Gaia Data Release 1 Documentation release 0

Figure 2.6: Video chain o
ffset versus measured total detection noise as recorded by IDT over the commissioning
period since FPA switch on up to 23 January 2014. Di
fferent colours indicate different devices/modes as indicated
in the legend (note that green points represent AF excluding AF1).
As is usual in imaging systems that employ charge-coupled devices (CCDs) and analogue-to-digital converters
(ADCs) the input to the initial amplification stage of the latter is o
ffset by a small constant voltage to prevent
thermal noise at low signal levels from causing wrap-around across zero digitised units. The Gaia CCDs and
associated electronic controllers and amplifiers are described in detail in Kohley et al. (2012). The readout registers
of each Gaia CCD incorporate 14 prescan pixels (i.e. those having no corresponding columns of pixels in the main
light-sensitive array). These enable monitoring of the prescan levels, and the video chain noise fluctuations for
zero photoelectric signal, at a configurable frequency and for configurable across-scan (AC) hardware sampling.
In practise, the acquisition of prescan data is limited to the standard un-binned (1 pixel AC) and fully binned
(2, 10 or 12 pixel AC depending on instrument and mode) and to a burst of 1024 one millisecond samples each
once every 70 minutes in order that the volume of prescan data handled on board and telemetred to the ground
does not impact significantly on the science data telemetry budget.
2.3.5.1
Video chain o
ffset levels and total detection noise
The read noise (or more correctly the video chain total detection noise including noise contributions from CCD
readout noise, ADC and quantisation noise etc.) can be assessed from the short timescale fluctuations measured
in the prescan levels. Figure 2.6 shows the o
ffset levels and measured total detection noise for the FPA science
devices. Table 2.5 gives a summary of the required and measured noise properties of the various instrument video
chains. From the sample-to-sample fluctuations measured in the 1 sec prescan bursts, all devices are operating well
within the requirements.
We find that all devices are operating nominally as regards their o
ffset and read noise properties.
101

---

Table 2.5: Required and measured total detection noise properties for the various Gaia instruments established
early on during commissioning.
Instrument
Mean gain
Total detection noise per sample
and mode
LSB
/ e
−
Required
/ e
−
Measured
/ e
−
Measured
/ LSB
SM
0.2569
13.0
10.833 ± 0.479
2.783
AF1
0.2583
10.0
8.705 ± 0.411
2.249
AF2–9
0.2578
6.5
4.316 ± 0.651
1.113
BP
0.2464
6.5
5.167 ± 0.379
1.273
RP
0.2484
6.5
4.689 ± 0.156
1.165
RVS–HR
1.7700
6.0
3.265 ± 0.793
5.779
RVS–LR
1.8185
4.0
2.966 ± 0.205
5.394
Figure 2.7: Video chain total detection noise as measured from prescan sample fluctuations from July 2014 to
May 2015, colour-coded by instrument (see legend). Note that for this purpose we consider AF1 and AF2–9 as
di
fferent ‘instruments’ because the noise properties are different. In AF1, the requirement of object confirmation
from the SM strips results in higher read noise because more samples are read, and therefore less read time per
sample is available, than in AF2–9 (larger).
2.3.5.2
O
ffset stability
The approximately hourly monitoring of the prescans is suitable for characterising any longer timescale drifts in
the o
ffsets characteristics. For example in Figure 2.7 we show the total video chain detection noise as measured
from prescan fluctuations over an extended period of over 1000 revolutions (corresponding to more than 250 days).
Over this period (July 2014 to May 2015) there is no discernible degradation in the video chain performance.
In Figure 2.8 we show the long timescale stability of one device in the Gaia focal plane. In this case (device
AF2 on row 4 of the FPA) the long term drift over more than 100 days is ∼ 1 ADU apart from the electronic
disturbance near OBMT revolution 1320 (this was caused by payload module heaters being activated during a
‘de-contamination’ period in September 2014). The ∼hourly monitoring of the o
ffsets via the prescan data allows
the calibration of the additive signal bias early in the daily processing chain including the e
ffects of long timescale
drift and any electronic disturbances of the kind illustrated in Figure 2.8. The ground segment receives the bursts
of prescan data for all devices and distils into ‘bias records’ one or more bursts per device the robustly estimated
mean levels along with dispersion statistics for noise performance monitoring. Spline interpolation amongst these
values is used to provide an o
ffset model at arbitrary times within a processing period. Figure 2.9 shows a detailed
102

---

Figure 2.8: Electronic o
ffset level in AF2 on row 4 of the Gaia FPA. Mean values of the ∼hourly bursts of prescan
data are plotted in red. The upper locus is for samples hardware binned 12 pixels AC while the lower locus is
for un-binned data. The dip in o
ffset level near 1320 revolutions resulted from an on-board electronic disturbance
caused by activation of payload module heaters. Note that one revolution of Gaia takes 6 hours and so the x-axis
covers roughly 118 days from 19th August 2014 (revolution 1180) to 15th December 2014 (revolution 1650).
example around the large excursion seen in Figure 2.8.
Figure 2.8 illustrates the small o
ffset difference between the un-binned and fully binned sample modes for the
device in question. In fact there are various subtle features in the behaviour of the o
ffsets for each Gaia CCD
associated with the operational mode and electronic environment. These manifest themselves as small (typically
a few ADU for non-RVS video chains, but up to ∼100 ADU in the worst case RVS devices), very short timescale
(∼10 µs) perturbations to the otherwise highly stable o
ffsets. The features are known collectively as ‘offset non-
uniformities’ and because the e
ffect presumably originates somewhere in the CCD–PEM coupling it is also known
as the ‘PEM–CCD o
ffset anomaly’. The effect requires a separate calibration process and a correction procedure
that involves the on-ground reconstruction of the readout timing of every sample read by the CCDs since they
are a complex function of the sample readout sequencing. This procedure is beyond the time-limited resources
of the near real-time daily processing chain and is left to the o
ffline cyclic data reductions at the Data Processing
Centres associated with each of the three main Gaia instruments. However the time-independent constant o
ffset
component, resulting from the prescan samples themselves being a
ffected and yielding a baseline shift between
the prescan and image-section o
ffset levels, is corrected. This baseline offset correction to the gross electronic bias
level of 1400 to 2600 ADU varies in size from −4 ADU to
+9 ADU amongst the SM, AF, BP and RP devices.
The remaining readout timing-dependent o
ffset non-uniformities are not corrected for in Gaia DR1 but they will
be corrected in o
ffline reprocessing for subsequent data releases.
103

---