CN102538757A - 亮源及其周边暗源目标的观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种亮源及其周边暗源目标的观测方法，由4片CCD的光敏成像区相互靠近，拼接在相机杜瓦瓶内的一块制冷铜板上；4片CCD的曝光、成像和读出可以由相机控制器单独控制；在控制器的协调控制下，一片CCD对亮源进行连续的短时间曝光、成像、读出和叠加，同时，其余三片CCD对暗源目标进行长时间曝光、成像和读出；将4片CCD上的图像在相机控制器中合成，得到1幅包含亮源和暗源的CCD图像。本发明可以同时获得亮源和其周边暗源目标的高质量图像；为不同亮度的天体测量（如测光和测距）或目标监控提供方便。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测与成像技术领域，尤其是一种能用拼接CCD成像***同时观测亮源及其附近周边暗源目标的成像技术方法。
背景技术
CCD是一种光电转换器件，从上世纪70年代以来，作为光学图像的电子传感器，被广泛应用于各类光电探测与成像***中。在2个或更多个观测目标亮度差别不大时，或者它们的亮度差别稍大但其在视场中的距离较远时，目前CCD都能同时获得这些目标的高质量图像，但是如果要观测到亮源周边的暗源目标，目前大多数的普通CCD相机是难以做到的。这是因为暗源目标需要较长时间的曝光（积分）才能成像，亮源在同样的曝光时间内则必然饱和并溢出，从而淹没其附近的暗源目标图像；而这样的观测目标和需求，如太阳系中大行星及其周边卫星的观测、太阳系外的恒星及其周边行星的观测、夜晚强光附近的其它光学或红外目标等，又确实存在。
为了完成这一特殊类型的观测任务，需要设计新的观测方法、采用新的技术手段及其相应的成像终端设备。在2000年第45卷第3期《科学通报》（英文版）上，叶彬浔、初一发表的论文“亮源周边暗源目标的成像新方法”一文，提出了一种CCD分离读出技术（SRT），其基本思想是将一片CCD的光敏面分成两个区，将亮源导入靠近读出放大器的区域，对其短曝光并以开窗方式快速读出；而将暗源目标导入远离读出放大器的另一个区，对其长曝光后以通常方式读出。由于当时客观条件的限制，SRT只在较小的范围获得了成功的应用，部分解决一些亮源周边暗源目标的成像问题。由于其CCD成像和读出必须使用原相机***的硬件（同一片CCD、同一套读出电路），成像方法和图像质量受到很大的制约；此外，观测方向限制较大，需要随时调整成像终端的观测角度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种亮源及其周边暗源目标的观测方法；可以同时获得亮源和其周边暗源目标的高质量图像；为不同亮度的天体测量（如测光和测距）或目标监控提供方便。
本发明采用的技术方案是：首先将4片CCD的光敏成像区相互靠近，拼接在相机杜瓦瓶内的一块制冷铜板上；其次在控制器的协调控制下，一片CCD对亮源进行连续的短时间曝光、成像、读出和叠加，同时，其余三片CCD对暗源目标进行长时间曝光、成像和读出；最后将4片CCD上的图像在相机控制器中合成，得到1幅包含亮源和暗源的CCD图像。
所述4片CCD的曝光、成像和读出可以由相机控制器单独控制；相机控制器的CCD读出通道是独立的，图像数据位宽可以自由设置；4片CCD均是帧转移或行间转移的2边可拼接CCD器件；相机采用杜瓦瓶或其它密封体对安装于其内部的4片拼接CCD器件进行制冷；所观察的亮源和其周边暗源目标，并不限于天文观测中的天体对象，也可以是夜晚出现在空中或地面的光学或红外亮源和暗源目标。
