EMCCD附加噪声对天文高分辨成像的影响.pdf

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1、Vo1．10No．1天文研究与技术第1O卷第l期Jan．，2013ASTR0N0MICALRESEARCHANDTECHN0L0GY2013年1月CN53—1189／PISSN1672—7673EMCCD附加噪声对天文高分辨成像的影响张向波，金振宇(中国科学院云南天文台，云南昆明650011)摘要：讨论了电子倍增电荷耦合器件(Electron—MultiplyingCharge-CoupledDevice，EMCCD)附加噪声的产生机理及特性，通过模拟详细分析了EMCCD附加噪声对天文图像高分辨统计重建技术——斑点干涉术传递函数信噪比的影响，并和实验进行了对比，结果表明，在

2、星体暗弱时，由附加噪声引入的偏差将使斑点干涉术重建的信噪比下降，严重影响重建的结果，必须加以改正。由实测数据重建结果可以看出，噪声偏差改正模型基本解决了EMCCD附加噪声对斑点干涉术在重建目标自相关或模时的影响。关键词：高分辨统计重建；斑点干涉术；EMCCD；附加噪声；信噪比中圈分类号：Pl11．2：TP212．14文献标识码：A文章编号：1672—7673(2013)O1—0062—07对星体的高分辨率成像是天文观测的重要目标之一。高分辨统计重建技术是目前地面望远镜实现高分辨率成像的主要方法之一，可分为频域统计重建方法和空域统计重建方法两类。斑点干涉术]作为频域统计重建方

3、法的典型代表，主要是通过对目标系列斑点图的功率谱进行统计从而实现目标的模或自相关的高分辨重建。为方便描述斑点干涉术重建方法，进行以下定义：目标为0(，Y)，大气一望远镜瞬时点扩散函数为h(，Y)，目标斑点图为(，Y)；其频谱分别为0(“，)、H(“，)、，(“，)。在满足等晕性条件下(，y)=0(，Y)(，Y)(1)，(，)：0(，)·日(，'／3)(2)(1)式和(2)式中，，Y为空间坐标变量；u，为空间频率坐标变量；符号。代表卷积算符；符号·代表乘积算符。遍历假设下，时间平均代替系综平均，目标斑点图的功率谱统计结果为：<，(u，)，(u，)>=0(M，)0(／．t，)·

4、(3)从而D(u，口)0(M，)=(4)<，／1，>(3)式和(4)式中，<⋯>表示对其中的函数进行时间平均；号表示取相应函数的复共轭；<(“，)H(Ⅱ，)>是大气一望远镜瞬时点扩散函数功率谱的统计结果，称斑点干涉术的传递函数(SpecklelnterferometryTransferFunction，SITF)。如果(4)式的分子和分母都具有高频信息，且有足够高的信噪比，则可以重建目标功率谱的高频信息。所以获得高信噪比的斑点干涉术的传递函数是斑点干涉术重建目标模的关键。实际观测时斑点干涉术的传递函数可通过在保持二阶乎稳的时间和空间延迟范围内寻找一

5、颗点源单星获得瞬时点扩散函数的平均功率谱，作为斑点干涉术传递函数。高分辨统计重建技术的数据主要是冻结大气湍流的目标系列短曝光图像，获得信噪比高的目标短曝光图像是高分辨统计重建的首要工作。常规CCD中读出噪声小的其读出速度慢，难以获得短曝光图像；读出速度快的其读出噪声大，斑点图信噪比不高。增强型CCD(ICCD)虽然有电子倍增效应，可对入射信号实现放大，但是其量子效率低。电子倍增CCD(EMCCD)是在常规CCD结构的基础基金项目：国家自然科学基金(11078004)资助．收稿13期：2012—03—05，修定日期：2012—05-17作者简介：张向波，男，硕士．研究方向：信

6、号处理．Email：zxiangb@ynao．ac．cn1期张向波等：EMCCD附加噪声对天文高分辨成像的影响63上，在读出寄存器后又连续增加一串“增益寄存器”(全固态)，实现信号放大。EMCCD采用超低温深度制冷减小暗电流，利用高的倍增增益(EMGain)抑制读出噪声，可获得常规CCD无法比拟的信噪比。EMCCD又因其具有微光探测能力、高量子效率、高读出速率、有利于获得短曝光图像等特点，目前成功应用于暗弱目标的高分辨成像中J。EMCCD相对于常规CCD和ICCD虽然可获得信噪比高的短曝光图像，但是其附加噪声不同于常规CCD和ICCD，其附加噪声在天文目标观测中对斑点图信噪

7、比及高分辨成像结果产生那些影响，尤其是当所观测目标非常暗弱时。本文在理论分析基础上通过模拟详细分析了EMCCD的附加噪声对天文目标高分辨统计重建技术——斑点干涉术传递函数信噪比的影响，并和实验进行了对比，同时对EMCCD附加噪声产生的偏差进行了改正。对观测数据利用斑点干涉术进行重建时，通过对噪声偏差进行改正，可以有效抑制噪声偏差对目标功率谱和自相关重建结果的影响，这样可更准确的测定双星的相对强度比。1EMCCD的附加噪声EMCCD的附加噪声主要包括4方面：倍增噪声(MultiplicationNoise)、暗电流(