基于EMCCD相機的全天時大氣相干長度測量系統(tǒng)

張 雷,佟首峰,趙 馨

(1.長春理工大學光電工程學院,吉林 長春 130022；2.長春理工大學 空地激光通信技術國防重點學科實驗室,吉林 長春 130022; 3.長春理工大學電子信息工程學院,吉林 長春 130022)

1 引 言

作為一種長期連續(xù)監(jiān)測大氣湍流變化的測試設備,大氣相干長度測量系統(tǒng)的晝夜觀測環(huán)境有很大的差別,白天的天空背景輻射影響遠大于夜間。傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)在夜間工作時以恒星(例如北極星)為觀測目標,白天時段則通過遮光罩與濾光片組的輔助,將太陽邊緣作為觀測目標。這種方法可以實現(xiàn)高信噪比觀測,不過晝夜交替時,相較目標星而言,天空背景光強度仍很大,這會給目標恒星光斑的提取帶來很大難度；此時,若太陽運動到地平線以下,則會進一步導致觀測目標的缺失。根據(jù)以往研究經(jīng)驗,晨昏時大氣湍流強度恰處于峰值轉(zhuǎn)換階段,是研究湍流強度特性的關鍵期。因此系統(tǒng)需實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的觀測。為實現(xiàn)這個目的,本文提出一種以恒星為目標的全天時測量方法,選用紅光波段量子效率遠高于傳統(tǒng)CCD的EMCCD相機作為光電探測器,配合有效的光譜濾波和圖像處理技術在白天強天空背景光影響下對恒星目標光斑提取,實現(xiàn)對整層大氣相干長度的全天不間斷測量。

長期以來,CCD或CMOS相機是大氣相干長度測試設備常用的光電探測組件,而近年來一些新型傳感器逐步進入實際應用階段,其中就包括EMCCD相機。EMCCD(電子倍增電荷耦合器件)與普通 CCD的區(qū)別是在串行讀出寄存器后增加了一系列的“增益寄存器”,使電子在轉(zhuǎn)移過程中多次產(chǎn)生“撞擊離子化”效應[1-2]產(chǎn)生大量新的電子,信號電荷在進入讀出放大器前就進行了倍增放大,靈敏度得以大幅提高,其電子倍增增益一般可達 1000倍左右,因此在同樣的積分時間內(nèi),EMCCD 的靈敏度和動態(tài)范圍遠高于普通 CCD,更加適用于白天觀星。

2 系統(tǒng)工作原理與組成

全天時大氣相干長度測試系統(tǒng)主要由光學接收單元、光電轉(zhuǎn)換單元以及圖像處理單元三部分組成?？紤]到長期野外實驗條件的限制,系統(tǒng)光路采用透射式結(jié)構(gòu)設計,整個系統(tǒng)由雙口徑開普勒望遠系統(tǒng)、平面反射鏡、可插拔的濾光片組與衰減片組、準直鏡、光楔、成像鏡、EMCCD相機、導星轉(zhuǎn)臺及主控計算機等部分構(gòu)成[3],圖1為系統(tǒng)光學結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 透射式光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1中可以看出,兩個獨立口徑的透鏡組形成了差分像運動測量所需要的子光瞳,光路中放置光楔,從而使同一目標星光經(jīng)過兩子瞳后產(chǎn)生不重疊的雙像。在有大氣湍流的情況下,由于兩子瞳的湍流狀況不同,通過記錄和統(tǒng)計兩像點相對位置變化的方差,可以反演出大氣相干長度r0,其具體公式為:

(1)

(2)

(3)

當目標星的天頂距為γ時,歸算至天頂?shù)南喔砷L度參數(shù)可表示為:

(4)

在使用上述公式過程中,為了確保經(jīng)過兩子瞳的光束波前傾斜相互獨立,必須滿足如下關系:

d≥2D

(5)

