一种月基天文望远镜观测图像行方向拖曳的矫正方法技术

一种月基天文望远镜观测图像行方向拖曳的矫正方法，步骤如下：(1)获取暗场图像，并对该暗场图像进行处理，得到去除暗场中宇宙线干扰的一幅超级暗场图像；(2)对上述超级暗场图像进行沿着行方向的拖曳事件提取；(3)对步骤(2)提取的所有拖曳事件进行模型的拟合分析，得到模型参数；(4)对原始空间观测CCD图像进行减本底处理，利用步骤(3)得到的模型参数对减本底处理后的图像进行逐列矫正，从而完成月基天文望远镜观测图像行方向拖曳的矫正。

【技术实现步骤摘要】
一种月基天文望远镜观测图像行方向拖曳的矫正方法
本专利技术涉及一种月基天文望远镜观测图像行方向拖曳的矫正方法，应用于我国工作于月球表面的月基天文望远镜的观测图像中出现的行方向拖曳现象的矫正。同时，可适用于其它空间天文(及其它领域)观测时由于空间复杂环境(如宇宙线等)对CCD所产生的电荷转移效应或者其它原因而导致观测图像在行方向上的拖曳失真的矫正。
技术介绍
现代天文观测的终端设备CCD(ChargeCoupledDevice：电荷藕合器件图像传感器)相机，凭着其高效的响应效率和稳定的仪器特性，无论是地面天文观测还是空间的天文观测都有着广泛的应用。在空间天文观测中，由于其工作的空间环境的复杂性(如高能宇宙线的辐射等)会对CCD的电路造成物理性的改变，从而影响CCD的观测数据的仪器特性改变。我国于2013年底安放于月球表面的月基天文望远镜，由于地月之间的长途飞行，复杂的空间环境导致了CCD内部电路物理性质的变化，使得观测到的图像出现行方向的拖尾，该效应如图1如示。这种效应导致测量(测光)精度和天测精度(星像中心位置测量)的降低。如何矫正这种仪器本身的缺陷，将对提高科学数据的质量具有重要的意义。从物理起因上分析，月基天文望远镜观测图像拖曳现象的物理本质的研究比较复杂，因为安放于月球表面难以对仪器进行直接测试分析。主要物理起因分析如下：首先，这种拖曳现象类似于其它空间天文望远镜所发现的电荷转移效应(即电荷转移效率低下引起的效应)所引起的拖尾。所谓电荷转移效应，其基本原理如图2所示，图中圆柱体表示像元，图像区的每个像元的响应电荷，按列方向转移给与其相邻的像元，然后在行方向按顺序快速转移读出。这样完成数据在行方向按序逐行完成读出。对于正常的CCD，两个相邻像元之间的电荷转移效率及高，可达99.9999％，在科学数据处理时，基本不考虑这方面效应的改正。而当CCD受到空间高能粒子辐射损坏后，其转移效率会逐渐降低。这时对于数据结果的影响就会变得相当严重，需要研究其效应的矫正方法。哈勃太空望远镜的实际运行经验表明，随着CCD遭受空间辐射时间的增加，这种效应会越来越明显，转移效率会越来越低。哈勃望远镜的观测数据主要发现列方向上存在因列转移效应而引起的拖尾现象，而在行转移方向上并未发现受到严重的影响。而我国的月基天文望远镜观测的图像则在行读出的方向上存在严重的拖尾现象，而在列方向上并未发现这种效应。我们的分析和研究结果表明：这种行方向上图像拖曳现象与哈勃太空望镜的列方向上的转移效应行为在模型上不一致，说明其物理机制不是一致的。但是，根据月基天文望远镜发射前地面的测试数据和上天后的观测数据进行对比表明，这种效应不是设计上的问题，而是上天以后受到空间复杂环境影响后所产生的结果。进一步的物理机制和起因，还需要获取更多的数据和开展更深入的研究工作才能确定。
技术实现思路
本专利技术技术解决的问题是：我国月基天文望远镜的观测数据首次发现其CCD相机的观测图像存在着明显的行方向的拖曳现象。针对这种行方向的图像拖曳现象，本专利技术提出通过模型化拖曳尾部的轮廓，实现了月基天文望远镜行方向拖曳现象的有效矫正，提高了数据的质量。本专利技术的技术解决方案是：一种月基天文望远镜观测图像行方向拖曳的矫正方法，步骤如下：(1)获取暗场图像，并对该暗场图像进行处理，得到去除暗场中宇宙线干扰的一幅超级暗场图像；(2)对上述超级暗场图像进行沿着行方向的拖曳事件提取；(3)对步骤(2)提取的所有拖曳事件进行模型的拟合分析，得到模型参数；(4)对原始空间观测CCD图像进行减本底处理，利用步骤(3)得到的模型参数对减本底处理后的图像进行逐列矫正，得到行方向拖曳矫正后的图像。所述步骤(2)中的提取过程如下：(2.1)提取第i行所有数据，每个像元的响应值记为Fij；j代表列；(2.2)从第i行所有数据中筛选出响应值大于3σ的像元，即其中，表示均值：方均根σ值计算式：其中N表示所有像元数目；(2.3)对上述筛选出的像元按行选出每个拖曳事件，所述的拖曳事件的判定标准为最后一个像元的响应小于第一个像元响应的5×10-4倍。所述步骤(3)中的模型参数确定步骤如下：(3.1)将步骤(2)提取的拖曳事件构建成拖曳事件数据组列，记为其中，Ti0表示首像元的响应值，Ti,j，i＝1->m,j＝1->n，表示尾曳部分像元的响应值，m表示所有拖曳事件数，n表示拖曳部分像元数；(3.2)线性拟合数据组列中每一列尾曳部分像元的响应值与首像元响应值的响应关系，拟合关系公式为：Ti,j＝kjTi,0+Cj，kj和Cj为拟合参量；(3.3)将步骤(3.2)中得到的拟合参量代入公式进而得到拟合参数α和β；(3.4)利用拟合参数α和β，重新利用公式kj＝eα(j-1)+β，得到修正后的kj，即模型参数。所述步骤(4)中的逐列矫正步骤如下：(4.1)从第一列开始，按列顺序提取第j列所有数据，其中，第j列像元的响应值记为Fi,j，第j列所有尾曳的数据记为Ftrail＝(Fi,j+1,Fi,j+2,...,Fi,j+n)；(4.2)矫正第j列尾曳数据，即首先修正尾曳部分像元的响应值F′trail＝Ftrail-ΔFtrail，ΔFtrail＝KJFi,j,i＝1→m,J＝0→n-1,KJ＝kJ+1；然后利用修正后的响应值取代原有图像中对应行列的数据；(4.3)矫正第j列像元的响应值；矫正量的计算式为：矫正后的响应量为：Fcorri,j＝Fi,j+ΔFcorri,j；(4.4)将矫正后的响应量输出到矫正图像的第j列数据，进入下一列从(4.1)开始执行，直至完成整幅图像的矫正。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术首次发现我国月基天文望远镜CCD相机由于空间复杂环境的影响存在行方向上的图像拖曳现象。在无法对空间观测CCD相机进行直接修复的情况下，本专利技术是目前唯一一种能使月基天文望远镜的观测图像在行方向拖曳实现有效矫正的方法，使得科学数据质量得到改善。(2)本专利技术方法对数据的处理过程无特殊的要求，并且容易实现。通过对暗场图像的热像元进行统计分析研究，利用暗场图像的热像元具有单位脉冲函数的特点，方便寻找出热像元在CCD行方向上的拖曳模型，而排除其他相邻像元的干扰。最后，根据所得到的拖曳模型来矫正行方向的拖曳现象。另外，用于矫正模型分析的暗场数据容易获取，不需要复杂的观测操作。数据矫正的处理过程容易实现，在数据完成减本底基本处理后，即可进行本专利技术的矫正处理。(3)利用本专利技术的经验模型矫正方法，即基于暗场图像(在关闭镜盖，即无其他外界入射光源情况下的观测图像)的热点像元的分析，提取拖曳模型，能够有效地矫正行方向的拖曳现象，使测光精度提高1％。同时，通过本专利技术方法对拖曳热像元事件的模型化分析，能够分析出拖曳事件的行为特性，从而也为推理其物理起因提供数据支持依据。附图说明图1为图像出现行方向的拖尾效应图；图2为电荷转移效应基本原理图；图3为本专利技术的月基天文望远镜观测图像行方向拖曳的矫正流程图；图4为本专利技术的行方向拖曳事件提取的流程图；图5为本专利技术的行方向拖曳事件模型化分析流程图；图6为本专利技术的实际观测图像的行方向拖曳的逐列矫正流程图；图7为本专利技术的行方向拖曳事件示意图；图8为本专利技术的热像元响应与其尾曳部分像元响本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种月基天文望远镜观测图像行方向拖曳的矫正方法，其特征在于步骤如下：(1)获取暗场图像，并对该暗场图像进行处理，得到去除暗场中宇宙线干扰的一幅超级暗场图像；(2)对上述超级暗场图像进行沿着行方向的拖曳事件提取；(3)对步骤(2)提取的所有拖曳事件进行模型的拟合分析，得到模型参数；(4)对原始空间观测CCD图像进行减本底处理，利用步骤(3)得到的模型参数对减本底处理后的图像进行逐列矫正，得到行方向拖曳矫正后的图像。

