上海天文臺(tái)斑點(diǎn)相機(jī)及觀測(cè)實(shí)驗(yàn)?

丁媛媛 李可新 慎露潤(rùn) 王超燕

(中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) 上海 200030)

上海天文臺(tái)斑點(diǎn)相機(jī)及觀測(cè)實(shí)驗(yàn)?

丁媛媛?李可新 慎露潤(rùn) 王超燕

(中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) 上海 200030)

斑點(diǎn)干涉成像技術(shù)已有幾十年的歷史,該技術(shù)在雙星天文觀測(cè)上得到了廣泛的應(yīng)用,取得了一系列的研究成果.上海天文臺(tái)研制的一臺(tái)斑點(diǎn)相機(jī)安裝在1.56 m望遠(yuǎn)鏡上,主要用于雙星、三星以及延展目標(biāo)的斑點(diǎn)干涉成像觀測(cè).重點(diǎn)介紹斑點(diǎn)相機(jī)的設(shè)計(jì)、調(diào)試以及圖像重建工作,并結(jié)合雙星和三星目標(biāo)的觀測(cè)情況,給出高分辨率重建圖像及角距離測(cè)量結(jié)果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在1.56 m望遠(yuǎn)鏡上開展斑點(diǎn)干涉觀測(cè)實(shí)驗(yàn),能夠接近望遠(yuǎn)鏡衍射極限分辨率水平.

儀器:高角分辨率,方法:觀測(cè),技術(shù):圖像處理

1 引言

斑點(diǎn)干涉技術(shù)通過拍攝天體目標(biāo)的短曝光像,并進(jìn)行專門處理后獲得目標(biāo)的高分辨率復(fù)原像.該技術(shù)無需增加波前傳感器和波前矯正設(shè)備,實(shí)施費(fèi)用低,處理軟件可靈活升級(jí).因此,斑點(diǎn)干涉技術(shù)已成為雙星高分辨率觀測(cè)的重要手段之一[1?6].該技術(shù)具有很高的效率,每個(gè)觀測(cè)夜可實(shí)現(xiàn)一百多個(gè)目標(biāo)的觀測(cè).目前,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者通過該技術(shù)獲取了數(shù)以千計(jì)的雙星的角距離和位置信息.同時(shí),相關(guān)研究表明:斑點(diǎn)干涉成像技術(shù)也可以應(yīng)用在延展目標(biāo)成像上[7?8].

2006年,上海天文臺(tái)開展了雙星斑點(diǎn)干涉成像技術(shù)的研究,成功研制了一臺(tái)基于Luca-S EMCCD(Electron-Multip lying CCD)的斑點(diǎn)相機(jī).2010?2012年,斑點(diǎn)干涉成像課題組在1.56m望遠(yuǎn)鏡上開展了大量的雙星目標(biāo)的觀測(cè),目標(biāo)的角距離為0.2′′–2′′[9].利用斑點(diǎn)干涉術(shù)和迭代位移疊加法獲得了雙星目標(biāo)的高分辨率重建像.然而,隨著城市的發(fā)展,佘山地區(qū)的夜天光背景越來越亮.Luca相機(jī)的探測(cè)能力已經(jīng)無法滿足斑點(diǎn)干涉觀測(cè)的需求.2013?2014年,該課題組研制了一臺(tái)新的斑點(diǎn)相機(jī),該相機(jī)以Ultra 897 EMCCD作為主芯片,記錄一系列的短曝光像.目前,課題組已完成相機(jī)的設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試以及觀測(cè)實(shí)驗(yàn),并且獲得了一些有效的觀測(cè)數(shù)據(jù).

本文第1部分介紹斑點(diǎn)干涉技術(shù)的背景及研究基礎(chǔ);第2部分詳細(xì)敘述斑點(diǎn)相機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì),包括光學(xué)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì);第3部分列舉了斑點(diǎn)干涉觀測(cè)的情況以及圖像重建方法和結(jié)果.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

斑點(diǎn)相機(jī)(包括光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)傳感器件以及控制軟件)是斑點(diǎn)干涉觀測(cè)中最重要的設(shè)備,安裝在上海天文臺(tái)1.56 m望遠(yuǎn)鏡上,通過拍攝一系列的短曝光像作為重建衍射受限像的原始數(shù)據(jù),每幅圖像的曝光時(shí)間為大氣相干時(shí)間(約10 m s,根據(jù)不同觀測(cè)地點(diǎn)、季節(jié)而異),對(duì)大量斑點(diǎn)圖進(jìn)行專門處理后可望得到天體目標(biāo)的高分辨率復(fù)原像.斑點(diǎn)干涉觀測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 斑點(diǎn)干涉觀測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.1 A sketch for the system of the speck le in terferom etric observations

