Azərbaycanca AzərbaycancaБеларускі БеларускіDansk DanskDeutsch DeutschEspañola EspañolaFrançais FrançaisIndonesia IndonesiaItaliana Italiana日本語 日本語Қазақ ҚазақLietuvos LietuvosNederlands NederlandsPortuguês PortuguêsРусский Русскийසිංහල සිංහලแบบไทย แบบไทยTürkçe TürkçeУкраїнська Українська中國人 中國人United State United StateAfrikaans Afrikaans
Підтримка
www.wikidata.uk-ua.nina.az

Спекл інтерферометрія метод обробки астрономічних зображень із високою роздільною здатністю заснований на аналізі велико

Спекл-інтерферометрія

Спекл-інтерферометрія

Спекл-інтерферометрія — метод обробки астрономічних зображень із високою роздільною здатністю, заснований на аналізі великої кількості коротких експозицій, які фіксують зміну атмосферної турбулентності. Ці методи можуть значно збільшити роздільну здатність наземних телескопів, але застосовні тільки до яскравих об'єктів.

image
Типове зображення подвійної зорі [en] з короткою експозицією. Кожна зоря мала б виглядати як точкове джерело, але розмивання атмосферною турбулентністю призводить до того, що зображення двох зір розпадаються на два візерунки спеклів. Спекли швидко рухаються, так що на зображеннях із довгою експозицією кожна зоря виглядає як одна нечітка пляма.
image
Уповільнене відео зі спекл-зображенням, яке показує, як зображення зорі розпадається на кілька спеклів через вплив атмосфери.

Паралельно зі спекл-інтерферометрією розроблялись методи «зсуву й додавання» (підсумовування зображень) та «вдалого фотографування» (пошуку найкращих кадрів). Методи спекл-інтерферометрії найактивніше розроблялись в останній третині XX століття. Зараз вони почасти (особливо на великих телескопах) поступаються методам адаптивної оптики.

Пояснення

Принцип усіх методів полягає в тому, щоб отримати зображення астрономічних об'єктів з дуже короткою експозицією, а потім обробити їх, щоб усунути ефекти [en]. Використання цих методів призвело до ряду відкриттів, у тому числі дозволило розрізнити тисячі подвійних зір та отримати перші зображення плям на інших зорях. Багато методів широко використовуються й сьогодні, особливо для спостереження відносно яскравих об'єктів.

Роздільна здатність телескопа обмежена розміром головного дзеркала через дифракцію Фраунгофера. Це призводить до того, що зображення віддалених об'єктів розмиваються у невелику пляму, відому як диск Ейрі. Група об'єктів, зображення яких розташовані ближче один до одного, ніж це обмеження, виглядає як єдиний об'єкт. Таким чином, більші телескопи можуть не тільки спостерігати тьмяніші об'єкти (оскільки вони збирають більше світла), але й розрізняти об'єкти, які розташовані ближче один до одного.

Це покращення роздільної здатності зі збільшенням розміру телескопа руйнується через практичні обмеження, накладені атмосферою, оптична неоднорідність якої розбиває єдину пляму диска Ейрі на багато окремих плям, які рухаються по значно більшій області (дивіться зображення подвійної системи праворуч). Для типового [en] практичні межі роздільної здатності досягаються при розмірах дзеркал близько 20 см (для спостережень у видимому світлі за хороших погодних умов). Протягом багатьох років продуктивність телескопа була обмежена цим ефектом, поки впровадження спекл-інтерферометрії та адаптивної оптики не дало змогу усунути це обмеження.

Спекл-інтерферометрія відтворює оригінальне зображення за допомогою методів обробки зображень. Ідея методу, запропонованого американським астрономом [en] у 1966 році, полягала в отриманні дуже швидких зображень, так що протягом кожного зображення атмосфера залишалась практично нерухомою. На інфрачервоних довжинах хвиль час когерентності τ0 становить близько 100 мс, але для видимої області він падає до 10 мс. Коли час експозиції менший за τ0, рух атмосфери є надто повільним, щоб розмивати зображення, і спекли на зображенні відповідають миттєвому стану атмосфери в момент фотографування.

