張 雷,佟首峰,趙 馨

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空地激光通信技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130022; 3.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

作為一種長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)大氣湍流變化的測(cè)試設(shè)備,大氣相干長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的晝夜觀測(cè)環(huán)境有很大的差別,白天的天空背景輻射影響遠(yuǎn)大于夜間。傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)在夜間工作時(shí)以恒星(例如北極星)為觀測(cè)目標(biāo),白天時(shí)段則通過遮光罩與濾光片組的輔助,將太陽(yáng)邊緣作為觀測(cè)目標(biāo)。這種方法可以實(shí)現(xiàn)高信噪比觀測(cè),不過晝夜交替時(shí),相較目標(biāo)星而言,天空背景光強(qiáng)度仍很大,這會(huì)給目標(biāo)恒星光斑的提取帶來很大難度；此時(shí),若太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)到地平線以下,則會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致觀測(cè)目標(biāo)的缺失。根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn),晨昏時(shí)大氣湍流強(qiáng)度恰處于峰值轉(zhuǎn)換階段,是研究湍流強(qiáng)度特性的關(guān)鍵期。因此系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的觀測(cè)。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的,本文提出一種以恒星為目標(biāo)的全天時(shí)測(cè)量方法,選用紅光波段量子效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)CCD的EMCCD相機(jī)作為光電探測(cè)器,配合有效的光譜濾波和圖像處理技術(shù)在白天強(qiáng)天空背景光影響下對(duì)恒星目標(biāo)光斑提取,實(shí)現(xiàn)對(duì)整層大氣相干長(zhǎng)度的全天不間斷測(cè)量。

長(zhǎng)期以來,CCD或CMOS相機(jī)是大氣相干長(zhǎng)度測(cè)試設(shè)備常用的光電探測(cè)組件,而近年來一些新型傳感器逐步進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段,其中就包括EMCCD相機(jī)。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(yīng)[1-2]產(chǎn)生大量新的電子,信號(hào)電荷在進(jìn)入讀出放大器前就進(jìn)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(dá) 1000倍左右,因此在同樣的積分時(shí)間內(nèi),EMCCD 的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)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(shí)大氣相干長(zhǎng)度測(cè)試系統(tǒng)主要由光學(xué)接收單元、光電轉(zhuǎn)換單元以及圖像處理單元三部分組成。考慮到長(zhǎng)期野外實(shí)驗(yàn)條件的限制,系統(tǒng)光路采用透射式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),整個(gè)系統(tǒng)由雙口徑開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)、平面反射鏡、可插拔的濾光片組與衰減片組、準(zhǔn)直鏡、光楔、成像鏡、EMCCD相機(jī)、導(dǎo)星轉(zhuǎn)臺(tái)及主控計(jì)算機(jī)等部分構(gòu)成[3],圖1為系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 透射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1中可以看出,兩個(gè)獨(dú)立口徑的透鏡組形成了差分像運(yùn)動(dòng)測(cè)量所需要的子光瞳,光路中放置光楔,從而使同一目標(biāo)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(jì)兩像點(diǎn)相對(duì)位置變化的方差,可以反演出大氣相干長(zhǎng)度r0,其具體公式為:

(1)

(2)

(3)

當(dāng)目標(biāo)星的天頂距為γ時(shí),歸算至天頂?shù)南喔砷L(zhǎng)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(dú)立,必須滿足如下關(guān)系:

d≥2D

(5)

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)全天時(shí)工作示意圖如圖2所示。

圖2 全天時(shí)大氣相干長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)工作示意圖

3 探測(cè)信噪比與極限星等分析

3.1 光譜濾光片中心波長(zhǎng)的選取

白天觀測(cè)恒星目標(biāo)時(shí),通常選擇星等較高、長(zhǎng)波輻射較強(qiáng)的恒星,這是因?yàn)榘滋焯炜毡尘拜椛涔庾V特性向短波漂移,峰值波長(zhǎng)在485～495 nm之間,其輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)增加而迅速降低,在光學(xué)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(biāo)星光斑的采集。顯然,光譜濾光片的中心波長(zhǎng)選取范圍應(yīng)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(jī)(以Andor公司的iXon_888為例)在700 nm波長(zhǎng)附近響應(yīng)效率仍然可以保持在90%左右,因此光譜濾光片的中心波長(zhǎng)可定為700 nm,考慮到長(zhǎng)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(jī)探測(cè)能力分析

