QHY268M用于科学观测的测试

摘要

本文旨在通过进行一系列测试来观察QHY268M相机用于科学观测的表现。像CMOS这种高端相机的产生正在为普通的爱好者们开启一个全新的观测领域，使他们能够高效地获得有用的科学数据。测试分为以下四个方面：
1.测试相机的基本性能，比如转换系数（满阱容量）、读出噪声、动态范围和暗电流
2.测试相机的线性度
3.测试相机记录变星和行星星云光谱的能力
4.测试相机是否满足高精度的天文测光的要求，如观测系外行星凌日
对前两个方面，本文采用了拍摄一系列不同的校准帧进行测试评估，对另外两个方面，采用了实际天体拍摄的方法进行测量。



1.测试QHY268M的基本性能

首先我想说的是：QHY268M的外形非常美观，机身顶部有一个干燥管接口，有一个黑色盖子盖在上面，很好地避免了相机出现结露或者结雾问题。一旦芯片出现结露，QHY建议用户使用提供的硅胶干燥管。我们的第一次测试是在一个潮湿的环境中，整个测试过程中制冷器一直保持在-10℃，完全没有结露出现。值得关注的是，在1x1bin时，通过相机Usb 3.0端口的传输，50Mb的文件大约仅需要3秒钟就可以下载完成。而类似尺寸的CCD下载一个1x1bin的图像需要的时间则不少于30秒。（译者注：QHY268M更高的帧率可以在连续模式下获得，能达到每秒6.8帧@16位）
该相机提供了4种操作模式，每种模式有不同的读出噪声和增益的响应曲线。在研究了QHY提供的曲线后，我们对模式#1（高增益）和模式#3（扩展满阱2CMS）进行了测试，因为我们认为这两种模式对于科学观测比较有优势。对于科学观测来说，噪声越小越好，还需要优异的动态范围。因为在许多星域中，要想找到与我们想要测量的变星亮度大致相同的对比星是不太可能的。对于光谱学来说，读出噪声应该尽可能保持低水平，因为它比天空噪声更容易影响效果。为了获得最佳结果，这种观测只限于相对明亮的星，这种曝光很少使天空达到饱和。
从模式#1的曲线图中可以看到，在增益为0和60时动态范围达到最佳。根据Richard Berry的《Aip4win》一书，要进行评估，需要拍摄和测量2个平场、2个偏场和1个长暗场（我们已经选择了600秒）。我们测量了相机在增益0和增益52-56-58-60和64时的参数，设定温度为-10℃，为了避免零值像素，偏移量设定为20。偏移量基本上是给图像添加一个常数，我们发现偏移量20会使整个画面的像素最小值约为150-200ADU，平均约为326ADU。最重要的是，没有一丝辉光。600秒的暗帧显示有一些热像素。然而，只有86个像素看起来是饱和的。虽然饱和的热像素数量不多，但为了避免校准问题，你可能想把曝光时间减少到300秒，并叠加多个图像。

600秒的高度拉伸的暗帧，使用QHY268M拍摄，没有辉光，

增益为64，偏移量为20，温度为-10℃

经过上述测试，我们得到以下结果：
模式#1（高增益）

增益0	测试结果	备注
转换系数	0.77 e/ADU
满阱	50462
读出噪声	3.56 e RMS
平均暗电流	0.001558 e/px/sec at -10℃
动态范围	14,175灰度色调	最大值
增益52
转换系数	0.39 e/ADU
满阱	25559
读出噪声	3.58 e RMS
平均暗电流	0.001744 e/px/sec at -10℃
动态范围	7,139灰度色调
增益 56
转换系数	0.33 e/ADU
满阱	21626
读出噪声	1.66 e RMS
平均暗电流	0.001641 e/px/sec at -10℃
动态范围	13,027 灰度色调
增益58
转换系数	0.32 e/ADU
满阱	20971
读出噪声	1.59 e RMS	最小值
平均暗电流	0.001575 e/px/sec at -10℃
动态范围	13,189 灰度直线
增益 60
转换系数	0.31 e/ADU
满阱	20316
读出噪声	1.67 e RMS
平均暗电流	0.0016933 e/px/sec at -10℃
动态范围	12,165 灰度色调
增益 64
转换系数	0.28 e/ADU
满阱	18,350
读出噪声	1.69 e RMS
平均暗电流	0.001594 e/px/sec at -10℃
动态范围	10,858 灰度色调

