捆绑式望远镜图像信噪比测量及分析

　　1　引　言

　　观测夜空中移动着的暗弱空间小碎片,要求望远镜的口径大而焦距短。已知移动天体的探测能力与成比例[1],可见口径D和焦距f是都起作用的,但是要将传统的望远镜向大型化发展会受到很大的限制。一般说来,望远镜的焦距是会随着口径的加大而变长的(如果F数保持不变),并且可能导致视场范围大幅地缩小,因而口径加大的传统望远镜对提高探测空间碎片的能力并不明显。此外,研制大口径望远镜在技术困难、研制周期以及投资等方面都会遇到难以克服的困难。

　　上世纪80年代初期,为了降低造价,美国制造了一台用多个望远镜镜筒来合成一个大镜筒的所谓MMT望远镜[2-4]。在MMT中,6个口径1.8 m的独立望远镜镜筒被捆绑在一起,然后用6套光学系统(硬件)将6个镜筒各自的焦面图像投射到一个共同焦面上去。在此合成的焦面上,暗天体的亮度就增加了6倍,从而获得相当于一台4.5 m望远镜所能获得的亮度。但是也正是由于引入了这6套光学系统,却限制了所合成的望远镜的焦距不能太短,否则无法进行光路安排和设计。因此,MMT形式并不很适于观测空间碎片这一任务。

　　但是近年来,随着CCD的应用,图像处理技术已获得了长足的发展。人们已意识到,对多个镜筒(例如4个1 m镜筒)焦面上各自的CCD图像,直接用图像处理技术将4幅图像相加,应该也可以同样起到对暗天体亮度叠加的效果,从而可完全不用复杂的光学系统来实现相加。进一步的分析表明:由4幅CCD图像所叠加的合成图像上,暗天体所占像元上的光电信号被叠加到4倍。然而CCD的噪音(热噪音和读出电路的噪音)数量较小,只占像元数值的极小一部分,并且具有随机误差特点,也就是说4个CCD上的噪音不会在精确对应的像元上发生相加。再考虑到空间碎片观测时,CCD的爆光时间很短,仅为秒级,因此CCD相应的噪声远未达到饱和程度(需几小时才饱和)。所以,叠加后的合成图像能只使信号叠加而对噪音并不增加,也即信噪比显著提高,这正是人们希望的效果。另外,对于单孔径探测系统,长时间积分会使像元出现饱和溢出,而对于此种“捆绑式望远镜”,各个孔径仅仅需要1/4的积分时间就可以使最终叠加的图像达到相同的灰度水平,且各帧图像不会出现饱和现象。

　　美国也正在研制应用图像叠加技术的大型多镜筒望远镜以探测暗弱的近地球小天体(与空间碎片类同)。新研制的望远镜称为PanoramicSurvey Telescope & Rapid Response System[5]。它将采用4架1.8 m望远镜组成一台3.6 m等效望远镜,利用图像处理技术将4架望远镜分别获得的CCD图像进行叠加。今年已在调试第一架望远镜筒,预计2009年(或之后)才能完成全部4架的组合[6]。