整個測量系統(tǒng)全天時工作示意圖如圖2所示。

圖2 全天時大氣相干長度測量系統(tǒng)工作示意圖

3 探測信噪比與極限星等分析

3.1 光譜濾光片中心波長的選取

白天觀測恒星目標時,通常選擇星等較高、長波輻射較強的恒星,這是因為白天天空背景輻射光譜特性向短波漂移,峰值波長在485～495 nm之間,其輻射強度隨波長增加而迅速降低,在光學系統(tǒng)中加入短波光譜濾光片可以有效地抑制背景光影響,有利于目標星光斑的采集。顯然,光譜濾光片的中心波長選取范圍應盡量偏向于紅光波段,不過傳統(tǒng)CCD在600～700 nm波段的效率僅為20%～30%,而 EMCCD相機(以Andor公司的iXon_888為例)在700 nm波長附近響應效率仍然可以保持在90%左右,因此光譜濾光片的中心波長可定為700 nm,考慮到長焦透射系統(tǒng)的像差校正能力和系統(tǒng)觀星信噪比的要求,確定濾光片光譜透過范圍為650 nm～750 nm。

3.2 EMCCD相機探測能力分析

3.2.1 EMCCD相機主要噪聲分析[4]

噪聲是衡量光電探測器性能的重要指標之一。與傳統(tǒng)的CCD相機類似,EMCCD相機主要噪聲是散彈噪聲σshot、暗電流噪聲σdark和讀出噪聲σreadout,同時由于EMCCD自身的倍增機制還會受到電子倍增等附加噪聲影響。EMCCD相機在觀星時的噪聲為:

(6)

1)σshot為入射光子的散彈噪聲,由于光的量子特性,這部分噪聲是無法避免的,該噪聲的大小是由相機接收到的入射星光光子數(shù)S和背景光光子數(shù)B共同決定的,并經(jīng)過電子倍增結(jié)構(gòu)G倍增益。其表達式為:

(7)

2)σdark是載流子的熱運動噪聲,受驅(qū)動脈沖影響在輸出端形成電流所產(chǎn)生的。CCD類傳感器都會存在暗電流噪聲,直接影響著這類器件的靈敏度和動態(tài)范圍。暗電流噪聲的大小與工作溫度密切相關,溫度每升高6 ℃,暗電流噪聲會增加約3 dB。其表達式為:

(8)

式中,D為某個溫度條件下,每個像元單位時間內(nèi)產(chǎn)生的暗電流電子數(shù)；t為曝光時間。對于EMCCD相機來說,暗電流噪聲會隨著信號倍增而同樣倍增放大,使之成為了限制探測器靈敏度的一個主要因素,系統(tǒng)所選用的Andor公司的iXon_888 EMCCD相機采用了TEC制冷方式,利用風冷或水冷方法保證環(huán)境溫度為20 ℃時,將器件長時間穩(wěn)定制冷在-80 ℃左右,此時探測器的暗電流噪聲只有約0.001e-/pixel/sec。

3)σreadout為讀出噪聲來源于讀出放大器,主要包括放大器復位噪聲、電荷經(jīng)過放大器的熱噪聲和1/f噪聲等。當輸出頻率較高時,讀出噪聲是傳統(tǒng)CCD探測器最主要的噪聲來源,而EMCCD相機在電荷信號轉(zhuǎn)化成視頻信號之前就進行了電子倍增,極大地減小了讀出噪聲的影響。

3.2.2 信噪比(SNR)分析

白天觀星如果想要獲得高質(zhì)量星光光斑圖像,則需盡可能提高探測器接收信噪比。假設探測器單位像元接收到的星光信號光子數(shù)為S,接收到的背景光光子數(shù)為B,可以得到EMCCD的信噪比如下:

(9)

代入公式(7)、(8)并化簡,得:

(10)

由上式可見,EMCCD相機自身的電子倍增增益特性可有效抑制讀出噪聲,暗電流噪聲和光子散彈噪聲始終伴隨著電子倍增噪聲的影響。

3.2.3 白天可探測極限星等分析

通過對EMCCD噪聲特性分析可知,系統(tǒng)白天觀星時,天空背景光遠強于目標星光,其所產(chǎn)生的光子散彈噪聲也遠遠大于系統(tǒng)暗電流噪聲和讀出噪聲。因此成像系統(tǒng)白天總噪聲可近似表示為:

