天線陣地面觀測條件下大尺寸的ccd測試方案

天線陣地面觀測條件下大尺寸的ccd測試方案

云南梯田h日常觀測是一種厥跡折射望遠(yuǎn)鏡，有效口徑為18cm，成像距離為1.158m，介質(zhì)波長為656.278nm。1981年，他開始采用正常的觀測。這臺望遠(yuǎn)鏡是中國參加全球高分辨Hα網(wǎng)(GlobalHigh-ResolutionH-alphaNetwork,GHN)［1］進(jìn)行太陽全日面24h聯(lián)合監(jiān)測任務(wù)的主干觀測設(shè)備之一,每日觀測資料在GHN網(wǎng)站上向全球公布,在為天文學(xué)家提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同時,也是我國太陽觀測資料在國際上的一個重要展示窗口。2013年初,云南天文臺為更好地獲得高質(zhì)量的全日面觀測資料,引進(jìn)了一臺4K×4K的大尺寸CCD系統(tǒng)(型號:QHY16803),并即時投入了觀測?？茖W(xué)級CCD系統(tǒng)在天文上的應(yīng)用已經(jīng)非常普及,但天文學(xué)家對CCD的要求非常嚴(yán)格,因此必須充分了解設(shè)備的性能。QHY16803CCD是一款國產(chǎn)半導(dǎo)體制冷的CCD系統(tǒng),其CCD采用柯達(dá)公司的KAF-16803芯片,主要廠家參數(shù)如表1［2］。一般情況下,一個科學(xué)級的CCD在開始工作之前,要先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一些系統(tǒng)測試［3－5］,這不僅為了和廠家標(biāo)稱的參數(shù)進(jìn)行對比,更重要的是對器件性能有細(xì)致深入的了解,從而更好地使用該器件。由于觀測任務(wù)緊迫,云南天文臺4K×4KCCD未能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試就進(jìn)行了望遠(yuǎn)鏡安裝并投入了觀測,但仍舊需要在實(shí)際觀測中掌握該CCD的性能。本文即在這種條件下,利用實(shí)際觀測的全日面數(shù)據(jù)對此CCD的性能進(jìn)行了測試,包括CCD的有效尺寸、本底、增益、讀出噪聲、暗流、熱像元等主要參數(shù)。1實(shí)際圖像測試區(qū)域KAF-16803芯片采用一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)［2］,即整個芯片不但包含曝光區(qū)域,同時包含4個包圍在可用區(qū)域周圍的用于測量暗流的區(qū)域,以及一些用于測試的測試區(qū)和死像元區(qū)。圖1顯示了其結(jié)構(gòu)框架。根據(jù)此框架,工作區(qū)域的左上角(x,y)坐標(biāo)應(yīng)該為(30,12),右下角為(4125,4107);4個暗場區(qū)域?yàn)?(28,2)到(4126,9)、(29,4109)到(4126,4128)、(8,1)到(28,4128)和(4127,1)到(4135,4128)。通過對一幅實(shí)際的觀測圖像的左上角和右下角區(qū)域的顯示和測量,可以看到四周的確有一些不正常成像的區(qū)域,而且與廠家的標(biāo)稱并不相同。圖2為實(shí)際觀測圖像的左上角和右下角?？墒褂玫墓ぷ鲄^(qū)域?qū)嶋H為(40,28)到(4135,4123)的區(qū)域,而上端(38,8)到(4135,25)、下端(38,4125)到(4135,4128),左端(20,26)到(35,4124)和右端(4138,26)到(4142,4124)為暗場區(qū)域。此CCD關(guān)閉快門零秒曝光的本底場并沒有明顯的結(jié)構(gòu),但在垂直方向有20ADU的遞減,從680ADU下降到660ADU;而在水平方向上,兩端有明顯的增高,均超過700ADU。圖3是一個本底場圖像在水平方向和垂直方向?qū)λ辛泻托械闹兄登€。從圖2可以看到,圖像左側(cè)100像素以內(nèi)的區(qū)域有明顯的不均勻結(jié)構(gòu),這同樣也反映在圖3的右圖中。因此將后續(xù)的測試區(qū)域選擇為(140,128)到(4035,4023),這也是我們建議的實(shí)際觀測成像工作區(qū)域。另外,由于周邊區(qū)域和圖像中央的不均勻性,直接利用4個暗場區(qū)域做暗場測量也并不方便。因此,采用傳統(tǒng)的整幅暗場圖像的處理方式更為合適。2圖像誤差的擬合測試增益和讀出噪聲是非常重要的CCD參數(shù),其中增益是可調(diào)整的。在通常的CCD采集系統(tǒng)中,增益經(jīng)常被廠家設(shè)置為一個相對數(shù)。但對于天文學(xué)家而言,更希望得到的是直接電子數(shù)和ADU的轉(zhuǎn)換比例。在實(shí)驗(yàn)室測試中,讀出噪聲和增益是通過采集不同曝光時間的均勻并穩(wěn)定的光源來計(jì)算其信號-方差圖［6－7］。