое расплывается по смежным ямам.Обычно фотоэлектроны удерживаются в яме электрическими полямиперекрывающихся электродов. Но когда накапливается слишком многоэлектронов, собственное электрическое поле позволяет им растекаться из-подтекущего электрода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
