ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ВЫСОКОИНТЕНСИВНОМ ФОНЕ

В процессе эксплуатации оптико-электронных приборов, используемых для наблюдения космических объектов, возникает необходимость оценки текущих параметров. Связано это с тем, что, во-первых, характеристики прибора деградируют со временем и, во-вторых, в различных условиях наблюдения возможности прибора будут различаться. Одной из важных характеристик оптико-электронной системы, характеризующих ее функциональные возможности, является динамический диапазон.
В настоящее время для термина «динамический диапазон» в различных областях науки и техники существуют свои определения. В общем случае динамический диапазон – это логарифм отношения максимального и минимальных возможных значений сигнала.
Применительно к фотоприёмным устройствам используется отношение напряжения или тока насыщения к среднеквадратическому напряжению или току темнового шума [1, 2]:

 (1)

где – напряжение насыщения, – среднеквадратическое напряжение шума.
Применительно к прибору с зарядовой связью (ПЗС) используется отношение значения максимального сигнала (зарядового пакета)к суммарному темновому шуму, выраженных в количестве электронов [3]:

 (2)
 (3)

У современных ПЗС уровень шума составляет 15-45 электронов, а для охлаждаемых достигает 2 при использовании оптимальной цифровой фильтрации [4].
Применительно к цифровым изображениям оперируют количеством уровней градации цветовых каналов, а также фотографической широтой.
При эксплуатации оптико-электронных приборов наблюдения космических объектов важной задачей является фотометрическая обработка полученных кадров. Поэтому предлагается в качестве понятия «динамический диапазон» применительно к оптико-электронным системам наблюдения космических объектов использовать определение, учитывающее возможность проведения качественного фотометрического анализа полученных кадров.
При фотометрической обработке кадров с изображениями космических объектов приходится сталкиваться с ситуацией, когда далеко не все полученные изображения можно использовать для дальнейшей работы.

Рис 1. – Изображение тусклого объекта

Так, на рис. 1 показано изображение тусклого объекта, максимальное значение яркости которого лишь незначительно превышает уровень фона кадра, что не позволяет говорить о возможности проведения качественной обработки. С другой стороны, объект зарегистрирован оптико-электронной системой, следовательно, проведение фотометрии возможно, хоть и с невысоким качеством.

На рис. 2 показан другой случай, изображение яркого объекта, явно выходящего за динамический диапазон, и для которого произошло серьёзное растекание заряда по соседним пикселям.

Рис. 2– Изображение яркого объекта

Таким образом, динамический диапазон оптико-электронной системы наблюдения космических объектов на фоне небесной сферы ограничен снизу проницающей способностью, а сверху – звёздной величиной, при которой начинает происходить растекание заряда в вершине звезды по соседним пикселам.
Поэтому, в качестве отношения максимального и минимального возможных значений сигнала будем использовать следующее выражение:

 (4)

где – значение видимой звёздной величины, при котором начинается растекание заряда (вершина звезды «срезана»), а– оценка значения проницающей способности, предельная видимая звёздная величина.
Фрагмент кадра с изображением звезды, не выходящим за динамический диапазон оптико-электронного прибора и по которому возможно проведение фотометрических расчётов приведен на рис 3.

 Рис. 3. – Фрагмент кадра

Разумеется, для различных условий фоновой обстановки пары этих значений будут отличаться. Поэтому, каждому типу обстановки будет соответствовать своё значение динамического диапазона.
Для определения значений инеобходимо проведение экспериментальных наблюдений при различных условиях фоновой обстановки. Вычисление теоретической оценки проницающей способности оптико-электронной системы может быть выполнено с помощью следующего выражения [4]:

, (5)

где – апертура, – фокусное расстояние,  – угловое разрешение, – сигнал-шум,– интегральный коэффициент пропускания,  – коэффициент использования световой энергии фотоприёмником, q – квантовая эффективность фотоприёмника, – время экспозиции,  – энергия светового кванта,– яркость фона.
Практическое определение предельной регистрируемой звёздной величины требует проведения наблюдений каталожных звёзд, которые заранее выбираются в качестве опорных. При этом желательно равномерное расположение этих звёзд на небесной сфере [5]. Кроме того, в измерениях по оценке проницающей способности не должны участвовать космические объекты, переменность которых выше некоторого допустимого уровня.
Для оценки верхней границы динамического диапазона оптико-электронной системы предлагается использовать простой способ выявления факта наличия «срезанной» вершины трёхмерного изображения объекта:
определение энергетического центра изображения объекта (рис. 4) по методу взвешенной суммы [6,7];

Рис. 4. – Энергетический центр изображения объекта

Если все значения яркости пикселей, находящихся рядом с энергетическим центром изображения, меньше значения яркости в самом центре, то «срезанная» вершина отсутствует, иначе – присутствует факт наличия «срезанной» вершины говорит о выходе за динамический диапазон оптико-электронной системы [8,9].

При практической оценке верхней границы динамического диапазона используются изображения достаточно ярких звёзд, содержащиеся в современных высокоточных астрономических каталогах[10].

1. ГОСТ 25532-89. «Приборы с переносом заряда фоточувствительные. Термины и определения».
2. ГОСТ 28953-91. «Приборы фоточувствительные с переносом заряда. Методы измерения параметров».
3. Howell, S.B. Handbook of CCD Astronomy, 2nd ed. / S.B. Howell. – Cambridge: Cambridge University Press, 2006. – 223 p.
4. Итоговый отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме: Разработка новых методов наблюдений для крупнейшего оптического российского телескопа БТА. САО РАН. Нижний Архыз, 2011.
5. Заварзин В.И. Оценка проницающей способности приёмных каналов оптико-электронных средств спутниковой астрономии / В.И. Заварзин, В.А. Сауткин // Научно-технический журнал «Контенант». – 2014, Т.13, №1. – С. 50-56.
6. Адаптивная помехозащита оптико-электронных информационных систем: монография / В.М. Никитин [и др.]. – Белгород: Изд-во
   БелГУ, 2008. – 196 с.
7. Berry, B.. The Handbook of Astronomical image processing, 2nd ed. / B. Berry, J. Burnell. – Willmann-Bell, 2005. – 713 p.
8. Еремин Е.О., Жуков А.О., Калинин Т.В. Оценивание динамического диапазона широкопольной оптико-электронной системы наблюдения космических объектов на фоне высокой интенсивности / Еремин Е.О., Жуков А.О., Калинин Т.В. // Сборник трудов 7-го научного симпозиума «Специальная связь и безопасность информации: технология, производство, управление. М.: ФГНБУ «Аналитический центр». – 2019. – С. 252-255.

Все статьи автора «Ancor»