Недоліком техніки є те, що робити знімки за такої короткої експозиції складно, і, якщо об'єкт занадто тьмяний, телескоп отримає недостатньо світла для аналізу. На початку 1970-х ця техніка використовувалася в обмеженому масштабі за допомогою фотографічних методів, але оскільки фотоплівка вловлює лише близько 7 % вхідного світла, лише найяскравіші об'єкти можна було досліджувати таким чином. Введення в астрономію ПЗЗ-матриць, які вловлюють понад 70 % світла, знизило планку необхідної яскравості об'єктів на порядок, і сьогодні ця техніка широко використовується на яскравих астрономічних об'єктах (наприклад, зорях і зоряних системах).

Техніка також застосовується в промисловості. Освітлюючи поверхню лазером (чий плоский хвильовий фронт є гарним аналогом світла від далекої зорі), результуючі спекли можна обробити, щоб отримати детальні зображення дефектів у матеріалі.

Методи

Метод зсуву й додавання

image
[en] Юпітера на 5 мкм, отримані з використанням багатьох окремих кадрів обсерваторії Джемінай, кожен з відносно довгим часом експозиції 309 мс, ілюструють принцип, що час когерентності τ0 збільшується з довжиною хвилі.

Метод «зсуву та додавання» — це спосіб обробки спеклів, який зазвичай використовується для отримання високоякісних зображень із кількох коротких експозицій з різними зміщеннями зображення. Його застосовують в астрономії вже протягом кількох десятиліть, і він є основою для стабілізації зображення на деяких камерах. Зображення з короткою експозицією вирівнюються за допомогою найяскравішого спекла та усереднюються для отримання єдиного вихідного зображення.

Спосіб передбачає розрахунок диференціальних зсувів зображень. Це легко зробити на астрономічних зображеннях, оскільки їх можна вирівняти за зорями. Після вирівнювання зображення усереднюють. Базовим принципом статистики є те, що варіацію у вибірці можна зменшити шляхом усереднення окремих значень. При використанні усередненого значення співвідношення сигнал/шум множиться на квадратний корінь з кількості зображень. Для цього існує ряд пакетів програмного забезпечення, зокрема [en], [en], Autostakkert, Keiths Image Stacker, Hugin та Iris.

У підході [en] для усереднення використовують лише найкращі короткі експозиції. Ранні методи зміщення та додавання вирівнювали зображення відповідно до центроїда зображення, даючи нижчий загальний [en].

Спекл-інтерферометрія

У 1970 році французький астроном [en] показав, що аналіз Фур'є може отримати інформацію про структуру об'єкта з високою роздільною здатністю на основі статистичних властивостей спеклів. Цю техніку вперше застосували в 1971 році на 200-дюймовому телескопі Паломарської обсерваторії Даніель Гезарі, Антуан Лабері та Роберт Стахнік. Методи, розроблені у 1980-х роках, дозволяли реконструювати прості зображення з інформації про спектр потужності спеклів.

Ще один новіший тип спекл-інтерферометрії, званий маскуванням спеклів, включає обчислення [en] з кожної з коротких експозицій. Потім можна обчислити «середній біспектр», а потім інвертувати для отримання зображення. Це особливо добре працює з використанням [en]. У такій конструкції апертура телескопа заблокована, за винятком кількох отворів, які пропускають світло, створюючи маленький оптичний інтерферометр із кращою роздільною здатністю, ніж у телескопа. Ця техніка маскування апертури була впроваджена Кавендіською астрофізичною групою.

Одним із обмежень техніки є те, що вона вимагає значної комп'ютерної обробки зображення, чого було важко досягти, коли цю техніку вперше розробляли. З часом це обмеження зникло, оскільки обчислювальна потужність зросла, і сьогодні настільні комп'ютери мають більш ніж достатньо потужності, щоб така обробка була тривіальним завданням.

