云南天文台Hα全日面望远镜4 K×4 K CCD性能测试

杨云飞，冯松，季凯帆

(昆明理工大学云南省计算机技术应用重点实验室和信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

云南天文台Hα全日面望远镜4 K×4 K CCD性能测试

杨云飞，冯松，季凯帆

(昆明理工大学云南省计算机技术应用重点实验室和信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

天文观测采用的CCD一般都要进行性能测试，然后再投入常规观测。针对云南天文台Hα全日面望远镜新引入的4 K×4 K大尺寸QHY16803 CCD已投入实际观测的情况，对其进行了较为全面的测试，检测内容包括有效尺寸、本底情况、读出噪声、增益、暗流、热像素等等。从检测结果来看，该CCD是适用于太阳全日面观测的。同时提出的检测方案是一种在非实验室条件下的测试方案，较为方便和快捷。从检测结果来看，参数的测量可信度高。

CCD系统；Hα全日面观测；CCD性能测试

CN53－1189/P ISSN1672－7673

云南天文台Hα全日面望远镜为赤道式折射望远镜，有效口径为18 cm，成像焦距1.798 m，透过带中心波长656.278 nm，1981年开始投入常规观测。这台望远镜是中国参加全球高分辨Hα网(Global High-Resolution H-alpha Network，GHN)[1]进行太阳全日面24 h联合监测任务的主干观测设备之一，每日观测资料在GHN网站上向全球公布，在为天文学家提供基础数据的同时，也是我国太阳观测资料在国际上的一个重要展示窗口。2013年初，云南天文台为更好地获得高质量的全日面观测资料，引进了一台4 K×4 K的大尺寸CCD系统(型号:QHY16803)，并即时投入了观测。

科学级CCD系统在天文上的应用已经非常普及，但天文学家对CCD的要求非常严格，因此必须充分了解设备的性能。QHY16803 CCD是一款国产半导体制冷的CCD系统，其CCD采用柯达公司的KAF-16803芯片，主要厂家参数如表1[2]。

表1 QHY16803 CCD主要厂家参数Table 1 Values of the key parameters of the QHY16803 CCD device

一般情况下，一个科学级的CCD在开始工作之前，要先在实验室进行一些系统测试[3－5]，这不仅为了和厂家标称的参数进行对比，更重要的是对器件性能有细致深入的了解，从而更好地使用该器件。由于观测任务紧迫，云南天文台4 K×4 K CCD未能进行实验室测试就进行了望远镜安装并投入了观测，但仍旧需要在实际观测中掌握该CCD的性能。本文即在这种条件下，利用实际观测的全日面数据对此CCD的性能进行了测试，包括CCD的有效尺寸、本底、增益、读出噪声、暗流、热像元等主要参数。

1 有效尺寸和本底的测试

KAF－16803芯片采用一种独特的设计[2]，即整个芯片不但包含曝光区域，同时包含4个包围在可用区域周围的用于测量暗流的区域，以及一些用于测试的测试区和死像元区。图1显示了其结构框架。

根据此框架，工作区域的左上角(x，y)坐标应该为(30，12)，右下角为(4 125，4 107)；4个暗场区域为:(28，2)到(4 126，9)、(29，4 109)到(4 126，4 128)、(8，1)到(28，4 128)和(4 127，1)到(4 135，4 128)。

图1 KAF-16803的结构框架Fig.1 Frames of the function regions of the KAF-16803 CCD chip in the QHY16803 CCD device

通过对一幅实际的观测图像的左上角和右下角区域的显示和测量，可以看到四周的确有一些不正常成像的区域，而且与厂家的标称并不相同。图2为实际观测图像的左上角和右下角。可使用的工作区域实际为(40，28)到(4 135，4 123)的区域，而上端(38，8)到(4 135，25)、下端(38，4 125)到(4 135，4 128)，左端(20，26)到(35，4 124)和右端(4 138，26)到(4 142，4 124)为暗场区域。

图2 实际观测图像的左上角和右下角Fig.2 The upper-left and lower-right corners of an observed image

此CCD关闭快门零秒曝光的本底场并没有明显的结构，但在垂直方向有20 ADU的递减，从680 ADU下降到660 ADU；而在水平方向上，两端有明显的增高，均超过700 ADU。图3是一个本底场图像在水平方向和垂直方向对所有列和行的中值曲线。

从图2可以看到，图像左侧100像素以内的区域有明显的不均匀结构，这同样也反映在图3的右图中。因此将后续的测试区域选择为(140，128)到(4 035，4 023)，这也是我们建议的实际观测成像工作区域。另外，由于周边区域和图像中央的不均匀性，直接利用4个暗场区域做暗场测量也并不方便。因此，采用传统的整幅暗场图像的处理方式更为合适。

