New Observational Techniques and Analysis Tools for Wide Field CCD Surveys and High Resolution Astrometry

Abstract

The aim of this thesis is two-fold. First it provides a general methodology for applying image deconvolution to wide-field CCD imagery. Second, two new CCD observational techniques and two data analysis tools are proposed for the first time in the context of high resolution astrometry, in particular for lunar occultations and speckle interferometry observations.<br/><br/>In the first part of the thesis a wavelet-based adaptive image deconvolution algorithm (AWMLE) has been applied to two sets of survey type CCD data: QUasar Equatorial Survey Team project(QUEST and Near-Earth Space Surveillance Terrestrial(NESS-T). Richardson-Lucy image deconvolution has also been used with Flagstaff Transit Telescope (FASTT)imagery. Both the obtaining and performance of those images were accomplished by following a new methodology which includes accurate image calibration, source detection and centering, and correct assessment procedures of the performance of the deconvolution. Results show that AWMLE deconvolution can increase limiting magnitude up to 0.6 mag and improve limiting resolution 1 pixel with respect to original image. These studies have been conducted in the context of programs dedicated to macrolensing search (QUEST) and NEOs discovery(NESS-T). Finally, astrometric accuracy of FASTT images have not been found to change significantly after deconvolution. In the same way, no positional bias towards the centre of the pixel has been observed.<br/><br/>In the second part of the thesis a new observational technique based on CCD fast drift scanning has been proposed, implemented and assessed for lunar occultations (LO) and speckle interferometry observations. <br/><br/>In the case of LO, the technique yielded positive detection of binaries up to 2 milliarcseconds of projected separation and stellar diameters measurements in the 7 milliarcsecond regime. The proposed technique implies no optical or mechanical additional adjustments and can be applied to nearly all available full frame CCDs. Thus, it enables all kind of professional and high-end amateur observatories for LO work. Complementary to this work, a four-year LO program (CALOP) at Calar Alto Observatory spanning 71.5 nights of observation and 388 recorded events has been conducted by means of CCD and MAGIC IR array cameras at OAN 1.5m and CAHA 2.2m telescopes. CALOP results include the detection of one triple system and 14 new and 1 known binaries in the near-IR, and one binary in the visible. Their projected separations range from 90 to 2 milliarcseconds with brightness ratios up to 1:35 in the K band. Several angular diameters have been also measured in the near-IR. The performance of CALOP has been calibrated in terms of limiting magnitude (K down to 9.0) and limiting angular resolution (1-3 milliarcseconds).<br/>In addition, the binary detection probability of the program has found to be about 4%. Finally, a new wavelet-based method for extracting and characterizing LO lightcurves in an automated fashion was proposed, implemented and applied to CALOP database. This pipeline addresses the need of disposing of preliminary results in immediate basis for future programs which will provide larger number of events.<br/><br/>In the case of speckle interferometry, CCD fast drift scanning technique has been validated with the observation of four binary systems with well determined orbits. The results of separation, position angle and magnitude difference are in accordance with published measurements by other observers and predicted orbits. Error estimates for these have been found to be 0.017 arcseconds, 1.5 degrees and 0.34 mag, respectively. These are in the order of other authors and can be considered as successful for a first trial of this technique.<br/>Finally, a new approach for calibrating speckle transfer function from the binary power spectrum itself has been introduced. It does not require point source observations, which gives a more effective use of observation time. This new calibration method appears to be limited to zenith angles above 30 degrees when observing with no refraction compensation devices.

<I>En aquest treball s'han dissenyat i desenvolupat una sèrie de noves tècniques observacionals i eines d'anàlisi de dades en dues àrees ben diferenciades. D'una banda, la deconvolució d'imatges CCD de gran camp (tipus survey). D'altra banda, l'astrometria d'alta resolució, i en particular les tècniques observacionals d'ocultacions lunars i interferometria speckle. <br/><br/>Quant a la primera, s'han aplicat dos algorismes de deconvolució (màxima versemblança Richardson-Lucy (MLE) i la seva variant adaptativa basada en wavelets (AWMLE)) a dades de tres projectes survey: el Flagstaff Transit Telescope (FASTT), el QUasar Equatorial Survey Team (QUEST) i el Near-Earth Space Surveillance Terrestrial (NESS-T). Els tres han vist restringida la seva magnitud i resolució límits a causa del mètode d'adquisició drift scanning (per a FASTT i QUEST) o la molt curta relació focal de l'instrument (NESS-T). S'ha proposat i implementat una nova metodologia per a l'aplicació de l'AWMLE i MLE per a les anteriors imatges. Aquesta permet avaluar la millora aportada per la deconvolució en termes d'increment de magnitud i resolució límits. A més, resulta del tot general i és exportable a altres dades survey. Els resultats obtinguts mostren que AWMLE permet aconseguir un increment en la magnitud límit de 0.6 mag i una millora en la resolució límit d'1.0 pixel. A més, s'ha comprovat que tals tendències són assimtòticament independents a partir d'un nombre d'iteracions suficientment gran. Paral·lelament, s'ha comprovat que la deconvolució MLE sobre dades FASTT no afecta significativament a la precisió astromètrica ni introdueix cap biaix posicional cap al centre del píxel. <br/><br/>Quant a les ocultacions lunars, s'ha ideat, desenvolupat, implementat i avaluat una nova tècnica d'observació CCD per a ocultacions lunars. Éstà basada en el mètode d'adquisició "drift scanning" i permet mostrejar la intensitat de l'objecte ocultat cada 2ms. La tècnica permet a pràcticament qualsevol observatori (professional o amateur) afrontar programes d'ocultacions lunars amb propòsits de contribució científica. Paral·lelament, s'ha portat a terme un programa d'observació d'ocultacions lunars (anomenat CALOP) que durant 4 anys i 71.5 nits s'ha portat a terme a l'Observatorio Astronómico de Calar Alto, operant tant en el visible amb CCD com en l'IR amb la càmera MAGIC. Com a resultat, s'han aconseguit mesurar 3 diàmetres estel·lars de l'ordre de 7 mil.lisegons d'arc i detectar 15 nous sistemes binaris i un triple amb separacions angulars de fins a 2 mil.lisegons d'arc. Finalment, s'ha desenvolupat i implementat un nou algorisme de reducció automàtica d'ocultacions basat en wavelets. Tal algorisme ha estat aplicat satisfactòriament en la reducció del conjunt d'ocultacions (400) registrades en el programa CALOP, i permet afrontar la reducció de futures campanyes d'observació massiva. <br/><br/>Quant a la interferometría speckle, s'ha ideat, desenvolupat, implementat i avaluat una nova tècnica d'observació CCD per a aquest tipus d'observacions d'alta resolució espacial. Éstà basada en el mètode d'adquisició drift scanning i permet mostrejar la intensitat de l'objecte dins de l'interval de coherència atmosfèrica. S'ha validat amb la mesura de 4 sistemes binaris d'òrbita coneguda. Els resultats de separació angular, angle de posició i diferència de magnitud estan d'acord amb els publicats per autors anteriors. La tècnica permet a pràcticament qualsevol observatori (professional o amateur) afrontar programes "speckle" amb propòsits de contribució científica. Finalment, s'ha ideat, implementat i validat una nova tècnica de autocalibració de dades speckle que permet estalviar temps d'observació.</i>