本发明有益效果是：对于亮度差别不大的观测对象，本发明就是一个大成像面的CCD相机，一个一机多用的拼接CCD成像***；可以同时获得亮源和其周边暗源目标的高质量图像；为不同亮度的天体测量（如测光和测距）或目标监控提供方便。
附图说明
图1是本发明4片CCD的拼接示意图；
图2是本发明需要观测的亮源和多个暗源目标位置示意图；
图3是本发明观测亮源和暗源目标1、5的方法示意图；
图4是本发明观测亮源和暗源目标2、4的方法示意图；
图5是本发明中杜瓦瓶逆时针旋转45度时观测亮源和暗源目标3、5的方法示意图；
图6是本发明中杜瓦瓶逆时针旋转45度时观测亮源和暗源目标2、6的方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体过程：
如图1所示是4片帧转移读出方式的CCD器件在相机杜瓦瓶中制冷板上的拼接示意图。其中间的水平和垂直虚线和粗实线将该图分成4个部分：左上部分是第一片（即CCD1）的图像存储区和光敏成像区；右上部分是第二片（即CCD2）的图像存储区和光敏成像区；左下部分是第三片（即CCD3）的图像存储区和光敏成像区；右下部分是第四片（即CCD4）的图像存储区和光敏成像区。中间水平和垂直粗线是这4片CCD拼接的边界缝隙。为提高图像质量，应尽量减少拼接边界缝隙，即选用或定制可拼接的CCD器件，例如采用e2v公司生产的拼接CCD，这样既可减少拼接缝隙，又可降低相机杜瓦瓶内CCD拼接安装和制冷的难度，并提高***的可靠性。如果采用行间转移的CCD器件，则图1中的4片CCD的图像存储区位于光敏成像区的下方或者后面。
如图2所示，假设要观测的对象是亮源和其周围的6个暗源目标，暗源目标的位置是任意的，该图中的位置仅为说明观测方法的示意图。下面结合图3、4、5、6，说明亮源和这些暗源目标的观测方法。
使用望远运动镜控制***，将亮源导入到相机视场的任意一片CCD成像区中间。相机控制4片CCD同时按相同的短曝光时间，对亮源成像和读出。短曝光时间的长短，由亮源的具体情况确定，即是使其图像中没有饱和的像素，也就自然没有溢出，获得质量优良的图像。注意，这里所谓的“短曝光时间”是与观测暗源目标时的“长曝光时间”相对的而言的，不同观测对象的亮源所用的“短曝光时间”可以是完全不同的时间数量。
要观测亮源和暗源目标1、5，首先使用望远镜控运动制***的微调功能，将亮源导入到CCD4的成像区的左上角位置，并尽量让其接近CCD4的左边线和上边线，如图3所示。然后，相机控制器控制CCD1、CCD2、CCD3采用长曝光时间对亮源左边和上边附近的暗源目标成像观测，即图3中目标1、5、6；同时，相机控制器控制CCD4对亮源进行连续的短曝光时间的成像、读出和数据叠加。由于采用的是帧转移或行间转移读出方式的CCD器件，可以不使用快门，亮源读出时，暗源目标仍然在曝光。由于采用的是拼接CCD的形式，各CCD读出通道是分离的，亮源读出也不会影响其它3片CCD的曝光。由于采用对亮源进行连续的短曝光时间的成像、读出和数据叠加，亮源的图像不会出现饱和，不过其数据的输出位宽将可能比相机模数转换器（ADC）的位宽大得多。例如，相机ADC是16位的，则在相机控制器设定时，要使用24位或32位图像数据位宽的设置。另3片CCD由于不会受到亮源饱和溢出的影响，采用长曝光时间，可以获得较好的成像效果。当然，由于4片CCD拼接缝隙的存在，在图3中，暗源目标6正处在拼接缝隙上，不可使用，但暗源目标1、5的图像是可以用的。这样，所得到的就是在相同曝光时间内，亮源和暗源目标1、5同时成像的结果。
