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第四节 深空图像校准基础

1 校准帧 (Calibration Frames)

对于非常暗弱的天体信号，校准帧是非常必要的，有助于我们从拍摄的原始图像中校准并去除相机、光学系统等的缺陷，从而仅保留天体信号、提升图像质量、增强图像间的一致性。校准帧通常包含偏置场（bias frame）、暗场（dark frame）、平场（flat frame）以及暗平场（dark-flat frame），每一类校准帧都在校准天体图像中起到重要作用。

1.1 偏置场/偏置帧 (Bias)

相机使用尽可能短的曝光时间得到的图片，就是偏置场（Bias frame），通常时间是在 \(\mu s\) 级别。

单反或微单相机的最短曝光时间

对于单反或者微单相机而言，最短的曝光时间通常被设计为1/4000 s或者1/8000 s，这与机械快门/电子快门的设计相关。

由于时间足够短，因此偏置场中没有记录来自天体的光子、没有记录暗电流，仅包含了 CMOS出厂时设置的偏移（offset）值、用户拍摄时设定的偏移值 以及 读出噪声（readout noise） 。可以简单理解为，天体图像中的每一个像素都被加了一个偏移量，我们利用偏置场减去这个偏移量，就能够还原这部分对于天体图像的失真。因为偏置场与天体信号完全没有关系，所以在校准这部分信号的时候是利用减去（subtraction）的方法。

在拍摄偏置场时，最好使用与亮场相同的设定（尤其是偏移的设定）以及温度，盖上镜头盖（或者相机盖）拍摄。但是单张时间显然不会也不可能与亮场相同。所以，只要拍摄时设定与温度相同，就可以使用该偏置场进行校准——换句话说，偏置场可以建库，从而能够重复使用。

一般而言，越是新一代的CMOS（或者其他传感器），读出噪声会被控制得越低。CCD的读出噪声约为20e-，而最新一代的CMOS能够达到2-3e-甚至更低。因此，在CCD主导天文探测的时代，偏置场非常关键；CMOS主导的时代重要性略显下降，很多传感器甚至不需要拍摄偏置场也能获得干净的图像，例如IMX455（ZWO 6200 / QHY 600系列的传感器）。

在单张原始天体图像中，使用肉眼很难发现其中偏置场的形状（pattern）；然而，当多张偏置场叠加起来时，就能够得到比较接近实际偏置场的图像，拉伸后用肉眼也可以发现其中的形状。

在偏置场拍摄过程中，由于拍摄速度非常快、产生的数据量大、传感器发热量大，需要考虑相机存储的io速度以及在拍摄过程中的制冷功率。通常而言拍摄偏置场时传感器温度会快速上升，制冷功率也会上升，如果制冷功率无法控制温度恒定，最好使用间隔拍摄。

1.2 暗场/暗帧 (Dark)

暗场，顾名思义，是在没有外界光（不论是来自天体的光还是其他杂光）的情况下，使用与亮场相同的温度、相同的曝光时间、相同的设定（例如Gain和offset等），所得到的校准帧。

暗场记录的主要是暗电流（或者称为热噪声、dark current、thermal noise、hot pixel等）、以及辉光（amplifier glow）（当然，偏置场也被记录到了）。

1.2.1 暗电流

其强度是一个只与 温度 有关的函数，显然温度越高，暗电流越强，宏观上看就是图像的噪声越多。因此在拍摄天体图像以及暗场时要控制温度，保证精确校准，这也就是冷冻相机存在的意义之一。

1.2.2 辉光

放大器辉光（amplifier glow / sensor glow / amp glow）是当CCD或CMOS内部的放大器里存在一定电压差时，电压驱动高速运动的电子产生的近红外光也被记录，例如放大器中MOSFET元件里的电子的电致发光（electroluminescence），从而在图像中表现出在靠近放大器的区域发光的现象。

