CN104166997B - 一种紫外ccd花样的平场矫正方法 - Google Patents
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Abstract
一种紫外CCD花样的平场矫正方法：(1)至少采集5‑10幅窄波平场图像；(2)对采集的窄波平场图像进行处理，去除图像中的本底信号，并将图像合并为一幅平场图像；(3)从平场图像中进行成份分离，分离出平场图像的大尺度成份和小尺度成份；(4)根据上述确定的大尺度成份及小尺度成份，合成不同比率R下的修正平场图像；(5)利用上述修正平场图像对任选一幅真实的观测图像进行定标处理，根据定标后得到的观测图像信号确定最优的修正平场图像及对应的比率R；(6)利用上述确定的最优修正平场图像对紫外CCD相机的观测图像进行平场定标处理，完成其花样的矫正处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外CCD花样的平场矫正方法，应用于紫外波段CCD测光天文观测图像的定标处理：CCD花样的平场矫正。
背景技术
CCD(Charge Coupled Device：电荷藕合器件图像传感器)相机是现代天文观测中最为流行的终端设备，在现代天文观测数据处理过程中，平场的处理是对CCD相机观测的数据进行定标的基本处理步骤之一。其主要的物理机制为：CCD是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的一个面阵。面阵中的每个像元就是一个MOS电容器(大多为光敏二极管)，当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入MOS电容器衬底，最后光子转换为电子，以电信号输出。光子转换为电子的效率称为QE，由于制造工艺的限制，对于不同像元的光电转换效率QE会有微小的差异这种差异被称为像元之间的响应差异。“平场”就是对这一响应差异进行矫正和定标处理的方法。标准的“平场”方法原理为：将照度均匀的光打在CCD像元阵面上，最后的每个像元的输出电荷差异即为由以上不同像元的QE差异引起的不同。将这一平场图像进行归一化，即除以图像中所有像元响应的中值，这样会得到每个像元在1附近的响应效率，对应于观测图像中每个像元的真实观测值除以对应像元的响应效率即可实现平场的处理，完成像元响应差异的矫正。
在紫外波段的观测(200nm-350nm)中，由于CCD本身的构造和加工工艺特性，CCD的像元响应差异一般会在观测图像中呈现出类似鱼鳞状的花样,业内也有人称为结构性花样。该花样的峰峰起伏为10％-15％，严重干扰天文观测的数据测量精度。同时，对于不同的CCD，花样的轮廓是不同的。并且具有随机性和时间上的可变性(数月的时标内会有变化)。这就要求在空间天文观测中，有在轨的平场灯光源进行在轨平场图像的获取。由于紫外CCD的结构性花样对于光源的谱段覆盖存在依赖关系的特殊性，因此要求平场光源必须与实际观测光源谱段覆盖一致。而在实际的空间天文观测仪器中，由于现有技术的限制，平场的光源一般采用LED灯，而LED灯的谱段覆盖相对非常窄。例如，我国的月基紫外天文望远镜，仪器上的LED平场灯光源谱段宽度为10纳米左右，而实际观测的谱段宽度达上百纳米。这就导致一个问题：直接使用LED灯无法正常去除CCD图像中的结构性花样。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种紫外CCD花样的平场矫正方法。解决了窄波段平场光源(如LED灯)无法矫正宽波段观测图像中的结构性花样的问题(在我国的月基紫外天文望远镜观测的平场处理中起到了关键作用)。
本发明的技术解决方案是：一种紫外CCD花样的平场矫正方法，步骤如下：
