Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://jet.sao.ru/hq/ssl/Opisanie/node2.html
Дата изменения: Unknown
Дата индексирования: Tue Oct 2 00:27:49 2012
Кодировка: koi8-r
Поисковые слова: crab nebula

Инструментальные эффекты и процесс наблюдения

Задача спектральных наблюдений заключается в измерении фотометрических и позиционных характеристик различных деталей в спектре исследуемого объекта, а именно: измерение эквивалентных ширин линий, абсолютных или относительных потоков, лучевых скоростей, относительных сдвигов линий. Очевидно, что точность измерения вышеперечисленных параметров в значительной степени зависит от отношения сигнал/шум в спектре исследуемого объекта. Статистика фотонов попадающих на приемник излучения в первом приближении описывается распределением Пуассона. В общем случае возможны существенные отклонения от пуассоновской статистики, например, при наблюдении в облачную погоду, когда световой поток испытывает случайные вариации. Исследование отклонения статистики отсчетов на матрице ПЗС от пуассоновской выходит за рамки данной работы, статистические законы случайных процессов подробно описаны в литературе (см., например, Ахманов и др., 1981, гл.2). В приближении пуассоновской статистики отношение сигнал/шум равно квадратному корню из сигнала в случае идеального приемника излучения. Матрица ПЗС как неидеальный приемник вносит дополнительные шумы, определяемые в основном так называемым шумом считывания. Определение накопленного заряда в каждом элементе (пикселе) матрицы ПЗС при считывании изображения отягощено ошибкой. В среднем шум считывания у систем ПЗС, используемых сегодня в астрофизических наблюдениях, находится в диапазоне 5-10 электрон на элемент приемника, минимально достигнутое значение около 1 электрона на пиксель. При больших световых потоках шумом считывания ПЗС можно пренебречь, однако при потоках, когда в элементе приемника накапливается небольшое количество электронов, сравнимое с ошибкой счета, шумы считывания оказывают существенное влияние.

Помимо случайных ошибок, влияющих на статистику отсчетов на изображении, матрица ПЗС имеет ряд инструментальных (систематических) эффектов значимо снижающих точность спектральных измерений, к ним относятся: неоднородность чувствительности матрицы и неоднородность тока смещения как крупномасштабная, так и мелкомасштабная (поэлементная), темновой ток, нелинейность приемника, интерференция в подложке матрицы ПЗС, позиционная нестабильность приемника, чувствительность матрицы к высокоэнергетичным ``космическим'' частицам, ``косметические'' особенности ПЗС (темные и светлые столбцы и элементы, ловушки). В общем случае все эти инструментальные эффекты меняются со временем, что необходимо учитывать в процессе наблюдения. Остановимся подробнее на описании основных инструментальных эффектов матрицы ПЗС.

В отсутствие какой-либо засветки матрицы при считывании изображения мы будем получать в среднем ненулевое значение отсчетов, этот начальный уровень сигнала носит название тока смещения (bias), причем в каждом элементе матрицы значение нулевого тока разное. Как правило величину тока смещения можно менять, обычно начальный уровень сигнала выбирают таким, чтобы выйти на линейный участок характеристической кривой приемника в области малых отсчетов. Например, матрица ПЗС установленная на спектрографе РЫСЬ имеет начальный уровень сигнала в среднем 80 электронов на элемент, в то время как матрица на спектрографе НЭС - 1000 электронов на элемент. В ходе наблюдений уровень тока смещения может испытывать небольшие вариации, так у матрицы ПЗС на спектрографе НЭС (Loral CCD) начальное значение отсчетов меняется в пределах 50 электронов на масштабе в несколько часов. Для корректного вычитания ``нулевого'' уровня сигнала в процессе наблюдения получают несколько серий изображений без экспозиции (или с так называемой нулевой экспозицией), каждая серия состоит из нескольких изображений, которые усредняют между собой для уменьшения влияния шумов считывания приемника. Количество серий и изображений в каждой серии определяется нестабильностью тока смещения и необходимой фотометрической точностью. Обычно получают две серии (в начале и конце наблюдений) по 10 изображений в каждой серии.