【技术特征摘要】
1.一种月基天文望远镜观测图像行方向拖曳的矫正方法，其特征在于步骤如下：(1)获取暗场图像，并对该暗场图像进行处理，得到去除暗场中宇宙线干扰的一幅超级暗场图像；(2)对上述超级暗场图像进行沿着行方向的拖曳事件提取；(3)对步骤(2)提取的所有拖曳事件进行模型的拟合分析，得到模型参数；(4)对原始空间观测CCD图像进行减本底处理，利用步骤(3)得到的模型参数对减本底处理后的图像进行逐列矫正，得到行方向拖曳矫正后的图像；所述步骤(2)中的提取过程如下：(2.1)提取第i行所有数据，每个像元的响应值记为Fij；j代表列；(2.2)从第i行所有数据中筛选出响应值大于3σ的像元，即其中，表示均值：方均根σ值计算式：其中N表示所有像元数目；(2.3)对上述筛选出的像元按行选出每个拖曳事件，所述的拖曳事件的判定标准为最后一个像元的响应小于第一个像元响应的5×10-4倍；所述步骤(3)中的模型参数确定步骤如下：(3.1)将步骤(2)提取的拖曳事件构建成拖曳事件数据组列，记为其中，Ti0表示首像元的响应值，Ti,j表示尾曳部分像元的响应值，i＝1->m,j＝1->n，m表示所有拖曳事件数，n表示拖曳部分像元数；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴潮，邓劲松，曹莉，裘予雷，魏建彦，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：北京;11