(1)至少采集5-10幅窄波平场图像；
(2)对步骤(1)中采集的窄波平场图像进行处理，去除图像中的本底信号，并将图像合并为一幅平场图像；
(3)从步骤(2)中得到的平场图像中进行成份分离，分离出平场图像的大尺度成份FLij和小尺度成份FSij；
(4)根据上述确定的大尺度成份FLij及小尺度成份FSij，合成不同比率R下的修正平场图像；
(5)利用上述修正平场图像对任选一幅真实的观测图像进行定标处理，根据定标后得到的观测图像信号确定最优的修正平场图像及对应的比率R；
(6)利用上述确定的最优修正平场图像对紫外CCD相机的观测图像进行平场定标处理，完成其花样的矫正处理。
所述步骤(4)中的修正平场图像合成公式如下：
F′ij＝[(FSij-Median(FSij))*R+Median(FSij)]*FLij
其中，Median()为中值运算符。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明降低了紫外CCD观测中对于平场光源谱段覆盖宽度的限制。从而为空间天文观测的平场设备构造变得简单而有效提供技术支持。
现有的方法有：“标准平场”方法要求平场光源与观测的光谱覆盖宽度一致，由于技术的限制，空间天文观测的仪器一般采用LED灯，难以满足这一要求。“天文黄道光平场”方法是用黄道光作为光源，因为黄道光很弱，需要许多幅重复观测(上千幅)的天文图像叠加来获取。有时无法获取黄道光，如果我国的月基紫外天文望远镜观测由于杂散光(来自来太阳)很强，较弱的黄道光平场难以用来做平场光源。本发明方法是目前我国月基紫外天文望远镜观测中唯一能实现该紫外CCD观测中结构性花样进行矫正的方法。
(2)本发明通过研究发现了一个重要规律：不同谱段覆盖宽度(紫外段)的光源在紫外CCD上产生的结性花样直接影响的是对比度的差异，而形状是完全一致的。利用这一规律，通过对不同响应成份进行分离和最优化分析，将LED灯的平场图像花样的对比度调整到与目标观测图像的花样对比度一致，即为改正后的LED平场图像，最后利用该改正图像按标准的“平场”方法即可实现结构性花样的完全去除，从而达到测光精度的提高。为提高紫外天文观测数据的处理精度提供必要的处理技术基础。本发明方法适用空间紫外CCD天文观测数据的基本定标处理，是在正常的与观测谱段一致的标准平场图像难以获取情况下的一种实用有效的数据平场处理方法。
附图说明
图1为本发明的紫外CCD结构性花样矫正流程图；
图2为本发明的平场图像中两种信号成份分离的流程图；
图3为本发明实施例子中的紫外CCD结构性花样轮廓图；
图4a、4b分别为本发明实施例子中的LED灯平场图像修正前后比较图；
图5为本发明实施例子的不同修正比率与矫正结果的相关比较图；
图6a-6d为本发明实施例子中矫正方法使用前后的对比图；
图7为本发明实施例子中矫正方法对测光结果影响对比图；
具体实施方式
本发明利用望远镜上已有的窄波段光源(例如LED灯)产生的平场图像，通过对这一平场图像进行大尺度成份和小尺度成分两种信号的分离，将小尺度信号调整对比度后重新合成为一个修正后的平场图像，利用这一修正的平场图像对实际观测的测试图像进行平场定标处理。通过迭代优化过程选取最优化的修正平场图像，利用这一平场图像即可对实际观测图像进行结构性花样的矫正处理。其具体实施过程如图1如所示：
(1)窄波平场图像的获取；按照天文的平场常规要求，一般采集5-10幅左右的窄波段平场图像，主要依据为：一般情况下越多的图像观测信噪比越高，但同时读出噪声又会随图像数目的增加而增加，考虑这两者的平衡，在天文观测的数据处理中采用5-10幅即可。
