CCD相关跟踪器在恒星光干涉仪中的应用

　　由于望远镜驱动系统的跟踪误差,望远镜本身的机械振动(可达20 Hz)以及大气扰动(可达几百Hz),均导致拍摄的目标图像抖动,从而严重地影响图像的分辨率。在恒星光干涉仪中,这些因素还将导致获得的干涉条纹可见度大大降低,尤其是在望远镜观测目标的曝光时间长于图像抖动时间尺度时上述影响就更大。随着电子技术的飞速发展,采用相关跟踪技术的自适应调节系统也得到快速发展[1]。用PMT作其探测器已被CCD探测器所取代,而且数字图像处理技术也被成功地融合使用,结果使望远镜观测运动目标的跟踪精度大为提高,从而获得高分辨率的清晰的图像。图1示出了CCD相关跟踪器在恒星光干涉中的应用。本文阐述在这方面所做的一些工作。

　　1　CCD相关跟踪器基本结构及其数学基础

　　图1中虚线框内部分为CCD相关跟踪器基本结构框图[2],来自望远镜的光束经摆(TIP-Tilt Mirror)反射后,通过分束器一路进主成像系统,另一路经CCD相关跟踪器的高速CCD相机采集后,将数字化的图像信号送相关处理单元进行互相关运算,相关函数的极值点应是2幅图像匹配最好的点,极值点相对于零延迟点(2幅图像完全重合处)的位置差就指出了2幅图像的相对偏移量。偏移量经数字PID(比例、积分和微分)控制算法修正后送D/A变换为电压控制信号,由驱动电路放大后控制摆镜的转动(2个方向的微小范围),从而实时校正实测图像与参考图像的偏移,实现高精度地跟踪观测运动目标。

　　由于直接作相关分析计算量很大,因此实际工程计算时都运用相关定理采用快速傅里叶算法,具体处理过程如下:令f(m,n)为参考图像,g(m,n)为CCD实测数字图像,r(Δx,Δy)为f(m,n)与g(m,n)的互相关函数,则

　　式中,FFT(f)表示对f(m,n)作快速傅里叶变换,FFT*(g)为g(m,n)快速傅里叶变换FFT(g)的复共轭,IFFT表示作傅里叶反变换。

　　由(1)式计算出的相关函数r(Δx,Δy)是一离散函数,无极值点,但存在最大值点。如果以最大值点代替极值点进行偏移量估计,则其计算出的位移精度将完全由CCD探测器像元的大小决定。为提高运算精度和速度,可对最大值周围N×N的子面阵作抛物面拟合[3],以拟合函数的极值点坐标作为实时图像与参考图像相对偏移量的最佳估计值,最终计算精度可以达到1/64像元。

　　2　CCD相关跟踪器系统设计要点

　　2·1　高速CCD相机

　　目前市场上能购得的64×64面阵,像元大小为16μm的高速CCD相机,将它作相关跟踪器中图像采集单元。为减少每幅图像实时数据运算处理量,实际使用时采用输出合并成32×32像元数,像元大小为32μm(对应于0·264″图像分辨率),CCD相机的通光孔径为1·024 mm。