3.2.1 EMCCD相機(jī)主要噪聲分析[4]

噪聲是衡量光電探測(cè)器性能的重要指標(biāo)之一。與傳統(tǒng)的CCD相機(jī)類似,EMCCD相機(jī)主要噪聲是散彈噪聲σshot、暗電流噪聲σdark和讀出噪聲σreadout,同時(shí)由于EMCCD自身的倍增機(jī)制還會(huì)受到電子倍增等附加噪聲影響。EMCCD相機(jī)在觀星時(shí)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(jī)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(dá)式為:

(7)

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

(8)

式中,D為某個(gè)溫度條件下,每個(gè)像元單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的暗電流電子數(shù)；t為曝光時(shí)間。對(duì)于EMCCD相機(jī)來說,暗電流噪聲會(huì)隨著信號(hào)倍增而同樣倍增放大,使之成為了限制探測(cè)器靈敏度的一個(gè)主要因素,系統(tǒng)所選用的Andor公司的iXon_888 EMCCD相機(jī)采用了TEC制冷方式,利用風(fēng)冷或水冷方法保證環(huán)境溫度為20 ℃時(shí),將器件長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定制冷在-80 ℃左右,此時(shí)探測(cè)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(fù)位噪聲、電荷經(jīng)過放大器的熱噪聲和1/f噪聲等。當(dāng)輸出頻率較高時(shí),讀出噪聲是傳統(tǒng)CCD探測(cè)器最主要的噪聲來源,而EMCCD相機(jī)在電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化成視頻信號(hào)之前就進(jìn)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(cè)器接收信噪比。假設(shè)探測(cè)器單位像元接收到的星光信號(hào)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(jiǎn),得:

(10)

由上式可見,EMCCD相機(jī)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(cè)極限星等分析

通過對(duì)EMCCD噪聲特性分析可知,系統(tǒng)白天觀星時(shí),天空背景光遠(yuǎn)強(qiáng)于目標(biāo)星光,其所產(chǎn)生的光子散彈噪聲也遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)白天所觀測(cè)的恒星星等為M,目標(biāo)信號(hào)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(jì)算的精度,必須滿足N≥4[6]；Ta為大氣透過率,設(shè)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(cè)極限時(shí),通常認(rèn)為探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)要大于或等于噪聲的5倍,則EMCCD可探測(cè)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(duì)積分時(shí)間t和視場(chǎng)角Ω進(jìn)行優(yōu)化選取,可以有效提高使系統(tǒng)的探測(cè)極限星等M。其中,積分時(shí)間超過一定值時(shí)會(huì)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(cè)器飽和,為了避免這一情況,可將t設(shè)為10 ms；由于目標(biāo)星光屬于平行光,光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角的大小只影響入射背景光的強(qiáng)弱,而與信號(hào)光強(qiáng)度無關(guān),因此應(yīng)盡量減小Ω的值。在參考所測(cè)大氣相干長(zhǎng)度范圍以及保證導(dǎo)星轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤精度的前提下,可設(shè)系統(tǒng)視場(chǎng)角為1°×1°。將所有參量代入公式(14),得系統(tǒng)白天可探測(cè)極限星等約為7.35。

4 天空背景下星光目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)

傳統(tǒng)大氣相干長(zhǎng)度測(cè)試裝置無論是夜間觀星還是白天觀測(cè)太陽(yáng)邊緣,所得到的圖像目標(biāo)與背景對(duì)比度都很高,可以直接利用閾值分割法進(jìn)行光斑提取。白天觀星時(shí),天空背景相對(duì)較強(qiáng)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(yán)重降低探測(cè)信噪比,造成目標(biāo)提取失敗。因此需要首先采用合適的圖像預(yù)處理方法抑制背景光,再輸出光斑質(zhì)心,以提高白天強(qiáng)背景光條件下大氣相干長(zhǎng)度測(cè)試精度。全天時(shí)大氣相干長(zhǎng)度測(cè)試系統(tǒng)光斑檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 星光圖像檢測(cè)流程圖

常用的圖像預(yù)處理方法包括灰度線性拉伸、形態(tài)濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。考慮到大氣相干長(zhǎng)度測(cè)量的特點(diǎn),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(xì)節(jié)不變。