(2)窄波段平场图像的基本处理；对以上获取的平场图像进行：减本底处理和图像合并处理。其中减本底的处理过程为：①为提高信噪比和大的随机干扰噪声，需要获取10-20幅的本底信号图像(即零秒曝光图像)。②合并本底信号图像，根据公式：Bcij＝Median(Bnij(n＝1～l))，其中Bcij为合并后图像的(i,j)像元处的信号；Bnij为第n幅图中(i,j)像元处的信号，l为总图像幅数；Median()为中值运算符，对一组图像(共l幅)求中值。③去除本底信号：Fij＝Frawij-Bcij，其中，Frawij为观测的未去本底的原始图像，其中Fij表示去除本底后图像在第i行第j列像元的响应信号。平场图像的合并处理与上述第②步本底图像合并处理方法一致。
(3)窄波段平场图像的两种成份分离处理；该步骤的处理流程如图2所示。最后分离出平场图像中的大尺度成份：FLij和小尺度成份：FSij。大小尺度成份是对利用本发明处理方法得的两个成份分量的称呼。在本发明的处理中，背景起伏变化的尺度大于结构性花样典型尺度的为大尺度成份，而起伏小于结构性花样典型尺度的为小尺度成份。不同的紫外CCD其结构性花样的典型尺度会略有不同，可根据实际情况选取较有代表性的花样测量其轮廓尺度，具体选取方法见本发明图2流程①的说明。
图2为平场图像中两种信号成份的分离流程图，主要实现分离大尺度和小尺度变化两种信号。主要步骤如下：
①将平场图像分成若干个子格，每个子格的大小为结构性花样的典型轮廓尺度。如图3的方框所示为一个典型结构性花样的轮廓尺度，在CCD图像中选取一个中等花样轮廓尺度作为典型的花样轮廓尺度。对于不同的紫外CCD花样轮廓的大小会有不同，在本发明的实施例中，其尺度为128×128像元。
②计算每个子格的典型背景值；首先计算均值m和方均根σ值，即： 其中N为子格中的像元数目。利用3σ迭代剪切判据，即去除子格中信号大于3σ的像元((Fij-m)2>(3σ)2)后再计算一次m和σ值，不断迭代计算直到所有的样本数据都落在3σ以内，这时的均值m就是最后的背景值。
③在平场图像区域内每个子格的背景值m和相应的子格位置构成一个二维的分布面阵。对这个分布面阵采用双三次多项式拟合的方法进行平滑，最后得到大尺度的分量信号FLij。双三次多项式拟合方法具体可以参见文献《基于组合方法对图像的双三次多项式拟合》，中国科学：信息科学，2011年第41卷第9期中的介绍。
④小尺度分量信号可由以下公式的计算得出，即
(4)迭代优化过程；该步骤主要由以下步骤组成：
①通过调节不同比率R的数值，完成大尺度和小尺度两种成份的合成，最后获取两种成份比率不同的合成平场图像。合成过程遵循以下公式：F′ij＝[(FSij-Median(FSij))*R+Median(FSij)]*FLij
其中，Median()为中值运算符，对图像中所有像元的响应信号求中值。
②由上式中不同的R值可得不同的修正平场图像，然后将这些修正平场图像用来平场定标一幅观测图像，便可得到不同的处理结果。这一幅测试用的观测图像要求：一般是任选一幅真实的观测图像即可，但最好是选取星场较稀的(避免干扰)，图像质量相对较好的真实观测图像作为测试用图像。平场定标处理是天文数据处理中的基本方法，方法的原理是：
FCORRij＝FOBSij/F′ij*Median(F′ij)
其中，FOBSij表示观测图像信号，FCORRij表示定标后观测图像信号。
③通过对观测图像分析找出最优的修正平场图像及其所对应的比率常数R的值。最优的判据为两条：第一、任意选取几块结构性花样，计算由不同修正平场图像平场定标后的均方根值，其值越小表明质量越高。第二、通过显示平场定标后的真实观测的测试图像，人工检查其结构性花样的矫正能力。实际使用时以上两条判断需要平衡综合考虑。
(5)利用上述确定的最优修正平场图像，即可对所有的观测图像进行平场定标处理，原理为上述(4)中②的公式。最后即可完成其结构性花样的矫正处理。
实施例