Примітки

  1. Fried, David L. (1966). Optical Resolution Through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures. Journal of the Optical Society of America. 56 (10): 1372. Bibcode:1966JOSA...56.1372F. doi:10.1364/JOSA.56.001372.
  2. Jacquot, P.: Speckle interferometry: a review of the principal methods in use for experimental mechanics applications. Strain 44, 57–69 (2008)
  3. Gemini Gets Lucky and Takes a Deep Dive Into Jupiter's Clouds, NOIRLab press release, 2020-05-08.
  4. Wong, M.H., A.A. Simon, J.W. Tollefson, I. de Pater, M.N. Barnett, A.I. Hsu, A.W. Stephens, G.S. Orton, S.W. Fleming, C. Goullaud, W. Januszewski, A. Roman, G.L. Bjoraker, S.K. Atreya, A. Adriani, and L.N. Fletcher (2020) High-resolution UV/Optical/IR Imaging of Jupiter in 2016–2019. Astrophysical Journal Supplement Series. 247: 58 (25 pp.).
  5. Baba, N.; Isobe, S.; Norimoto, Y.; Noguchi, M. Stellar speckle image reconstruction by the shift-and-add method, Applied Optics (ISSN 0003-6935), vol. 24, May 15, 1985, p. 1403—1405
  6. Christou, J. C., Image quality, tip-tilt correction, and shift-and-add infrared imaging, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, vol. 103, Sept.1991, p. 1040—1048
  7. Baba, N; Isobe, Syuzo; Norimoto, Youji; Noguchi, Motokazu (May 1985). Stellar speckle image reconstruction by the shift-and-add method. Applied Optics. 24 (10): 1403—5. Bibcode:1985ApOpt..24.1403B. doi:10.1364/AO.24.001403. PMID 20440355.
  8. Labeyrie, Antoine (May 1970). Attainment of Diffraction Limited Resolution in Large Telescopes by Fourier Analysing Speckle Patterns in Star Images. Astronomy and Astrophysics. 6: 85L. Bibcode:1970A&A.....6...85L.
  9. «Speckle Interferometry: Diffraction-Limited Measurements of Nine Stars with the 200-inch Telescope», Daniel Y. Gezari, Antoine Labeyrie and Robert V. Stachnik, 1972, The Astrophysical Journal, vol. 173, L1
  10. Weigelt, Gerd (April 1977). Modified astronomical speckle interferometry 'speckle masking'. Optics Communications. 21 (1): 55—59. Bibcode:1977OptCo..21...55W. doi:10.1016/0030-4018(77)90077-3.
  11. Baldwin, John; Haniff, C. A.; MacKay, C. D.; Warner, P. J. (April 1986). Closure phase in high-resolution optical imaging. Nature. 320 (6063): 595. Bibcode:1986Natur.320..595B. doi:10.1038/320595a0.
  12. Baldwin, John; MacKay, C. D.; Titterington, D. J.; Sivia, D.; Baldwin, J. E.; Warner, P. J. (August 1987). The First Images from Optical Aperture Synthesis. Nature. 328 (6132): 694. Bibcode:1987Natur.328..694B. doi:10.1038/328694a0.

Посилання

  • Hugin — програмне забезпечення для зображень із відкритим вихідним кодом із «накопичуванням зображень» із зсувом і додаванням
  • Iris — безкоштовне програмне забезпечення для обробки астрономічних зображень
  • Autostakert — вирівнювання та укладання послідовностей зображень, мінімізуючи вплив атмосферних спотворень

Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет

Spekl interferometriya metod obrobki astronomichnih zobrazhen iz visokoyu rozdilnoyu zdatnistyu zasnovanij na analizi velikoyi kilkosti korotkih ekspozicij yaki fiksuyut zminu atmosfernoyi turbulentnosti Ci metodi mozhut znachno zbilshiti rozdilnu zdatnist nazemnih teleskopiv ale zastosovni tilki do yaskravih ob yektiv Tipove zobrazhennya podvijnoyi zori en z korotkoyu ekspoziciyeyu Kozhna zorya mala b viglyadati yak tochkove dzherelo ale rozmivannya atmosfernoyu turbulentnistyu prizvodit do togo sho zobrazhennya dvoh zir rozpadayutsya na dva vizerunki spekliv Spekli shvidko ruhayutsya tak sho na zobrazhennyah iz dovgoyu ekspoziciyeyu kozhna zorya viglyadaye yak odna nechitka plyama Upovilnene video zi spekl zobrazhennyam yake pokazuye yak zobrazhennya zori rozpadayetsya na kilka spekliv cherez vpliv atmosferi Paralelno zi spekl interferometriyeyu rozroblyalis metodi zsuvu j dodavannya pidsumovuvannya zobrazhen ta vdalogo fotografuvannya poshuku najkrashih kadriv Metodi spekl interferometriyi najaktivnishe rozroblyalis v ostannij tretini XX stolittya Zaraz voni pochasti osoblivo na velikih teleskopah postupayutsya metodam adaptivnoyi optiki PoyasnennyaPrincip usih metodiv polyagaye v tomu shob otrimati zobrazhennya astronomichnih ob yektiv z duzhe korotkoyu ekspoziciyeyu a potim obrobiti yih shob usunuti efekti en Vikoristannya cih metodiv prizvelo do ryadu vidkrittiv u tomu chisli dozvolilo rozrizniti tisyachi podvijnih zir ta otrimati pershi zobrazhennya plyam na inshih zoryah Bagato metodiv shiroko vikoristovuyutsya j sogodni osoblivo dlya sposterezhennya vidnosno yaskravih ob yektiv Rozdilna zdatnist teleskopa obmezhena rozmirom golovnogo dzerkala cherez difrakciyu Fraungofera Ce prizvodit do togo sho zobrazhennya viddalenih ob yektiv rozmivayutsya u neveliku plyamu vidomu yak disk Ejri Grupa ob yektiv zobrazhennya yakih roztashovani blizhche odin do odnogo nizh ce obmezhennya viglyadaye yak yedinij ob yekt Takim chinom bilshi teleskopi mozhut ne tilki sposterigati tmyanishi ob yekti oskilki voni zbirayut bilshe svitla ale j rozriznyati ob yekti yaki roztashovani blizhche odin do odnogo Ce pokrashennya rozdilnoyi zdatnosti zi zbilshennyam rozmiru teleskopa rujnuyetsya cherez praktichni obmezhennya nakladeni atmosferoyu optichna neodnoridnist yakoyi rozbivaye yedinu plyamu diska Ejri na bagato okremih plyam yaki ruhayutsya po znachno bilshij oblasti divitsya zobrazhennya podvijnoyi sistemi pravoruch Dlya tipovogo en praktichni mezhi rozdilnoyi zdatnosti dosyagayutsya pri rozmirah dzerkal blizko 20 sm dlya sposterezhen u vidimomu svitli za horoshih pogodnih umov Protyagom bagatoh rokiv produktivnist teleskopa bula obmezhena cim efektom poki vprovadzhennya spekl interferometriyi ta adaptivnoyi optiki ne dalo zmogu usunuti ce obmezhennya Spekl interferometriya vidtvoryuye originalne zobrazhennya za dopomogoyu metodiv obrobki zobrazhen Ideya metodu zaproponovanogo amerikanskim astronomom en u 1966 roci polyagala v otrimanni duzhe shvidkih zobrazhen tak sho protyagom kozhnogo zobrazhennya atmosfera zalishalas praktichno neruhomoyu Na infrachervonih dovzhinah hvil chas kogerentnosti t0 stanovit blizko 100 ms ale dlya vidimoyi oblasti vin padaye do 10 ms Koli chas ekspoziciyi