(11)

設白天所觀測的恒星星等為M,目標信號可表示為:

(12)

式中,N為星光光斑彌散的像元數(shù),為保證質(zhì)心計算的精度,必須滿足N≥4[6]；Ta為大氣透過率,設為0.4；φ0為經(jīng)光譜濾光片濾波后0等星的光子流密度,約為1.1×104photon/mm2·s[7]。在判定CCD器件探測極限時,通常認為探測器探測到的信號要大于或等于噪聲的5倍,則EMCCD可探測的極限星等如下所示:

(13)

將式(12)、(13)代入式(14)得:

(14)

由上式(14)可知,對積分時間t和視場角Ω進行優(yōu)化選取,可以有效提高使系統(tǒng)的探測極限星等M。其中,積分時間超過一定值時會使EMCCD接收的光子數(shù)超過其額定阱深(iXon_888像元阱深為80000 e-),造成探測器飽和,為了避免這一情況,可將t設為10 ms；由于目標星光屬于平行光,光學系統(tǒng)視場角的大小只影響入射背景光的強弱,而與信號光強度無關,因此應盡量減小Ω的值。在參考所測大氣相干長度范圍以及保證導星轉(zhuǎn)臺跟蹤精度的前提下,可設系統(tǒng)視場角為1°×1°。將所有參量代入公式(14),得系統(tǒng)白天可探測極限星等約為7.35。

4 天空背景下星光目標實時檢測

傳統(tǒng)大氣相干長度測試裝置無論是夜間觀星還是白天觀測太陽邊緣,所得到的圖像目標與背景對比度都很高,可以直接利用閾值分割法進行光斑提取。白天觀星時,天空背景相對較強且分布不均勻,局部圖像灰度信息接近或超過星光光斑灰度值,嚴重降低探測信噪比,造成目標提取失敗。因此需要首先采用合適的圖像預處理方法抑制背景光,再輸出光斑質(zhì)心,以提高白天強背景光條件下大氣相干長度測試精度。全天時大氣相干長度測試系統(tǒng)光斑檢測流程如圖3所示。

圖3 星光圖像檢測流程圖

常用的圖像預處理方法包括灰度線性拉伸、形態(tài)濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡等方法。考慮到大氣相干長度測量的特點,本系統(tǒng)采用經(jīng)典中值濾波方法,既能降低噪聲影響,又能維持圖像細節(jié)不變。

完成背景濾波后,需要根據(jù)一定準則確定背景閾值的灰度值大小T,在閾值分割的時候?qū)⒒叶戎敌∮诘扔赥的部分作為背景,而灰度值大于T的部分作為目標。由于信號光斑邊緣灰度值變化是一個漸變的過程,為了選定一個較為適中的閾值,可以選擇邊緣統(tǒng)計法[8]進行統(tǒng)計,求出圖像邊緣灰度值的均值Gavg和均方差值σ,則閾值T可表示為:

T=Gavg+k·σ

(15)

式中,k為置信因子,設背景符合高斯分布,取k=2.6則代表閾值T包含了99.5%以上的背景。

根據(jù)以上方法計算出背景閾值,然后采用區(qū)域生長法找出圖像中灰度值大于背景閾值的連通區(qū)域。其基本思想是以光斑圖像中灰度值最大的像元作為初始種子,搜索并標記種子周圍大于背景閾值的點,認為此點與種子屬于同一連通區(qū)域,將此點灰度值歸零后,按此方法繼續(xù)搜索直到找不到灰度值大于背景閾值的點為止,此為連通區(qū)域1,區(qū)域內(nèi)的點灰度值都已歸零；然后找出圖像中下一個灰度值最大的像元作為2號種子,重復上述步驟建立連通區(qū)域2…依次進行n次搜索,建立n個連通區(qū)域,這n個連通區(qū)域中像元數(shù)量最多的兩個即為光斑區(qū)域。通過連通性分析消除圖像虛假目標之后,采用質(zhì)心算法提取質(zhì)心位置。