图3 本底场所有列(左)和行(右)的中值曲线Fig.3 The left-hand and right-hand panels are the plots of column-specific median values and row-specific median values in the bias image，respectively

2 增益、读出噪声测试

增益和读出噪声是非常重要的CCD参数，其中增益是可调整的。在通常的CCD采集系统中，增益经常被厂家设置为一个相对数。但对于天文学家而言，更希望得到的是直接电子数和ADU的转换比例。在实验室测试中，读出噪声和增益是通过采集不同曝光时间的均匀并稳定的光源来计算其信号－方差图[6－7]。由于理论上观测图像的噪声应该仅包括读出噪声和光子噪声两部分，其中读出噪声为高斯分布，而光子噪声为泊松分布，其平方即为光子数。而按照误差传递公式，总噪声的平方就等于读出噪声的平方加光子噪声的平方。这样，如果测试不同光强情况下噪声起伏(图像方差)，就可以得到一条以光强为横坐标、方差为纵坐标、系统增益为斜率倒数的直线，而这条直线与CCD本底数值的交点就反映了CCD的读出噪声。

但在实际的观测条件下，难以得到稳定均匀的光源。还有，所有观测图像都有一定的局部起伏，如果仅仅统计局部均值和方差，很容易将图像本身的起伏作为噪声方差统计进去。因此，利用两幅图像的处理来计算局部的方差和均值。首先，获得两幅临近时刻采样的全日面像。由于此CCD靶面较大，太阳仅仅占视场的1/4，在非太阳的区域中则有过渡较为均匀的散射光。图4显示了扣除太阳像后散射光的情况；其次假设两幅临近观测的曝光时间相同，图像的变化仅仅是由于噪声的起伏，而方差就等于单幅图像方差的2倍，也就是消除了两幅图像本身结构起伏的变化。如果计算较小的局部，并认为在这个局部中图像本身的起伏可以忽略的话，这个方差就可以认为是总噪声的平方。同时两幅图像的局部平均强度可以作为局部强度，这样得到信号－方差图并可以做直线拟合，如图5。

采用这种方法分别对2013年3月1日、2日和8日的实际观测资料进行了处理，并根据拟合残差对所求参数进行了误差估计，测试时为高速读出(读出速率为6 M像元/秒)，结果如表2。

表2 拟合系数及CCD参数估计Table 2 Results of linear fits to relations as in Fig.5 for estimates of CCD gains and read-noise values

可见，这些数据的重复性非常好，拟合的精度比较高，读出噪声与标称值也很接近，这充分说明了我们设计的检测方案具有合理性和可用性。另外，线性相关系数也反映了这个期间增益的线性情况。当相关系数越接近1的时候，说明系统中除了读出噪声和泊松噪声以外，并不包含其他的噪声。同时也说明，增益在不同的亮度情况下基本保持为一个常数，也就是线性较好。

3 暗流、热像元和漏光

虽然此CCD正式观测的时候，曝光时间远小于1 s。为了测试暗流的情况，选择10 s的暗流，即关闭CCD快门积分10 s。在－10℃工作温度的情况下，用积分图像减去平均的本底场，得到平均暗流值为5.7 ADU，相当于5e－，也就是暗流为0.5e－/s。但如果将厂家标称的指标换算到这一温度，大约比这个值要低一个量级。

同时得到每秒暗流超过100e－的热点约1 000个，其中20个极热点暗流为345e－/s，有4个点超过800e－/s，其坐标分别为(174，1 989)、(595，2 856)、(2 607，1 138)和(2 864，1 673)。图6显示了极热像元的位置，它们相对比较独立，没有成片的结构。

图4 散射光图像Fig.4 Our image of the scattered light

图5 信号－方差图Fig.5 Variances of local signals versus average values of local signals

图6 20个极热像素的位置Fig.6 The locations of 20 hottest pixels in the CCD frame

然而，考虑到真正的积分时间在几十到上百毫秒，无论是测试的平均暗流还是标称的暗流都会远小于1e－，而读出噪声已经是13e－左右。另外，热像元的数量相比CCD的总像元数也是非常小的。因此认为该CCD的暗流情况完全可以满足太阳观测的需要。

在测试暗流的同时，对望远镜在观测环境下的漏光进行了测试。在关闭望远镜镜头盖的情况下，打开CCD快门进行10 s曝光，其图像显示在图7中。从测量结果来看，这台望远镜的漏光并不严重。经过换算，最亮部分产生电子数为4e－/s，这对系统整体来讲是可以忽略的。