增益0和增益58可能更利于光谱和测光的研究。增益0可能更适合在有光污染的天空下使用，而增益58可能更适合用于在城市郊区和黑暗的乡村天空下拍摄较暗的物体。


我们研究了其他模式的曲线，又选择了模式#3进行测试。与模式#2相比，模式#3满阱容量更大，读出噪声更低。
下面是增益0和增益40时的结果（偏移量和温度保持不变）。
模式#3

增益0	测试结果	备注
转换系数	1.28 e/ADU
满阱	83886	最大值
读出噪声	5.82 e/RMS
平均暗电流	0.001429 e/px/sec at -10℃
动态范围	14,413 灰度色调	最大值
增益40
转换系数	0.82 e/ADU
满阱	53739
读出噪声	5.54 e/Rms
平均暗电流	0.001795 e/px/sec at -10℃
动态范围	9,700 灰度色调

我们可以看出，在增益0时，动态范围最高，尽管与模式#1相比，读出噪声更大一些。但是对于明亮物体的光度测量，这可能是最好的设置。而该模式下增益40的表现不如模式#1。

我们又通过测试另一个QHY268M装置证实了这些结果。在这次测试中，传感器温度设置的更高（约-7.2℃）。
结果如下：
模式#1（高增益）

增益0	测试结果	备注
转换系数	0.77 e/ADU
满阱	50462
读出噪声	3.49 e RMS
平均暗电流	0.002272 e/px/sec at -7.3℃
动态范围	14,459 灰度色调	最大值
增益58
转换系数	0.32 e/ADU
满阱	20971
读出噪声	1.58 e RMS
平均暗电流	0.002595 e/px/sec at -7.2℃
动态范围	13,272 灰度直线
增益59
转换系数	0.31 e/ADU
满阱	20,316
读出噪声	1.54 e RMS	最小值
平均暗电流	0.002531 e/px/sec at -7.2℃
动态范围	13,192 灰度色调
增益60
转换系数	0.31 e/ADU
满阱	20,315
读出噪声	1.69 e RMS
平均暗电流	0.002571 e/px/sec at -7.3℃
动态范围	12,021 灰度色调

接着，我们测试了在模式#1下，增益为0和增益为58-59时QHY268M的表现，因为我们觉得，总体来讲，这些是该相机的最佳设置。


2.测量268M的线性度

我们根据Richard Berry的《Aip4win》进行了这项测试，通过增加和减少平场来测量不同曝光下Adu的偏差。每次曝光都拍摄了2个平场和1个相应的暗场。我们设置了0.5秒的曝光作为基线，使其略高于偏差水平，然后使用了长达80秒的曝光来使相机饱和。测试是在模式#1增益0和增益58下进行的，偏移为20，温度为-10℃。
结果如下：

以上图表显示，该相机的线性表现非常好，从500ADU到55000ADU的偏差不到0.3%。80秒的曝光是饱和的，因此这次测试不予考虑。

在增益为58时，结果基本相同：

60秒和80秒曝光是饱和的，所以在确定线性度时不予考虑。
以上图表的数值非常精确，因为我们每秒进行一次ADU采样，而不是取每次曝光的ADU平均值，所以即使是最小的偏差也能清晰地发现。
结论：QHY268M的线性表现非常好，比我们以前测试过的CCD要好的多，许多CCD只有在一小段ADU范围内的线性水平好一些。这台相机的线性范围绝对令人满意，可以将其用于科学观测，直至接近饱和极限。我们认为这台相机从500 ADU到60000 ADU左右的整个范围内，可能会发生大约1%的偏差。现实中这是一种极端的情况，只有当我们测量红巨星在近红外的亮度时才会发生，在这种情况下为了避免变星的饱和，曝光时间很短，因而对比星显得非常暗。

另外，这台相机的电子元件非常稳定，任何曝光时间，暗帧的平均值都是一样的，标准偏差的差异很小。所以，与其他消费级相机相比，它的科学数据会更集中（标准差小），这在观察凌日系外行星上是一个优势。

3. 测试相机记录变星和行星星云光谱的能力

在专业研究领域，业余爱好者也逐渐开始研究光谱，现在放一个简单的光栅在相机前，比如放在滤镜轮中，就可以产生很有价值的数据。研究变星光谱对于了解恒星的演化非常重要。

下面有一张V Bootis变星的照片，这是一颗半规则的巨大红色脉冲星，星等在7到12之间。这张照片是使用6英寸牛反、 star analyser 200滤镜和QHY 268 M拍摄的。它是由12次100秒的曝光堆积而成的，已经进行了暗场校准。

我们看到的这条光带有暗的部分和亮的部分，它实际上是这颗星的光谱。暗带是由氧化钛的分子带引起的，这是M级巨星大气层的典型特征。相机的读出噪声很低（模式＃1，增益58，偏移量20，温度-10℃），因此图像几乎没有噪点。