要观测亮源和暗源目标2、4，首先使用望远镜控运动制***的微调功能，将亮源导入到CCD1的成像区的右下角位置，并尽量让其接近CCD1的右边线和下边线，如图4所示。然后，相机控制器控制CCD2、CCD3、CCD4采用长曝光时间对亮源右边和下边附近的暗源目标成像观测，即图4中目标2、3、4；同时，相机控制器控制CCD1对亮源进行连续的短曝光时间的成像、读出和数据叠加。图4中，暗源目标3正处在拼接缝隙上，不可使用，但暗源目标2、4的图像是可以用的。这样，所得到的就是在相同曝光时间内，亮源和暗源目标2、4同时成像的结果。
显然，以上2个观测实例，主要是对图2中处于亮源近处正上、正下和正左、正右的暗源目标的观测，以及距离亮源稍微远一点的其它方位处的且不在CCD拼接缝隙上的暗源目标的观测。如果要对亮源近处左上、左下和右上、右下的暗源目标观测，则需要将CCD相机终端旋转45度，顺时针或逆时针均可。具体操作时，将CCD相机终端（即杜瓦瓶）与望远镜的机械接口法兰盘相对前述观测的位置转动约45度即可。由于天空的亮源和暗源目标位置是不变的，仍然是图2所示的位置，成像终端的旋转，将使亮源和暗源目标相对于CCD成像面发生变化。
以下通过杜瓦瓶逆时针旋转45度的情况加以说明：
如图5、图6所示。要观测亮源和暗源目标3、5，首先使用望远镜控运动制***的微调功能，将亮源导入到CCD2的成像区的左下角位置，并尽量让其接近CCD2的左边线和下边线，如图5所示。然后，相机控制器控制CCD1、CCD3、CCD4采用长曝光时间对亮源右下边和左下边附近的暗源目标成像观测，即图5中目标3、4、5；同时，相机控制器控制CCD2对亮源进行连续的短曝光时间的成像、读出和数据叠加。图5中，暗源目标4正处在拼接缝隙上，不可使用，但暗源目标3、5的图像是可以用的。这样，所得到的就是在相同曝光时间内，亮源和暗源目标3、5同时成像的结果。
要观测亮源和暗源目标2、6，首先使用望远镜控运动制***的微调功能，将亮源导入到CCD3的成像区的右上角位置，并尽量让其接近CCD3的右边线和上边线，如图6所示。然后，相机控制器控制CCD1、CCD2、CCD4采用长曝光时间对亮源右上边和左上边附近的暗源目标成像观测，即图6中目标1、2、6；同时，相机控制器控制CCD3对亮源进行连续的短曝光时间的成像、读出和数据叠加。图6中，暗源目标1正处在拼接缝隙上，不可使用，但暗源目标2、6的图像是可以用的。这样，所得到的就是在相同曝光时间内，亮源和暗源目标2、6同时成像的结果。
实现这一观测方法的CCD成像***，与一个普通的具有制冷功能的低噪声的拼接CCD相机类似。但有2点不同：其一是，CCD相机是帧转移读出的或者是行间转移读出的；另一是，控制每片CCD读出的通道是独立的，图像数据可以在相机控制器内叠加，且图像数据位宽可以设置成比实际ADC位宽大。所以，只要有一个通用的帧转移或行间转成像方式的4片CCD拼接相机，通过修改其控制器电路中可编程器件的固件，就可以实现本发明的成像***和观测方法。
本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。
Claims (2)
1.一种亮源及其周边暗源目标的观测方法，其特征是：首先将4片CCD的光敏成像区相互靠近，拼接在相机杜瓦瓶内的一块制冷铜板上；其次在控制器的协调控制下，一片CCD对亮源进行连续的短时间曝光、成像、读出和叠加，同时，其余三片CCD对暗源目标进行长时间曝光、成像和读出；最后将4片CCD上的图像在相机控制器中合成，得到1幅包含亮源和暗源的CCD图像。
2.根据权利要求1所述的一种亮源及其周边暗源目标的观测方法，其特征是：所述4片CCD的曝光、成像和读出可以由相机控制器单独控制；相机控制器的CCD读出的通道是独立的，图像数据位宽可以自由设置。
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