結(jié)合人造衛(wèi)星的快速運(yùn)動(dòng)特性,我們需要一個(gè)具有高量子效率、低噪聲和高幀頻的EMCCD.Andor公司的iXon U ltra 897 EMCCD是一款512 pixel×512 pixel的背照式幀轉(zhuǎn)移型傳感器,讀出速率高達(dá)17 MHz,最高幀頻可達(dá)56 fps,同時(shí)具有單光子靈敏度和穩(wěn)定的量子效率,滿足斑點(diǎn)干涉觀測(cè)需求.U ltra 897 EMCCD的相關(guān)參數(shù)如表1所示.其中,EM是Electron-Multiplying的縮寫形式,BV是Back illum inated Standard AR coated的縮寫形式.

表1 Andor iXon U ltra 897 EMCCD參數(shù)表Tab le 1 T he p aram eters of A n dor iX on U ltra 897 EM CCD

為了獲得接近望遠(yuǎn)鏡衍射極限的高分辨率重建像,斑點(diǎn)干涉觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)滿足一定的要求.理論上,1.56 m望遠(yuǎn)鏡的極限分辨率為0.09′′,U ltra 897 EMCCD的像素尺寸為16μm,其實(shí)際分辨率只有0.21′′.因此,為了滿足采樣定理的要求,我們?cè)O(shè)計(jì)了一套實(shí)現(xiàn)5×放大率的光學(xué)系統(tǒng).

實(shí)現(xiàn)光學(xué)放大功能主要有兩種方式:一種是有限共軛物鏡系統(tǒng),另一種是準(zhǔn)直成像系統(tǒng).后者由準(zhǔn)直鏡和成像鏡構(gòu)成,在1.56m望遠(yuǎn)鏡的焦面后加入準(zhǔn)直鏡生成平行光,在平行光路中配置滿足設(shè)計(jì)需要的成像透鏡組,使得1.56m望遠(yuǎn)鏡在焦面上的像再次成像到新匹配的CCD上.該放大系統(tǒng)具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是可以在平行光路中加入濾光器或分光元件而焦面不會(huì)移動(dòng).二是準(zhǔn)直鏡和成像鏡的間距要求較低,裝調(diào)比較方便,調(diào)焦可以由準(zhǔn)直鏡的移動(dòng)來解決.因此,本文采用準(zhǔn)直成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)放大功能.Zemax是一套綜合的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件,能夠在光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)建模、分析等功能.本文的光學(xué)設(shè)計(jì)工作就是在Zemax平臺(tái)上完成的,實(shí)現(xiàn)了5×放大率的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),如圖2所示,光線經(jīng)過準(zhǔn)直鏡變?yōu)槠叫泄?再次通過成像鏡后在像平面上成像.點(diǎn)列圖如圖3所示.

圖2 光學(xué)系統(tǒng)及放大器Fig.2 T he op tica l layou t of the system with the 1.56-m telescop e and detailed v iew of the m agn ifier

綜合考慮成本和生產(chǎn)周期問題,本系統(tǒng)選擇尼康公司的成品元件作為光學(xué)放大系統(tǒng)的元件.其中，選擇焦距為200 mm的管鏡作為成像鏡,5×Nikon CFI 60作為準(zhǔn)直鏡,相關(guān)參數(shù)如表2所示.在未來的一段時(shí)間,還將考慮在平行光路中增加濾光片和用于矯正大氣色散的分光器件.

表2 5×Nikon CFI 60參數(shù)Tab le 2 The param eters of 5×N ikon CFI 60

圖3 系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.3 The spot d iagram of the system

斑點(diǎn)相機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)如圖4所示.準(zhǔn)直鏡和成像鏡由一個(gè)機(jī)械套桶連接,二者之間的同軸度由機(jī)械加工精度保證.該放大系統(tǒng)還配備了調(diào)焦機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)±6 mm的調(diào)整.斑點(diǎn)相機(jī)系統(tǒng)通過法蘭與1.56m望遠(yuǎn)鏡連接,如圖5所示.

圖4 斑點(diǎn)相機(jī)機(jī)械圖Fig.4 The m echan ical d raw ing of the sp eck le im ager

3 斑點(diǎn)干涉觀測(cè)及圖像高分辨率重建

3.1 斑點(diǎn)干涉觀測(cè)

本文涉及的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)是在上海天文臺(tái)佘山基地的1.56m望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行的,該望遠(yuǎn)鏡的極限分辨率約為0.09′′.新的斑點(diǎn)相機(jī)中配備了5×的光學(xué)放大系統(tǒng),望遠(yuǎn)鏡–斑點(diǎn)相機(jī)綜合系統(tǒng)的焦距為78 m,1 pixel對(duì)應(yīng)約0.042′′,滿足采樣定理的要求.2014?2015年,課題組開展了大量的雙星和三星觀測(cè)實(shí)驗(yàn).觀測(cè)相關(guān)參數(shù)如下:曝光時(shí)間為8 ms,啟用電子倍增功能,未使用濾光片,觀測(cè)波段為整個(gè)可見光波段.表3列出了部分觀測(cè)目標(biāo)(序號(hào)1?8是雙星目標(biāo),選自WDS(Washington Double Star Catalog)星表;序號(hào)9?11是三星目標(biāo),選自依巴谷星表),其中,第6列是星表給出的雙星/三星目標(biāo)的角距離.

