短波红外相机在天文领域的应用

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‍‍短波红外这个名词的的诞生就与天文学有着不可分割的联系，作为地面天文观测窗口中的“新人”，短波红外在当今天文科研活动中占据的地位越来重要。在地面上进行红外天文观测，受地球大气的限制很大。大气中的水汽、二氧化碳、臭氧等分子，吸收了红外波段大部分的天体辐射，只有几个透明的大气窗口可供地面观测使用，在这些窗口中被指定的红外测光系统为J（1.2微米）、H（1.6微米）、K(2.2微米)、L（3.6微米）、M（5.0微米）、N（10.6微米）和Q（21微米）。短波红外相机通常可以涵盖J波段与‍‍H波段，可用于红外天文观测。‍‍H波段天文观测（1.625um）C2PU 1m望远镜，科学级SWIR相机Ninox(Lyu Abe博士提供，所有的图像都是在1.625um处拍摄)上图:2014年10月24日在C2PU设施（ 尼斯蔚蓝海岸天文台 ）的1米Omicron望远镜的卡塞格伦焦点上观测到的天文H波段  (1.625um)的天王星 (Uranus)。这颗行星离太阳的距离大约是地球的20倍。在这张照片上，它的表观直径约为2.9英寸。表面的不均匀性是由于天王星大气中的云层造成的。1000次平移和相加以及51ms曝光帧叠加。上图：2014年10月24日，在C2PU设施的1米Omicron望远镜的卡塞格伦焦点上观测到的天文H波段（1.625um) 的猎户座星云（Orion nebulae）中心梯形星团的核心区域。这片天空中有许多年轻的恒星是在那个富含尘埃的环境中形成的。由于尘埃的吸收能力较低，在红外波段可以更好地观测到这一开放星团的恒星成分。至暗的恒星大约是H=13星等。4000次平移和相加、15ms曝光帧叠加。‍‍‍‍上图:2014年10月24日在C2PU设施1米Omicron望远镜的卡塞格伦焦点上记录到的双星系统 14 Ori ( H = 4.6 星等)的 图 像 重 建 试 验。（左图）3000次15ms 曝光帧叠加, (右图)从3000张短曝光图像中重建目标。据Lyu Abe博士说:"Raptor公司Ninox 640是一个非常令人兴奋的相机 。我现在能够在天文H波段(1.625µm)使用需要长时‍‍‍‍间‍‍‍‍‍‍稳定性的叠加拍摄良好图像。这台照相机将使我有可能发现新的东西。"东启明西长庚，SWIR成像探秘金星‍‍‍‍‍‍‍近些年，更多的天文学家正在研究SWIR波段。德国研究员Sebastian  Voltmer博士，一直在研究金星内部的一个紧挨着太阳的光环，以及月牙是如何变得越来越大的。他调研了大气层的轻微不规则性，如图1所示。图1 2020年7月1日短曝光时间下月牙金星的结果这个研究的挑战是在近红外光谱中揭示金星的地面结构。对于通过金星云层的表面观测（夜间），需要一个约1000nm的光谱窗口。波长大于1000nm的观测非常有趣，通过红外辐射观测金星较低的云层，这些红外辐射从金星表面上方约50公里的高空逃逸出来。Ninox 640 II SWIR相机能够在一张图像中显示地表和较低的云层。在2020年6月底和7月初，新月形的金星足够窄，它的位置离太阳足够远。这意味着天空足够黑暗，足以捕捉到西南偏南地区的夜景 。日落前的观测条件（ 大气中的湍流较少 ）比日落后好得多。2020年7 月1 日  ， Voltmer博士拍摄到了新月形金星的独特图像和这颗热行星的红外辐射。图2和图3展示了在法国Spicheren的设备外观。图2 天文望远镜上的Ninox 640 II相机图3与望远镜相连的Ninox 640 II跟踪架该设备能够捕捉到金星表面1000nm以外非常微弱的辐射，如图4所示。照片是用Baader Planetarium（巴德天文馆，820-1500nm）的Sloan Z滤光片和Ninox 640 II红外相机拍摄的用一个与金星夜相一致的圆圈把它对齐。拍摄12000个视频帧，以及需要大量后期处理工作。图4 2020年7月1日在短时间内拍摄到新月形金星和热行星的热辐射根据Voltmer博士的说法:“在2020年5月拍摄的一些金星照片中，我只使用了具有近红外灵敏度的CCD 相机，很难得到金星表面的任何信号，但是有了制冷型的Ninox 640 II SWIR相机，我得到了更好的信号。用Ninox 640 II SWIR相机我能够在一张图像中显示出地表和较低的云层。”拍摄设置介绍：开始时间：2:40 UT（持续时间20分钟）新月开始时间：03:17 UT望远镜：Celestron 11 EdgeHD+Baader Fluorite Flatfield Converter（FFC）相机：Ninox 640 II SWIR相机滤光片：Baader prototype Sloan-Z相机设置：地表和夜间较深云层：12000帧，90000ms，每秒10帧，传感器温度-31.7℃+12000帧的暗场新月型：12000帧短曝光时间，30帧/s相关产品推荐Ninox 640 SU高速红外相机主要特性：InGaAs，响应波长0.9~1.7um分辨率640x512，像元尺寸15um深度制冷至-80℃，暗电流<100e-/pixel/sec高灵敏度模式，读出噪声<30e-高动态范围模式，动态范围>71dB实时图像非均匀性校正，无需载入校正文件 ‍Owl 640 S高速红外相机主要特性：InGaAs，响应波长0.9~1.7um分辨率640x512，像元尺寸15um高帧频，300fps@640x512低噪声，读出噪声<50e-实时图像非均匀性校正，无需载入校正文件体积小，重量轻