CMOS和CCD的辉光

对于CCD而言，放大器通常是在芯片边缘，因此辉光通常是从侧边发出；而对于CMOS，每个像素都有放大器以及其他电气元件，因此辉光既有可能出现在图像边缘，也有可能分布在图像的中间或者其他位置。在早期，成本比CCD低的CMOS一直没普及的重要原因之一就是辉光太显著，甚至会把天体信号完全掩盖，严重影响天体观测。

辉光强度是与温度无关的，而与单张曝光时间有关，因为当单张曝光时间足够长时（比如几分钟至几十分钟），相机电气组件发出的微弱的近红外光才会被不断积累。因此对于辉光显著的探测器，在校准暗场时需要保证暗场与亮场的温度和曝光时间都一致（温度是为了保证暗电流校准，单张时间是为了保证辉光校准）。

IMX294芯片（ASI 294MC、QHY294C）的辉光

IMX294芯片（ASI 294MC、QHY294C）的辉光。来源：Sharpcap forum

IMX492芯片（ASI 294MM、QHY294M）的辉光

IMX492芯片（ASI 294MM、QHY294M）的辉光。来源：macobservatory.com

IMX071（ASI 071、Nikon D5100）的辉光

IMX071（ASI 071、Nikon D5100）的辉光。来源：CloudyNights

有些单反或微单相机在天文改机后会产生辉光，因为辉光的波段是在IR-cut范围之外，又在BCF范围内。目前比较经典的有辉光相机包括294、174、178、071、183等较早的芯片。目前较新的相机绝大部分采取了辉光抑制技术，可以显著减少辉光的影响，例如533、571（ASI2600）、455（ASI6200/QHY600），因此可以认为这些相机做到了0辉光。不同厂商的辉光抑制效果有差异，对于相同的芯片，有些辉光处理得很好，几乎完全消除了辉光，而有些辉光抑制没有做好。

传感器类型与辉光

前照式和背照式的CMOS辉光差别不大，堆栈式增加了处理电路，如果堆栈式CMOS辉光抑制工艺做得不好，很可能辉光会急剧增加。

1.2.3 暗场校准

由于在获取天体图像时，通常需要一个较长的曝光时间，在这样持续长时间曝光条件下，暗电流和辉光的效应会非常显著，因此使用暗场校准非常关键。

关于机内校准

如果使用单反或者微单相机，相机通常会默认开启机内校准，这对于准确校准暗电流不利。目前已经能够破解暗电流的常用相机是尼康D5100，这台相机搭载了经典的1600万像素CMOS IMX071（与ASI071MC同款），只需要使用破解固件就能够解锁相机拍摄到的最原始的数据，性价比很高，所以称为天文神机。很显然，破解后失去机内自动校准，得到的图像质量会肉眼可见地下降，但是这也为精确拍摄并校准暗场创造了空间。

校准要点：

  • 对于暗电流的校准：最重要的是控制相机温度与亮场相同。如果相机温度与亮场不一致，并且相机无辉光，可以使用暗场优化（dark optimization）补偿。
  • 对于辉光的校准：（有显著辉光相机）
    • 控制相机单张曝光时间与亮场相同。
    • 不能使用暗场优化。暗场优化是通过给暗场乘以一个系数因子得到，如果开启暗场优化，辉光也会乘以一个系数，就会与亮场的辉光不同，校准就会失败。

暗场也可以建库，根据不同的曝光时间、不同的温度、不同的设定进行分类，从而可以重复使用。但是，暗场最好每隔3-4个月重新拍摄一次，因为传感器的暗电流pattern会随着时间变化，时间久了之后很可能会校准不精确。

1.3 平场 (Flat)

参考资料

  • https://telescope.live/blog/learning-about-amp-glow
  • https://astrobasics.de/en/basics/bias-flats-darks-darkflats/
  • https://www.macobservatory.com/blog/2021/4/20/what-are-astrophotography-calibration-frames-and-why-should-i-use-them
  • https://astroisk.nl/the-importance-of-calibration-frames-in-astrophotography/
  • https://practicalastrophotography.com/a-brief-guide-to-calibration-frames/

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