圖5 斑點(diǎn)相機(jī)調(diào)試照片F(xiàn)ig.5 A photo of the sp eck le im ager

表3 雙星和三星觀測(cè)信息表Tab le 3 T he in form ation of b inary and trip le stars

3.2 基于GPU(G raph ics P rocessing U n it)的圖像高分辨率重建

斑點(diǎn)干涉技術(shù)是通過對(duì)大量的斑點(diǎn)圖進(jìn)行專門的處理后獲得高分辨率重建像的,其方法主要有兩大類:頻域重建法和空域重建法.頻域重建法包括斑點(diǎn)干涉術(shù)和斑點(diǎn)掩模法,這類方法都是在傅里葉頻域進(jìn)行處理的,計(jì)算復(fù)雜,對(duì)噪聲比較敏感.空域重建法主要有簡(jiǎn)單位移疊加法(SAA,Shift And Add)、迭代位移疊加法(ISA,Iterative Shift and Add)、退卷積位移疊加法(DSA,Deconvoluted Shift and Add)等,這些方法都是間接得到目標(biāo)星象的相位信息,需要通過對(duì)目標(biāo)斑點(diǎn)圖進(jìn)行某種統(tǒng)計(jì),從中獲得點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù),然后退卷積獲得,其優(yōu)點(diǎn)是回避了復(fù)雜的傅里葉相位復(fù)原,數(shù)據(jù)處理大為簡(jiǎn)單.本文主要采用了斑點(diǎn)干涉術(shù)、ISA和DSA對(duì)雙星和三星目標(biāo)進(jìn)行重建.

斑點(diǎn)干涉圖像重建工作需要對(duì)幾千幅參考星和目標(biāo)星進(jìn)行計(jì)算,并且涉及大量的迭代運(yùn)算,計(jì)算復(fù)雜度高.單純基于CPU(Central Processing Unit)端的串行計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)(幾個(gè)小時(shí)甚至幾天),嚴(yán)重影響了算法的調(diào)試和應(yīng)用.GPU具有單指令多數(shù)據(jù)流(SIMD,Single Instruction Multiple Data)的并行處理特性,價(jià)格低廉,具有良好的可編程性.它的計(jì)算架構(gòu)是為計(jì)算密集型處理、高強(qiáng)度并行計(jì)算而設(shè)計(jì)的,特別適合處理那些具有較高算法強(qiáng)度的問題.斑點(diǎn)干涉成像課題組開發(fā)了一款基于GPU并行計(jì)算的斑點(diǎn)干涉圖像復(fù)原軟件.GPU的并行計(jì)算基本流程如圖6所示.

圖6 GPU并行處理流程Fig.6 T he GPU para llel p rocessing d iagram

將斑點(diǎn)干涉成像算法的計(jì)算步驟合理映射到CPU和GPU的運(yùn)算單元中,能夠有效地提高計(jì)算速度.受到GPU和CPU的帶寬限制,導(dǎo)致主機(jī)(CPU)和設(shè)備(GPU)之間的數(shù)據(jù)傳輸非常耗時(shí).因此,在兩次主機(jī)-設(shè)備通信之間進(jìn)行盡量多的運(yùn)算,避免大量的數(shù)據(jù)交互.斑點(diǎn)干涉圖像重建算法中,涉及大量的矩陣加法、減法、乘法等運(yùn)算,這些點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)算很容易映射到GPU上完成并行計(jì)算.復(fù)雜的FFT(Fast Fourier Transformation)/IFFT(Inverse Fourier Transformation)以及相關(guān)運(yùn)算,本文采用CUFFT(CUDA Fast Fourier Transformation)庫(kù)函數(shù)來完成.實(shí)驗(yàn)的硬件平臺(tái)是聯(lián)想Think Center M 8200,Intel酷睿2雙核CPU,主頻2.83 GHz;顯卡是NVIDIA Quadro2000D.實(shí)驗(yàn)的軟件平臺(tái)是W in7操作系統(tǒng),程序開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2005, CUDA(Com pute Unified Device A rchitecture)4.2.本文分別采用斑點(diǎn)干涉術(shù)、迭代位移疊加法和退卷積位移疊加法對(duì)表3所列數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,每個(gè)目標(biāo)參與運(yùn)算的斑點(diǎn)圖數(shù)量是1000幅,算法中采用了暗場(chǎng)校正、圖像濾波等多種預(yù)處理手段,克服噪聲的影響.部分高分辨率重建圖像如圖7–8所示,實(shí)測(cè)角距離在表3最后1列列出.