Рис.: ПЗС-кадр с изображением тока смещения и разрез по одной строке (нижняя панель).

Одним из наиболее значимых эффектов снижающим (иногда катастрофически) точность фотометрических, а так же в некоторых случаях и позиционных измерений, является неоднородность чувствительности матрицы. Квантовая эффективность современных систем ПЗС очень высока, в максимуме практически достигая 100 процентов, но наблюдаются вариации квантовой эффективности по площади приемника, вызванные целым рядом причин, от физической и химической неоднородности кристалла приемника до различий в эффективной площади отдельных элементов приемника. При равномерной засветке матрицы ПЗС так называемым плоским полем эффекты неоднородности чувствительности приводят к появлению мелкомасштабных (порядка элемента приемника) и крупномасштабных (10-100 элементов) деталей на изображении - эффектов плоского поля. В спектроскопических наблюдениях для устранения влияния неоднородности чувствительности ПЗС снимают спектр источника непрерывного света, поскольку эффекты плоского поля в общем случае зависят от длины волны. В идеале спектральное распределение энергии у источника непрерывного спектра должно быть идентично распределению энергии у исследуемого объекта, также и ход лучей в спектрографе от искусственной звезды и исследуемого объекта должен быть одинаковым. На практике редко удается выполнить эти условия, что приводит к снижению эффективности алгоритмов удаления артефактов на спектре объекта. На изображениях спектров крупномасштабные эффекты плоского поля приводят к искажению распределения энергии в отдельных спектральных порядках, к появлению ``ложных'' абсорбционных линий и полос, искажению профилей спектральных линий. Поэлементная неоднородность чувствительности матрицы ПЗС воспринимается как шум, искажающий статистику отсчетов, приводя к сильному отклонению от пуассоновского распределения и, в конечном итоге, не только к снижению но и к ограничению максимально достижимого значения сигнал/шум. На некоторых матрицах ПЗС мелкомасштабные эффекты плоского поля ограничивают максимальное отношение сигнал/шум значением порядка 100, что бывает недостаточно для ряда исследовательских задач. Корректный учет эффектов плоского поля крайне сложен и предъявляет жесткие требования ко всей системе телескоп-спектрограф-приемник в целом.

Рис.: Изображение с непрерывным спектром лампы накаливания ("плоское поле").

Рис.: Изображение с непрерывным спектром лампы накаливания ("плоское поле").

При продолжительных экспозициях даже без засветки марицы ПЗС при считывании мы получаем сигнал отличный от тока смещения. Элементы приемника могут самопроизвольно генерировать электроны с течением времени при любой температуре отличной от абсолютного нуля. Сигнал, считываемый с матрицы ПЗС в отсутствие засветки приемника и пропорциональный времени экспозиции, носит название темнового тока. Этот эффект очень сильно зависит от температуры, поэтому матрицы ПЗС, используемые в астрофизических наблюдениях, охлаждают до низких температур $\rm -100^o$C и ниже при помощи жидкого азота. Так, например, у матрицы ПЗС, установленной на спектрографе НЭС уровень темнового тока при температуре $\rm -50^o$C порядка $10^4$ электрон на элемент приемника за час, в то время как при $\rm -100^o$C - $\rm 1e^-\,pix^{-1}\,h^{-1}$. Процедура вычитания темнового тока из изображений спектров аналогична вычитанию тока смещения. Однако, для корректного учета этого инструментального эффекта время получения кадра с темновым током должно быть равно времени получения спектра объекта и, как и в случае вычитания тока смещения, для уменьшения влияния шумов считывания приемника необходимо получить несколько кадров с темновым током. Очевидно, что в ходе набюдений крайне невыгодно в смысле расхода времени получать такие калибровочные изображения, поэтому кадры с темновым током получают после окончания наблюдений в дневное время, что предъявляет жесткие требования к светоизоляции спектрографа. Уровень темнового тока может меняться со временем, но высокая термостатичность современных ПЗС-систем позволяет разделить процесс наблюдения и калибровки темнового тока.

