GE4000相机观察伽玛射线放射现象

俄罗斯莫斯科国立大学的斯腾伯格天文研究所采用Prosilica GE4000 GigE Vision相机来检测并测量伽玛射线的放射情况。

莫斯科国立大学斯腾伯格天文研究所的科学团队在莫斯科“Optics”公司的支持下,正在进行一项研究项目,以检测并测量光学瞬变(也叫“光突发”)。光学瞬变是发生在夜空中的一种突然放射现象,其来源多种多样,然而许多对此进行研究的当代天体物理学家将光放射与伽玛射线爆发(GRB)联系在一起,伽玛射线爆发是一种发生在宇宙边缘、极具威力的爆炸现象。

该研究项目有三个主要目标:伽玛射线放射事件的检测极限、寻找此类事件遗留下的光学痕迹,以及调查伽玛射线爆发是否与光学瞬变有关。

光学瞬变检测方法

天文学家用两种方法检测这些射线爆发:第一种是太空伽玛射线天文台(如Scott天文台或Fermy天文台)的指挥中心一旦检测到放射现象就通过互联网向其他天文台发射信号和坐标。收到信号的望远镜然后指向指定的方向。这一过程至少需要10秒。然而遗漏的最初几秒对于观察GRB现象尤为重要,因为它们最明亮。第二种方法则是运用具有宽广视野、可覆盖成千上万度天区的高敏感相机来提高从头至尾直接检测到GRB现象的几率。

斯腾伯格研究所的系统
全世界有多个相机系统在运行。由于莫斯科国立大学的天文学家认为传统的天文相机需要较长的读取和曝光时间不适合这项应用,且会将检测到放射的几率降低1/2或1/3,他们因此给系统配备了一台CCD相机。

斯腾伯格研究所选择了配备GigE VisionTM接口、分辨率为1100万像素的高清Prosilica GE4000相机。GE4000相机配备了高质量柯达KAI-11002 CCD图像传感器,提供高分辨率和高敏感度以检测最细微的光学瞬变星等。

斯腾伯格研究所系统由一个定制的紧凑型赤道仪和星体跟踪仪组成。赤道仪能快速指向指定的天域,星体跟踪仪则在日间与天空同步旋转。两台GE4000相机安装在赤道仪中。每台相机配备一个50毫米的高速f/1.4尼克尔定焦镜头,可在低照度条件下拍摄到最佳图像。同一赤道仪上的相机光轴沿天空平行线偏离13度以避免重叠。该系统的天空总覆盖范围是2000平方度。

带相机的赤道仪安装在一个全自动、由24伏直流电机供电的护罩中。相机座和护罩由一台放置在护罩中的电脑操作,并与天文台的局域网相连。它由一个定制控制器提供电源,而控制器则通过一个RS485接口与电脑连接。当天文台的红外云传感器报告天空晴朗时,一个调度程序在夜晚将系统激活。每台相机都通过一根25米长的千兆以太网缆线与自己的图像处理电脑连接。这些电脑主要用于图像处理。图像采集则通过调度程序同步。

斯腾伯格研究所总共安装了三个系统:两个系统安装在北高加索的普尔科沃天文台内,靠近基斯洛沃茨克市,且天文台还有一台全新的2.5米大口径望远镜。另一个系统则在西伯利亚的伊尔库茨克市。这个系统因为与莫斯科有5个小时时间差(日落时间更早)而被选中。

技术问题

系统能成功检测到微弱信号是得益于CCD相机的信噪比。斯腾伯格研究所运用天文方法来量化GE4000相机的噪声特征。光照均匀的CCD相机连续拍摄的两张图像之间的差异取决于信号总量。这些信号提供模拟到数字的换算因数,也提供读出噪声。研究所决定读出噪声要保持在极低水平。

另一个需要考虑的问题是热像素。在检测软件中,不将热像素和星体图像混淆至关重要。在进行了几次测试后,斯腾伯格研究所得出结论:整个CCD的热像素位置及其强度足够稳定,能生成一张用于检测来源前遮罩图像的地图。

系统必须在零下温度环境中运行。两台GE4000相机在零下20度的环境中表现很好,在连续拍摄模式下能产生足够热量来维持所有功能。

实践应用中的系统
一旦检测到伽玛射线爆发现象,系统就指向特定的天区,同时开始进行连续的图像采集。曝光时间设定为5秒,以优化对爆发的检测。每台相机每夜拍摄五千到九千帧图像。
相机专用的电脑采集并存储图像、检测并测量对象,转换其坐标并将所有检测到的对象列表传到中心服务器上。服务器接着利用特殊巧合标准、星体数据库和各种目录来分析数据,以揭示被检测事件的大概性质。
图像处理和调度程序通过Prosilica软件开发工具包用C++语言编写。