由于理論上觀測圖像的噪聲應(yīng)該僅包括讀出噪聲和光子噪聲兩部分,其中讀出噪聲為高斯分布,而光子噪聲為泊松分布,其平方即為光子數(shù)。而按照誤差傳遞公式,總噪聲的平方就等于讀出噪聲的平方加光子噪聲的平方。這樣,如果測試不同光強(qiáng)情況下噪聲起伏(圖像方差),就可以得到一條以光強(qiáng)為橫坐標(biāo)、方差為縱坐標(biāo)、系統(tǒng)增益為斜率倒數(shù)的直線,而這條直線與CCD本底數(shù)值的交點(diǎn)就反映了CCD的讀出噪聲。但在實(shí)際的觀測條件下,難以得到穩(wěn)定均勻的光源。還有,所有觀測圖像都有一定的局部起伏,如果僅僅統(tǒng)計(jì)局部均值和方差,很容易將圖像本身的起伏作為噪聲方差統(tǒng)計(jì)進(jìn)去。因此,利用兩幅圖像的處理來計(jì)算局部的方差和均值。首先,獲得兩幅臨近時刻采樣的全日面像。由于此CCD靶面較大,太陽僅僅占視場的1/4,在非太陽的區(qū)域中則有過渡較為均勻的散射光。圖4顯示了扣除太陽像后散射光的情況;其次假設(shè)兩幅臨近觀測的曝光時間相同,圖像的變化僅僅是由于噪聲的起伏,而方差就等于單幅圖像方差的2倍,也就是消除了兩幅圖像本身結(jié)構(gòu)起伏的變化。如果計(jì)算較小的局部,并認(rèn)為在這個局部中圖像本身的起伏可以忽略的話,這個方差就可以認(rèn)為是總噪聲的平方。同時兩幅圖像的局部平均強(qiáng)度可以作為局部強(qiáng)度,這樣得到信號-方差圖并可以做直線擬合,如圖5。采用這種方法分別對2013年3月1日、2日和8日的實(shí)際觀測資料進(jìn)行了處理,并根據(jù)擬合殘差對所求參數(shù)進(jìn)行了誤差估計(jì),測試時為高速讀出(讀出速率為6M像元/秒),結(jié)果如表2?？梢?這些數(shù)據(jù)的重復(fù)性非常好,擬合的精度比較高,讀出噪聲與標(biāo)稱值也很接近,這充分說明了我們設(shè)計(jì)的檢測方案具有合理性和可用性。另外,線性相關(guān)系數(shù)也反映了這個期間增益的線性情況。當(dāng)相關(guān)系數(shù)越接近1的時候,說明系統(tǒng)中除了讀出噪聲和泊松噪聲以外,并不包含其他的噪聲。同時也說明,增益在不同的亮度情況下基本保持為一個常數(shù),也就是線性較好。3cd的對比測試雖然此CCD正式觀測的時候,曝光時間遠(yuǎn)小于1s。為了測試暗流的情況,選擇10s的暗流,即關(guān)閉CCD快門積分10s。在-10℃工作溫度的情況下,用積分圖像減去平均的本底場,得到平均暗流值為5.7ADU,相當(dāng)于5e－,也就是暗流為0.5e－/s。但如果將廠家標(biāo)稱的指標(biāo)換算到這一溫度,大約比這個值要低一個量級。同時得到每秒暗流超過100e－的熱點(diǎn)約1000個,其中20個極熱點(diǎn)暗流為345e－/s,有4個點(diǎn)超過800e－/s,其坐標(biāo)分別為(174,1989)、(595,2856)、(2607,1138)和(2864,1673)。圖6顯示了極熱像元的位置,它們相對比較獨(dú)立,沒有成片的結(jié)構(gòu)。然而,考慮到真正的積分時間在幾十到上百毫秒,無論是測試的平均暗流還是標(biāo)稱的暗流都會遠(yuǎn)小于1e－,而讀出噪聲已經(jīng)是13e－左右。另外,熱像元的數(shù)量相比CCD的總像元數(shù)也是非常小的。因此認(rèn)為該CCD的暗流情況完全可以滿足太陽觀測的需要。在測試暗流的同時,對望遠(yuǎn)鏡在觀測環(huán)境下的漏光進(jìn)行了測試。在關(guān)閉望遠(yuǎn)鏡鏡頭蓋的情況下,打開CCD快門進(jìn)行10s曝光,其圖像顯示在圖7中。從測量結(jié)果來看,這臺望遠(yuǎn)鏡的漏光并不嚴(yán)重。經(jīng)過換算,最亮部分產(chǎn)生電子數(shù)為4e－/s,這對系統(tǒng)整體來講是可以忽略的。4在高速工況下,根據(jù)測試結(jié)果基通過上述對QHY16803CCD的測試,對該設(shè)備的性能細(xì)節(jié)有了比較深入的了解。首先,從可使用尺寸來講,雖然和標(biāo)稱的數(shù)據(jù)略有不同,但還是能保持一個4K×4K量級的可用尺寸;其次,CCD中心區(qū)的本底比較均勻,但四周有變化,尤其在垂直方向,有一個遞減趨勢,可能是由于CCD讀出時間產(chǎn)生的暗流所致;第三,在高速讀出的情況下,讀出噪聲在13e－左右,這個和標(biāo)稱數(shù)據(jù)比較符合;第四,測試到的暗流在-10℃工作溫度的情況下為0.5e－/s,這比標(biāo)稱的數(shù)值要大,但熱像元的數(shù)量比較小,從事太陽短時間曝光是沒有問題的。綜上所述,該設(shè)備基本符合廠家的設(shè)計(jì),同時也符合Hα全日面望遠(yuǎn)鏡的觀測要求。在實(shí)際觀測中,系統(tǒng)增益設(shè)置在2~5e－/ADU較好。一方面,雖然讀出噪聲變?yōu)?~7ADU,但統(tǒng)計(jì)特性并沒有損失很多;另一方面,在16位AD達(dá)到極值65535的時候,CCD電荷井