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Point Spread Function Reconstruction for the Adaptive Optics System ALFA and its Application to Photometry

Weiß, Alexander Robert

German Title: Rekonstruktion der Punktverbreiterungsfunktion für die adaptive Optik ALFA mit Anwendung auf Photometrie

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Abstract

The ALFA adaptive optics (AO) system, operated by the Max-Planck-Institut für Astronomie at the Calar Alto Observatory, has been available as a standard facility instrument for some years now. As with other AO systems, however, the scientific use of observations with this instrument is complicated by the time- and space-variant nature of the system point spread function (PSF). Generally, the PSF information cannot be taken from the images due to anisoplanacy and/or overexposure of the guide star. It is therefore highly desirable to obtain an independent estimate of the PSF at each position in the field of view. This estimate can be derived from the wavefront sensor (WFS) signals of the ALFA system. It was necessary to adapt an existing algorithm developed for curvature sensors to the Shack-Hartmann sensor (SHS) used on ALFA. The practicability and performance of this algorithm was then tested using simulations of atmospheric turbulence. WFS signals are affected by noise, depending on the brightness of the guide star as well as the selected loop frequency; this noise has to be reliably determined in order to obtain satisfactory results from the PSF estimation process. With ALFA, noise estimation is only possible indirectly by time-series analysis of the WFS signals. A new method is proposed that delivers superior results for faint guide stars and low loop frequencies. PSF estimation away from the guide star requires knowledge of the vertical turbulence profile of the atmosphere. Hence, SCIDAR measurements were carried out alongside AO observations. These measurements also served to cross-check estimates of atmospheric parameters gained from WFS signals as well as images. Finally, on- and off-axis PSFs extracted from images were compared to their estimated counterparts, with good agreement found in all cases. Additionally, it could be shown that the photometric accuracy is strongly improved by using a locally estimated PSF as compared to the guide star PSF.

Translation of abstract (German)

Die adaptive Optik (AO) ALFA, die vom Max-Planck-Institut für Astronomie am Calar Alto Observatorium betrieben wird, steht seit einigen Jahren für astronomische Beobachtungen zur Verfügung. Die wissenschaftliche Verwendung von mit Hilfe dieses Instruments gewonnenen Aufnahmen, wird, wie auch bei anderen AO Systemen, durch orts- und zeitabhängige Variationen der Punktverbreiterungsfunktion (PSF) erschwert. Aufgrund anisoplanatischer Effekte und/oder Überbelichtung des Leitsterns ist es i.a. nicht möglich, Informationen über die PSF aus Aufnahmen zu entnehmen. Daher ist es wünschenswert, unabhängige Schätzungen der PSF an jeder Stelle des Sichtfeldes durchführen zu können. Diese Schätzungen können aus Messungen von ALFAs Wellenfrontsensor (WFS) gewonnen werden. Zu diesem Zweck war es notwendig, einen vorhandenen Algorithmus, der für Curvature-Sensoren entwickelt wurde, für den in ALFA verwendeten Shack-Hartmann Sensor zu adaptieren. Dieser Algorithmus wurde dann mittels Simulationen hinsichtlich Leistung und Anwendungsmöglichkeiten getestet. Abhängig von der Helligkeit des Leitsterns und der gewählten Regelkreisfrequenz sind WFS-Signale unterschiedlich verrauscht. Um zufriedenstellende Ergebnisse mit dem PSF-Schätzalgorithmus zu erzielen, muss dieses Rauschen verlässlich bestimmt werden. Für ALFA ist diese Bestimmung nur indirekt durch Zeitreihenanalyse der WFS-Signale möglich. In diesem Rahmen wird eine neue Schätzmethode vorgeschlagen, die im Fall dunkler Leitsterne und niedriger Regelkreisfrequenzen sehr gute Ergebnisse ermöglicht. PSF Schätzungen abseits der Korrekturachse erfordern die Kenntnis der vertikalen Turbulenzverteilung in der Atmosphäre. Daher wurden simultan zu Beobachtungen mit ALFA Messungen mit einem SCIDAR-System durchgeführt. Diese Messungen dienten zudem der Überprüfung von Werten atmosphärischer Parameter, die aus WFS-Signalen sowie Sternaufnahmen gewonnen wurden. Der abschließende Vergleich von aus Aufnahmen entnommenen PSFs mit den entsprechenden Schätzungen ergab in allen Fällen gute Übereinstimmung. Zudem ergab sich eine erhebliche Verbesserung der photometrischen Genauigkeit bei Verwendung einer lokal geschätzten PSF gegenüber der Leitstern-PSF.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Mundt, Prof. Dr. Reinhard
Date of thesis defense: 21. May 2003
Date Deposited: 03. Jun 2003 15:10
Date: 2003
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Adaptive Optik, Astronomie, Atmosphärische Turbulenz
Uncontrolled Keywords: SCIDAR
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