基于以上結(jié)果,我們得到如下結(jié)論:

(1)觀測(cè)過程中,使用了binning 2×2的觀測(cè)模式,所以大氣-望遠(yuǎn)鏡-相機(jī)綜合系統(tǒng)的極限分辨率為0.2′′.表3列出的測(cè)量結(jié)果表明:在1.56m望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行斑點(diǎn)干涉觀測(cè),能夠接近望遠(yuǎn)鏡衍射極限的分辨率水平.

(2)利用Luca相機(jī)進(jìn)行斑點(diǎn)干涉觀測(cè),極限星等約為7mag.同Luca相機(jī)相比,新的斑點(diǎn)相機(jī)的探測(cè)能力有很大提高,極限星等可達(dá)10mag左右.

(3)HIP 4121是一個(gè)三星系統(tǒng),星等分別為8.62mag、9.20mag和9.82mag,角距離分別為3.9′′和8.9′′.基于ISA和DSA算法處理后獲得了高分辨重建像,實(shí)際測(cè)量獲得的角距離與星表給定的值基本一致.

圖7 STF 73圖像重建結(jié)果.左:斑點(diǎn)圖;中:斑點(diǎn)干涉術(shù),角距離為1.1′′;右:迭代位移疊加法,角距離為1.1′′Fig.7 T he reconstructed resu lts of STF 73.Left:sp eck le im age;M idd le:sp eck le in terferom etry,the angu lar separation betw een A and B is 1.1′′;R ight:ISA,the angu lar separation betw een A and B is 1.1′′

圖8 H IP 4121圖像重建結(jié)果.左:斑點(diǎn)圖;中:迭代位移疊加法,A和B之間的角距離為3.9′′,A和C之間的角距離為8.9′′;右:退卷積迭代位移疊加法,A和B之間的角距離為3.9′′,A和C之間的角距離為8.9′′Fig.8 The reconstructed resu lts of H IP 4121.Left:speck le im age;M idd le:ISA,the angu lar separation betw een A and B is 3.9′′,and the angu lar separation betw een A and C is 8.9′′;R ight:DSA,the angu lar separation betw een A and B is 3.9′′,and the angu lar separation betw een A and C is 8.9′′

4 總結(jié)與展望

本文詳細(xì)介紹了斑點(diǎn)相機(jī)的設(shè)計(jì),在2014?2015年期間在1.56m望遠(yuǎn)鏡上開展了大量的觀測(cè)實(shí)驗(yàn),并且成功獲得了圖像重建結(jié)果.結(jié)果表明:在1.56m望遠(yuǎn)鏡上開展斑點(diǎn)干涉成像實(shí)驗(yàn),能夠接近望遠(yuǎn)鏡衍射極限分辨率水平.課題組將繼續(xù)開展大行星以及人造衛(wèi)星等延展目標(biāo)的斑點(diǎn)干涉觀測(cè)實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證算法的有效性.

致謝感謝上海天文臺(tái)唐正宏研究員對(duì)該項(xiàng)目的支持和幫助,感謝云南天文臺(tái)金振宇研究員在斑點(diǎn)相機(jī)設(shè)計(jì)上給予的幫助,感謝上海天文臺(tái)1.56m望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)助手.

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[9]丁媛媛,唐正宏,王燕.天文研究與技術(shù),2012,9:308

A N ew Speck le Im ager and Observations at SHAO

DING Yuan-yuan LIKe-xin SHEN Lu-run WANG Chao-yan

(Shanghai A stronom ical O bservatory,Chinese Academ y of Scien ces,Shanghai 200030)

The speck le interferom etry technique has been evolving since the fundamental idea was presented almost forty years ago.This technique continues to provide themajority of astrometric data for binary system s.We have constructed a new speckle imager that collects a large number of speckle images in the detector area of Electron-Multiplying CCD.Itwas initially used with the 1.56-m telescopeat the ShanghaiAstronom ical Observatory(SHAO).In this paper,we demonstrate the design of the speckle imager.Some observation images and the reconstructed results are presented,which indicate that the high-precision results for binary and trip le stars can be expected to be provided by this instrument.We prove that the new speckle imager can reach the diffraction lim it resolution of the 1.56-m telescope.

instrumentation:high angular resolution,methods:observational,techniques:image processing

P111;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.04.010

2015-07-16收到原稿,2016-03-02收到修改稿

?國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11203061)資助

?yuanyuand@shao.ac.cn