menshij za t0 ruh atmosferi ye nadto povilnim shob rozmivati zobrazhennya i spekli na zobrazhenni vidpovidayut mittyevomu stanu atmosferi v moment fotografuvannya Nedolikom tehniki ye te sho robiti znimki za takoyi korotkoyi ekspoziciyi skladno i yaksho ob yekt zanadto tmyanij teleskop otrimaye nedostatno svitla dlya analizu Na pochatku 1970 h cya tehnika vikoristovuvalasya v obmezhenomu masshtabi za dopomogoyu fotografichnih metodiv ale oskilki fotoplivka vlovlyuye lishe blizko 7 vhidnogo svitla lishe najyaskravishi ob yekti mozhna bulo doslidzhuvati takim chinom Vvedennya v astronomiyu PZZ matric yaki vlovlyuyut ponad 70 svitla znizilo planku neobhidnoyi yaskravosti ob yektiv na poryadok i sogodni cya tehnika shiroko vikoristovuyetsya na yaskravih astronomichnih ob yektah napriklad zoryah i zoryanih sistemah Tehnika takozh zastosovuyetsya v promislovosti Osvitlyuyuchi poverhnyu lazerom chij ploskij hvilovij front ye garnim analogom svitla vid dalekoyi zori rezultuyuchi spekli mozhna obrobiti shob otrimati detalni zobrazhennya defektiv u materiali MetodiMetod zsuvu j dodavannya en Yupitera na 5 mkm otrimani z vikoristannyam bagatoh okremih kadriv observatoriyi Dzheminaj kozhen z vidnosno dovgim chasom ekspoziciyi 309 ms ilyustruyut princip sho chas kogerentnosti t0 zbilshuyetsya z dovzhinoyu hvili Metod zsuvu ta dodavannya ce sposib obrobki spekliv yakij zazvichaj vikoristovuyetsya dlya otrimannya visokoyakisnih zobrazhen iz kilkoh korotkih ekspozicij z riznimi zmishennyami zobrazhennya Jogo zastosovuyut v astronomiyi vzhe protyagom kilkoh desyatilit i vin ye osnovoyu dlya stabilizaciyi zobrazhennya na deyakih kamerah Zobrazhennya z korotkoyu ekspoziciyeyu virivnyuyutsya za dopomogoyu najyaskravishogo spekla ta userednyuyutsya dlya otrimannya yedinogo vihidnogo zobrazhennya Sposib peredbachaye rozrahunok diferencialnih zsuviv zobrazhen Ce legko zrobiti na astronomichnih zobrazhennyah oskilki yih mozhna virivnyati za zoryami Pislya virivnyuvannya zobrazhennya userednyuyut Bazovim principom statistiki ye te sho variaciyu u vibirci mozhna zmenshiti shlyahom userednennya okremih znachen Pri vikoristanni userednenogo znachennya spivvidnoshennya signal shum mnozhitsya na kvadratnij korin z kilkosti zobrazhen Dlya cogo isnuye ryad paketiv programnogo zabezpechennya zokrema en en Autostakkert Keiths Image Stacker Hugin ta Iris U pidhodi en dlya userednennya vikoristovuyut lishe najkrashi korotki ekspoziciyi Ranni metodi zmishennya ta dodavannya virivnyuvali zobrazhennya vidpovidno do centroyida zobrazhennya dayuchi nizhchij zagalnij en Spekl interferometriya U 1970 roci francuzkij astronom en pokazav sho analiz Fur ye mozhe otrimati informaciyu pro strukturu ob yekta z visokoyu rozdilnoyu zdatnistyu na osnovi statistichnih vlastivostej spekliv Cyu tehniku vpershe zastosuvali v 1971 roci na 200 dyujmovomu teleskopi Palomarskoyi observatoriyi Daniel Gezari Antuan Laberi ta Robert Stahnik Metodi rozrobleni u 1980 h rokah dozvolyali rekonstruyuvati prosti zobrazhennya z informaciyi pro spektr potuzhnosti spekliv She odin novishij tip spekl interferometriyi zvanij maskuvannyam spekliv vklyuchaye obchislennya en z kozhnoyi z korotkih ekspozicij Potim mozhna obchisliti serednij bispektr a potim invertuvati dlya otrimannya zobrazhennya