完成背景濾波后,需要根據(jù)一定準(zhǔn)則確定背景閾值的灰度值大小T,在閾值分割的時(shí)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(biāo)。由于信號(hào)光斑邊緣灰度值變化是一個(gè)漸變的過程,為了選定一個(gè)較為適中的閾值,可以選擇邊緣統(tǒng)計(jì)法[8]進(jìn)行統(tǒng)計(jì),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(shè)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(jì)算出背景閾值,然后采用區(qū)域生長(zhǎng)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(biāo)記種子周圍大于背景閾值的點(diǎn),認(rèn)為此點(diǎn)與種子屬于同一連通區(qū)域,將此點(diǎn)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(diǎn)為止,此為連通區(qū)域1,區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)灰度值都已歸零；然后找出圖像中下一個(gè)灰度值最大的像元作為2號(hào)種子,重復(fù)上述步驟建立連通區(qū)域2…依次進(jìn)行n次搜索,建立n個(gè)連通區(qū)域,這n個(gè)連通區(qū)域中像元數(shù)量最多的兩個(gè)即為光斑區(qū)域。通過連通性分析消除圖像虛假目標(biāo)之后,采用質(zhì)心算法提取質(zhì)心位置。

圖4 圖像預(yù)處理結(jié)果

5 觀星實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證大氣相干長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)全天時(shí)工作能力,選擇晴朗上午在長(zhǎng)春市凈月潭國(guó)家森林公園西山進(jìn)行觀星實(shí)驗(yàn),觀測(cè)地點(diǎn)海拔268.4 m,東經(jīng)125°25′,北緯43°46′,太陽(yáng)高度角45°。實(shí)驗(yàn)使用子孔徑80 mm、子瞳間距200 mm的透射式光學(xué)系統(tǒng),加裝650～750 nm波段帶通濾光片,EMCCD相機(jī)分辨率1024×1024,積分時(shí)間10 ms,增益260,目標(biāo)光斑彌散大小約為10×10個(gè)像元。

由于受大氣透過率、地面雜散光以及觀測(cè)目標(biāo)星光譜特性的影響,實(shí)際野外測(cè)量活動(dòng)中,目標(biāo)信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值,即使經(jīng)過圖像預(yù)處理,符合觀測(cè)要求的實(shí)際星等也明顯高于理論極限探測(cè)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(shí)拍灰度值與所對(duì)應(yīng)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(shí)連續(xù)觀測(cè)大氣相干長(zhǎng)度的目標(biāo)星。

表1 白天不同星等目標(biāo)實(shí)拍灰度值

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)白天對(duì)r0的測(cè)量能力,實(shí)驗(yàn)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(biāo),進(jìn)行連續(xù)24 h的觀測(cè)。為避免觀測(cè)天頂角角度不同所引起的大氣湍流強(qiáng)度測(cè)量誤差,可將不同仰角的r0測(cè)量值均以天頂角為0°進(jìn)行反演,圖5為反演后得到整層大氣相干長(zhǎng)度r0隨時(shí)間變化的曲線。由圖可知,長(zhǎng)春地區(qū)夜間大氣湍流強(qiáng)度較弱,后半夜優(yōu)于前半夜；上午大氣湍流開始逐漸增強(qiáng),并在中午時(shí)段達(dá)到峰值,此時(shí)r0為4 cm；而后持續(xù)減弱,并在黃昏時(shí)段達(dá)到最小值。可以看出大氣湍流強(qiáng)度具有顯著的時(shí)刻轉(zhuǎn)換特征；觀測(cè)曲線基本符合近地面大氣湍流強(qiáng)度隨時(shí)間變化的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律[9]。

圖5 整層大氣相干長(zhǎng)度隨時(shí)間變化曲線

6 結(jié) 論

白天強(qiáng)背景光條件下,高探測(cè)信噪比是大氣相干長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)正常工作保障。EMCCD相機(jī)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(zhǎng)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(qiáng)度,提高了入射星光信號(hào)與背景光的對(duì)比度。由文中對(duì)系統(tǒng)成像時(shí)噪聲分析可知,EMCCD相機(jī)利用電子倍增的增益方式可有效地減少讀出噪聲對(duì)成像質(zhì)量的影響；同時(shí)采取TEC制冷技術(shù)將暗電流噪聲降低到一個(gè)極小值；雖然引入了電子倍增噪聲因子,但對(duì)系統(tǒng)整體信噪比影響不大。通過在野外環(huán)境對(duì)小熊座γ星的24 h連續(xù)測(cè)量,得到了長(zhǎng)春地區(qū)整層大氣相干長(zhǎng)度隨時(shí)間變化曲線,不僅有效地證明了該全天時(shí)大氣相干長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)用性,也反映出EMCCD相機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)CCD相機(jī)在白天觀星能力上的優(yōu)勢(shì)。