Нелинейность....

Кристалл матрицы ПЗС состоит из нескольких слоев (Si-SiO2-Si3N4-Si-Si3N4) с разными оптическими свойствами и может рассматриваться как стек тонких плоскопараллельных пластин. Внутри этих слоев происходит интерференция между отраженными от поверхностей разделов сред лучами, что приводит к резким колебаниям интенсивности на изображениях спектров, в зависимости от того выполняется условие минимума или максимума интерференции. В случае одного плоскопараллельного слоя эффеткы интерференции приводили бы к синусоидальному изменению интенсивности сигнала на изображении спектра с переменной амплитудуй, в зависимости от изменения коэффициента отражения на границе двух сред и коэффициента поглощения внутри слоя кристалла (как правило амплитуда синусоиды увеличивается с ростом длины волны). Наличие нескольких слоев с разной толщиной и разными оптическими свойствами, а также изменение толщины слоев по полю приемника значительно усложняет интерференционную картину на изображении спектра. Эффекты колебания интенсивности сигнала на изображении спектра в результате интерференции в тонких слоях кристалла матрицы ПЗС получили название фрингов (fringing). Пример фрингов, получаемых на спектрографе НЭС от лампы непрерывного спектра приведен на рис. . Возможны несколько вариантов устраниения таких эффектов, во-первых, калибровка как в случае эффектов ``плоского поля'', но для это необходимо, что бы свет от источника непрерывного спектра проходил в точности тот же путь в спектрографе, что и свет от исследуемого объекта; во-вторых, возможно моделировать фринги как, например, это сделано в работе Уолша и др. (2003). Моделирование фрингов требует большое количество калибровок для восстановления структуры слоев кристалла, а так же нужно восстанавливать ход попадающих на матрицу ПЗС лучей от наблюдаемых объектов. В случае наблюдения на эшелле-спектрографах высокого разрешения телескопа БТА последнее требоване возможно удовлетворить только полным моделированием системы телескоп-спектрограф. На стационарных спектрографах Фокуса Нэсмит-2 (НЭС и Рысь) блуждание светового пучка по оптическим элементам вызвано неточной юстировкой третьего (диаганального) зеркала телескопа, спектрограф первичного фокуса PFES подвержен гнутиям при изменении наклона трубы телескопа. Это обстоятельство делает практически невозможным устраниение фрингов при помощи спектров калибровочной лампы. Другими словами на сегодняшний день на спектрографах высокого разрешения телескопа БТА невозможно корректно устранять эффекты интерференции внутри кристалла матриц ПЗС. Поэтому, например, наблюдения на спектрографе НЭС, оснащенном тонкой матрицей ПЗС, проводятся до длины волны 6700, где амплитуда фрингов не превышает 1%.

Еще одной характерной особенностью матриц ПЗС в отличие от приемников предыдущих поколений явилась высокая чувствительность к так называемым "космическим" частицам. Высокоэнергичные ионы, образовавшиеся в результате столкновения космических частиц с молекулами земной атмосферы или распада радиоактивных элементов, сталкиваясь с матрицей ПЗС выбивают большое количество электронов. Матрица ПЗС как правило регистрирует несколько сотен таких событий на всю поверхность приемника за час. Так, например, матрица на спектрографе НЭС регистрирует более 750 "космических" частиц за час, на рис.  приведено изображение спектра

Рассеянный свет...

Стабильность спектрографа...

Точность калибровки по длинам волн...

В действительности все перечисленные выше инструментальные эффекты проявляясь одновременно взаимно влияют друг на друга, что усложняет методику корректной обработки изображений. Необходимая точность калибровки определяется конкретной спектроскопической задачей. Искусство наблюдателя заключается в умении максимально эффективно использовать наблюдательное время при необходимой точности калибровки.