圖4 圖像預處理結(jié)果

5 觀星實驗

為了驗證大氣相干長度測量系統(tǒng)全天時工作能力,選擇晴朗上午在長春市凈月潭國家森林公園西山進行觀星實驗,觀測地點海拔268.4 m,東經(jīng)125°25′,北緯43°46′,太陽高度角45°。實驗使用子孔徑80 mm、子瞳間距200 mm的透射式光學系統(tǒng),加裝650～750 nm波段帶通濾光片,EMCCD相機分辨率1024×1024,積分時間10 ms,增益260,目標光斑彌散大小約為10×10個像元。

由于受大氣透過率、地面雜散光以及觀測目標星光譜特性的影響,實際野外測量活動中,目標信噪比遠遠低于理論值,即使經(jīng)過圖像預處理,符合觀測要求的實際星等也明顯高于理論極限探測星等。通過表1所列北方天空小熊星座所屬幾顆不同星等的恒星白天實拍灰度值與所對應信噪比可知,星等較高的北極星(小熊座α)和小熊座γ都可以作為全天時連續(xù)觀測大氣相干長度的目標星。

表1 白天不同星等目標實拍灰度值

為了檢驗系統(tǒng)白天對r0的測量能力,實驗小組選擇目視星等低于北極星的小熊座γ星(3等星)為目標,進行連續(xù)24 h的觀測。為避免觀測天頂角角度不同所引起的大氣湍流強度測量誤差,可將不同仰角的r0測量值均以天頂角為0°進行反演,圖5為反演后得到整層大氣相干長度r0隨時間變化的曲線。由圖可知,長春地區(qū)夜間大氣湍流強度較弱,后半夜優(yōu)于前半夜；上午大氣湍流開始逐漸增強,并在中午時段達到峰值,此時r0為4 cm；而后持續(xù)減弱,并在黃昏時段達到最小值?？梢钥闯龃髿馔牧鲝姸染哂酗@著的時刻轉(zhuǎn)換特征；觀測曲線基本符合近地面大氣湍流強度隨時間變化的經(jīng)驗規(guī)律[9]。

圖5 整層大氣相干長度隨時間變化曲線

6 結(jié) 論

白天強背景光條件下,高探測信噪比是大氣相干長度測量系統(tǒng)正常工作保障。EMCCD相機在紅光波段具有較高的量子效率,配合合適的光譜濾光片,可使中心波長向紅光區(qū)大范圍偏移,極大地減小了背景光輻射的入射強度,提高了入射星光信號與背景光的對比度。由文中對系統(tǒng)成像時噪聲分析可知,EMCCD相機利用電子倍增的增益方式可有效地減少讀出噪聲對成像質(zhì)量的影響；同時采取TEC制冷技術將暗電流噪聲降低到一個極小值；雖然引入了電子倍增噪聲因子,但對系統(tǒng)整體信噪比影響不大。通過在野外環(huán)境對小熊座γ星的24 h連續(xù)測量,得到了長春地區(qū)整層大氣相干長度隨時間變化曲線,不僅有效地證明了該全天時大氣相干長度測量系統(tǒng)的實用性,也反映出EMCCD相機相對于傳統(tǒng)CCD相機在白天觀星能力上的優(yōu)勢。

目前,EMCCD相機在大氣相干長度測量系統(tǒng)剛剛開始初步應用,有針對性的應用控制軟件開發(fā)還不成熟。實際上,全天時大氣相干長度測量系統(tǒng)作為一種大氣參數(shù)長期監(jiān)測設備,工作時常會遇到薄云遮擋致星光變暗、陰天背景光峰值波長向紅光區(qū)移動、太陽規(guī)避角過小致局部背景光飽和等情況,這會造成測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)粗大誤差甚至測試中斷。如果能將EMCCD相機的ROI(region of interesting)技術、自動增益設置、自適應積分調(diào)節(jié)等功能充分整合利用起來,進一步挖掘EMCCD相機的探測潛力,應該能為解決這一類問題提供有效的途徑。相信隨著導星跟蹤技術的發(fā)展及軟件算法的改善,探測靈敏度高、噪聲小的EMCCD相機在大氣湍流參數(shù)測量領域中會有更廣闊的應用空間。

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