图7 望远镜的漏光情况Fig.7 An image showing leakage of light of the telescope

4 讨 论

通过上述对QHY16803 CCD的测试，对该设备的性能细节有了比较深入的了解。首先，从可使用尺寸来讲，虽然和标称的数据略有不同，但还是能保持一个4 K×4 K量级的可用尺寸；其次，CCD中心区的本底比较均匀，但四周有变化，尤其在垂直方向，有一个递减趋势，可能是由于CCD读出时间产生的暗流所致；第三，在高速读出的情况下，读出噪声在13e－左右，这个和标称数据比较符合；第四，测试到的暗流在－10℃工作温度的情况下为0.5e－/s，这比标称的数值要大，但热像元的数量比较小，从事太阳短时间曝光是没有问题的。综上所述，该设备基本符合厂家的设计，同时也符合Hα全日面望远镜的观测要求。

在实际观测中，系统增益设置在2～5e－/ADU较好。一方面，虽然读出噪声变为3～7 ADU，但统计特性并没有损失很多；另一方面，在16位AD达到极值65535的时候，CCD电荷井的电子数达到100K以上，也就是可以充分利用CCD的满井特性，而不会先在AD转换上达到饱和。这样非常有利于大耀斑的观测。

本文采用的测试方法完全是在非实验室环境下进行的，而且简单易行。虽然有一定的假设，但从结果上来看，这种假设是成立的，对这些参数的估计基本可信。因此本文使用的方法不但可以对新系统进行初步评估，也可以在常规观测中对CCD系统运行情况进行随时监测。

致谢：感谢中国科学院云南天文台Hα全日面望远镜研究组对本实验的大力支持。

[1] Global High-Resolution H-alpha Network[EB/OL].[2013-04-06].http://swrl.njit.edu/ghn＿web/.

[2] Device Performance Specification[EB/OL].[2013-04-06].http://www.kodak.com/ek/uploadedFiles/Content/Small＿Business/Images＿Sensor＿Solutions/Datasheets(pdfs)/KAF-16803LongSpec.pdf.

[3] Laitinen J，Saviaro J，Ailisto H.Evaluation of solid-state camera systems in varying illumination conditions[J].Optical Engineering，2001，40(6):896－901.

[4] Janesick J，Klaasen K，Elliott T.CCD charge collection efficiency and the photn transfer technique [C]//Proceedings of SPIE，1985，570:7－19.

[5] Janesick J R，Elliott T，Collins S，et al.Scientific charge-coupled devices[J].Optical Engineering，1987，26(8):692－714.

[6] 宋谦，刘威卫，季凯帆，等.DALSA 1024T CCD检测[J].云南天文台台刊，1998(2):73－78.

Song Qian，Liu Weiwei，Ji Kaifan，et al.The test of the DALSA CA-D7-1024T CCD camera [J].Publications of the Yunnan Observatoty，1998(2):73－78.

[7] Song Qian，Ji Kaifan，Cao Wenda.Easy way to evaluate CCDs for astronomical use[C]// Proceedings of SPIE，1998，3553:291－294.

An Evaluation of the Performance of the 4K×4K CCD on the YNAO Full-Disk Hα Telescope for Solar Observations

Yang Yunfei，Feng Song，Ji Kaifan
(Key Laboratory of Applications of Computer Technologies of the Yunnan Province，College of Information Engineering and Automation，University of Science and Technology of Kumming，Kumming 650500，China，Email:flyingwithcloud＠sina.com)

The performance of a CCD device is very important for astronomical observations using the CCD.Usually，a CCD device is tested in a laboratory before being mounted on a telescope.However，in our case，the 4K×4K CCD device used for the YNAO(Yunnan Observatory)full-disk Hα telescope for solar observations has to be evaluated during routine observations.Therefore，we have developed a special test program and we show the test results in this paper.The best active area of the CCD is between(140，128) and(4035，4023)；its bias level is around 670 ADU and its read-noise is about 13.5e－.The dark current of the CCD is about 0.5e－/second at－10℃.The dark-current level is higher than the specification of the manufacturer(KADAK)，but it is low enough for observations.From the evaluation results we confirm the feasibility and reliability of our test approach.This approach can also be used to monitor changes of CCD parameters during routine observations，which can incorporate such tests.

CCD system；Full-disk Hα solar observation；Evaluation of CCD performance

P111

A

1672－7673(2014)01－0060－05

2013－04－06；修定日期:2013－04－24

杨云飞，女，讲师.研究方向:计算机应用与天文图像处理.Email:flyingwithcloud＠sina.com