目前,EMCCD相機(jī)在大氣相干長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)剛剛開始初步應(yīng)用,有針對(duì)性的應(yīng)用控制軟件開發(fā)還不成熟。實(shí)際上,全天時(shí)大氣相干長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)作為一種大氣參數(shù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)設(shè)備,工作時(shí)常會(huì)遇到薄云遮擋致星光變暗、陰天背景光峰值波長(zhǎng)向紅光區(qū)移動(dòng)、太陽(yáng)規(guī)避角過小致局部背景光飽和等情況,這會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)粗大誤差甚至測(cè)試中斷。如果能將EMCCD相機(jī)的ROI(region of interesting)技術(shù)、自動(dòng)增益設(shè)置、自適應(yīng)積分調(diào)節(jié)等功能充分整合利用起來,進(jìn)一步挖掘EMCCD相機(jī)的探測(cè)潛力,應(yīng)該能為解決這一類問題提供有效的途徑。相信隨著導(dǎo)星跟蹤技術(shù)的發(fā)展及軟件算法的改善,探測(cè)靈敏度高、噪聲小的EMCCD相機(jī)在大氣湍流參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域中會(huì)有更廣闊的應(yīng)用空間。

[1] SU Xuezheng.EMCCD technology-tingle photon imaging detection[J].Modern Scientific Instruments,2005,(2):51-53.(in Chinese)

蘇學(xué)征.EMCCD技術(shù)-單光子水平的成像探測(cè)[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2005,(2):51-53.

[2] LU Jiali,LI Binhua,HU Po.A method of determining EMCCD electron multiplication gain[J].Acta Armamentarii,2015,36(4):710-715(in Chinese)

盧家莉,李彬華,胡泊.一種電子倍增CCD電子倍增增益的確定方法[J].兵工學(xué)報(bào),2015,36(4):710-715.

[3] XIANG E,LU Xiaomeng,JIANG Xiaojun.Lucky imaging system on the 50 cm telescope at Xinglong observatory[J].Infrared and Laser Engineering,2015,44(4):1278-1283.(in Chinese)

向娥,盧曉猛,姜曉軍.基于興隆觀測(cè)基地 50 cm 望遠(yuǎn)鏡的幸運(yùn)成像系統(tǒng)[J].紅外與激光工程,2015,44(4):1278-1283.

[4] HE Jiawei, HE Xin,WEI Zhonghui,et al.Design and application of EMCCD camera for full-time star sensor[J].Infrared Technology,2013,35(11):718-722.(in Chinese)

何家維,何昕,魏仲慧,等.EMCCD 相機(jī)在全天時(shí)星敏感器中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].紅外技術(shù),2013,35(11):718-722.

[5] Kurt L,Brain D,Alexander C,et al.Daytime aspect camera for balloon altit-udes[J].Opt Eng,2002,41(10):2641-2651.

[6] WAN Min, SU Yi,YANG Rui,et al.Improvement of signal to noise ratio in astronomical objects detection in daytime[J].High Power Laser and Particle Beams,2003,15(2):1151-1154.(in Chinese)

萬敏,蘇毅,楊銳,等.提高白天觀測(cè)星體信噪比的方法研究[J].強(qiáng)激光與粒子束,2003,15(2):1151-1154.

[7] LIEBEC C.Accuracy performance of star trackers-atutorial[J].IEEE,2002,38(2):587-599.

[8] GAO Yang,ZHANG Ke,LI Yanjun.Edge det-ection investigation of low-SNR infrared image based on noise probability[J].Infrared and Laser Engineering,2005,34(4):459-463.(in Chinese)

高陽(yáng),張科,李言俊.低信噪比紅外圖像的快速統(tǒng)計(jì)法邊緣提取[J].紅外與激光工程,2005,34(4):459-463.

[9] CHEN Xiaowei,SUN Gang,LIU Qing,et al.Contribution of the surface layer to the integral turbulence in Northwest Plateau[J].Acta Optica Sinica,2015,35(11):1101006.(in Chinese)

陳曉威,孫剛,劉慶,等.近地面湍流對(duì)整層湍流的貢獻(xiàn)及相關(guān)研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(11):1101006.