本实施用例为月基紫外天文望远镜观测图像中的结构性花样的矫正。图3中方框内所示为观测图像中的结构性花样示例。仪器的特性参数为：观测光源的谱段宽度为：245--350纳米，LED平场灯的谱段宽度为:279--297纳米，花样典型的波动峰峰值为10％-15％。根据本发明的实施方式，执行的步骤如下：
(1)利用望远镜的LED灯平场装置，获取6幅窄波段LED灯平场图像。
(2)按照本发明的实施方案，对窄波段平场图像进行减本底(10幅本底图像)和合并图像的基本处理；获取基本处理后LED平场图像，如图4a所示。
(3)按照本发明的实施方案中的步骤(3)-(4)计算和筛选出最优的LED灯修正平场图像，得出其比率值R＝0.65，不同比率的修正结果局部分析比较见图5。修正后的平场图像如图4b所示。
(5)利用以上的修正平场图像，对实际观测图像进行平场定标处理，最后的结果如图6d所示。
图6为本发明矫正方法使用前后的对比图。图6a为观测的原始图像，其中鱼鳞状的格子型花样即为紫外CCD中常见的结构性花样。图6b为利用在发射前由地面宽波段光源所做的平场图像进行矫正的结果图：花样未完全去除干净，主要是CCD特性上天前后发生了变化。图6c为利用月基天文望远镜上LED光源的平场图像直接矫正结果，结果图表明未能去除结构性花样，原因是谱段宽度覆盖不一致。图6d为利用本发明方法进行矫正的结果图，表明已完全矫正结构性花样。
图7为本发明矫正方法和用LED灯直接平场矫正对测光结果的影响对比图。其中①曲线为利用本发明修正结构性花样后的测光结果；②曲线为直接利用LED灯平场后的测光结果；③曲线为观测星对应于LED平图像上相应位置提取出来的CCD响应曲线，本曲线反应出结构性花样的起伏情况和前面的测光曲线起伏的对应性。对比曲线①②③可得出结论：(i)结构性花样的起伏影响测光结果的数据起伏。(ii)利用本发明的矫正方法，能基本消除测光结果中因结构性花样所产生的起伏，从而提高了紫外天文观测的数据测量精度。本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (2)
1.一种紫外CCD花样的平场矫正方法，其特征在于步骤如下：
(1)至少采集5-10幅窄波平场图像；
(2)对步骤(1)中采集的窄波平场图像进行处理，去除图像中的本底信号，并将图像合并为一幅平场图像；
(3)从步骤(2)中得到的平场图像中进行成份分离，分离出平场图像的大尺度成份FLij和小尺度成份FSij；大尺度成份FLij和小尺度成份FSij的分离具体实现如下：
(3.1)将平场图像分成若干个子格，每个子格的大小为结构性花样的典型轮廓尺度；
(3.2)计算每个子格的典型背景值m；
(3.3)在平场图像区域内每个子格的背景值m和相应的子格位置构成一个二维的分布面阵，对这个分布面阵采用双三次多项式拟合的方法进行平滑，最后得到大尺度的分量信号FLij；
小尺度分量信号
Fij表示去除本底后图像在第i行第j列像元的响应信号；
(4)根据上述确定的大尺度成份FLij及小尺度成份FSij，合成不同比率R下的修正平场图像；
(5)利用上述修正平场图像对任选一幅真实的观测图像进行定标处理，根据定标后得到的观测图像信号确定最优的修正平场图像及对应的比率R；
(6)利用上述确定的最优修正平场图像对紫外CCD相机的观测图像进行平场定标处理，完成其花样的矫正处理。
2.根据权利要求1所述的一种紫外CCD花样的平场矫正方法，其特征在于：所述步骤(4)中的修正平场图像合成公式如下：
F′ij＝[(FSij-Median(FSij))*R+Median(FSij)]*FLij
其中，Median()为中值运算符，F′ij表示修正平场图像在第i行第j列像元的响应信号。
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