从这颗星的光谱剖面中我们也可以看出没什么噪点，散射很少，剖面线很规则。

我们还可以看到，这颗恒星发射的大部分都是红色能量和红外线（强度向高波长增加），蓝线表示氧化钛分子带的位置。监测这颗星的光谱随时间发生的变化为我们研究这类脉冲星活动提供了一些启示。

之后，我们决定通过使用较小的望远镜（Apo 80mm f/6折射镜），将传感器温度设置为-1℃来推动一下相机。下面是20张仙后座Gamma星图像的叠加，每张曝光2秒，在模式#1下进行拍摄，增益为59，偏移为20。这颗星是Be星，在恒星风的作用下，它喷射气体到星际介质中。光谱清晰地显示了H-α的发射谱线，光带右端的亮点就是H-α。

通过在特定的软件中绘制光谱，可以清楚地看到并且测量发射谱线。图中的蓝线显示了H巴耳末线的位置，可以看到，H-α、H-β和H-γ线都处于发射状态（光谱中红线上的峰值）。

即使在不太有利的条件下，光谱的轮廓也相当规则，散射很少。测量发射谱线的强度和形状使我们能够了解这颗星光度的变异，它在过去大概达到了1.5等。

下图是仙后座新星2021（V1405 Cas）光谱的10张图像堆叠，每张图像240秒。这是一颗慢速新星，约5.5等，在拍摄这幅图像时，它大约是8等，我们使用的设备还是80 f/6 Apo折射镜和QHY268 M，增益59偏移20，传感器温度-1℃。

该光谱显示了一系列代表不同发射谱线的亮点，包括一条非常亮的H-α发射谱线。绘制出光谱图之后我们可以清楚地看到所有的发射谱线。

同样，光谱几乎没有散射，这表明图像的噪点极少，尽管是在城市天空下拍摄的。拍摄良好的新星光谱是一个业余爱好者可以做的最有用的工作之一，因为这能帮助完善它的物理模型。

下图是著名的环状星云M57的光谱，这是一个位于天琴座的发射行星状星云。我们看到的并不是一条有发射谱线的光带，而是星云的不同图像。画面右侧的两个图像实际上是OIII和H-α的发射线，显示了气体包膜的主要成分。

环状星云的光谱，使用Apo 80 mm f/6折射镜和QHY268M拍摄，3次曝光叠加，每次240秒

相机设置：模式#1，增益59，偏移20，传感器温度-1C

在软件中绘制光谱，显示了星云在相应区域的OIII发射谱线和HA发射线。

结论：即使在有污染的天空下，用一个小望远镜和温度相对较高的传感器（-1℃），QHY268M也可以有效地产出有利于光谱研究的数据。

4.测试相机对光子的要求——观测系外行星凌星

之后，我们使用该相机进行了系外行星过境的光度测量。系外行星过境的要求很高，因为它们在恒星前面经过时，只阻挡恒星入射光线中非常微小的一部分。对于这种类型的观测，我们选择了模式#3，将增益设为0，因为它需要获得良好的动态范围，需要通过足够长的曝光来减少闪烁的影响，获得尽可能高的信噪比而使恒星不至于饱和。
下图是位于仙王座的候选系外行星TOI 1480.01.b的星域。TESS卫星的观测结果表明，母星（9.2等）显示有一个非常暗的掩星（0.0109等），可能是由系外行星引起的。这颗星的观测对于确认一颗系外行星的存在非常重要。我们使用牛顿式6英寸反射镜f/4.6和red滤镜，进行了50秒的曝光。

测试了6颗与母星亮度相近的对比星，下图是根据它们的亮度绘制的光度曲线。

可以清楚地看到母星亮度有所下降，但降低的幅度非常小。需要注意的是，Y轴上绘制的亮度间隔只有5毫星等。

结论

完成了所有的测试之后，我们认为QHY268M是一台非常适用于科学观测的相机。它的读出噪声极低，拥有非常棒的线性度、稳定的电子器件以及多种操作模式，此外我们还发现模式#1和#3对我们的观测帮助最大。对于那些想在夜空中拍出更多漂亮图像的业余天文爱好者来说，这是一个非常理想的选择。在接下来的几个月里，我们将进行更多的测试，特别是使用斯隆滤镜进行测光，并研究红巨星在r'和i'的表现。

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本文译自alto天文台对QHY268M测试的报告

原文链接：

https://www.qhyccd.com/testing-the-qhy-268-mono-for-science-observations/

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不错