Ce osoblivo dobre pracyuye z vikoristannyam en U takij konstrukciyi apertura teleskopa zablokovana za vinyatkom kilkoh otvoriv yaki propuskayut svitlo stvoryuyuchi malenkij optichnij interferometr iz krashoyu rozdilnoyu zdatnistyu nizh u teleskopa Cya tehnika maskuvannya aperturi bula vprovadzhena Kavendiskoyu astrofizichnoyu grupoyu Odnim iz obmezhen tehniki ye te sho vona vimagaye znachnoyi komp yuternoyi obrobki zobrazhennya chogo bulo vazhko dosyagti koli cyu tehniku vpershe rozroblyali Z chasom ce obmezhennya zniklo oskilki obchislyuvalna potuzhnist zrosla i sogodni nastilni komp yuteri mayut bilsh nizh dostatno potuzhnosti shob taka obrobka bula trivialnim zavdannyam PrimitkiFried David L 1966 Optical Resolution Through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures Journal of the Optical Society of America 56 10 1372 Bibcode 1966JOSA 56 1372F doi 10 1364 JOSA 56 001372 Jacquot P Speckle interferometry a review of the principal methods in use for experimental mechanics applications Strain 44 57 69 2008 Gemini Gets Lucky and Takes a Deep Dive Into Jupiter s Clouds NOIRLab press release 2020 05 08 Wong M H A A Simon J W Tollefson I de Pater M N Barnett A I Hsu A W Stephens G S Orton S W Fleming C Goullaud W Januszewski A Roman G L Bjoraker S K Atreya A Adriani and L N Fletcher 2020 High resolution UV Optical IR Imaging of Jupiter in 2016 2019 Astrophysical Journal Supplement Series 247 58 25 pp Baba N Isobe S Norimoto Y Noguchi M Stellar speckle image reconstruction by the shift and add method Applied Optics ISSN 0003 6935 vol 24 May 15 1985 p 1403 1405 Christou J C Image quality tip tilt correction and shift and add infrared imaging Publications of the Astronomical Society of the Pacific vol 103 Sept 1991 p 1040 1048 Baba N Isobe Syuzo Norimoto Youji Noguchi Motokazu May 1985 Stellar speckle image reconstruction by the shift and add method Applied Optics 24 10 1403 5 Bibcode 1985ApOpt 24 1403B doi 10 1364 AO 24 001403 PMID 20440355 Labeyrie Antoine May 1970 Attainment of Diffraction Limited Resolution in Large Telescopes by Fourier Analysing Speckle Patterns in Star Images Astronomy and Astrophysics 6 85L Bibcode 1970A amp A 6 85L Speckle Interferometry Diffraction Limited Measurements of Nine Stars with the 200 inch Telescope Daniel Y Gezari Antoine Labeyrie and Robert V Stachnik 1972 The Astrophysical Journal vol 173 L1 Weigelt Gerd April 1977 Modified astronomical speckle interferometry speckle masking Optics Communications 21 1 55 59 Bibcode 1977OptCo 21 55W doi 10 1016 0030 4018 77 90077 3 Baldwin John Haniff C A MacKay C D Warner P J April 1986 Closure phase in high resolution optical imaging Nature 320 6063 595 Bibcode 1986Natur 320 595B doi 10 1038 320595a0 Baldwin John MacKay C D Titterington D J Sivia D Baldwin J E Warner P J August 1987 The First Images from Optical Aperture Synthesis Nature 328 6132 694 Bibcode 1987Natur 328 694B doi 10 1038 328694a0 PosilannyaHugin programne zabezpechennya dlya zobrazhen iz vidkritim vihidnim kodom iz nakopichuvannyam zobrazhen iz zsuvom i dodavannyam Iris bezkoshtovne programne zabezpechennya dlya obrobki astronomichnih zobrazhen Autostakert virivnyuvannya ta ukladannya poslidovnostej zobrazhen minimizuyuchi vpliv atmosfernih spotvoren

Дата публікації:
Топ