Наблюдение звёзд днём или дневная астрономия

    В связи с тем, что предыдущая наша статья о том, «Как видят ночью разные камеры и приборы» вызвала большой интерес у читателей, мы решили познакомить вас с ещё одним узкоспециализированным направлением применения видеокамер, таким как дневная астрономия. Многим может показаться задача наблюдения звёзд днём пустой тратой времени, но мы постараемся в конце статьи вас переубедить.

    Внимание! далее в статье будут достаточно большие gif-анимации по 4-8Мбайт!

    «Все видео и фотоматериалы данной статьи являются уникальными для рунета и принадлежат организациям, их предоставившим. При перепечатывании ссылка на данную статью обязательна.»

    Это не звёзды, но выглядит забавно и снято случайно на камеру, о которой речь идёт в статье =)


    К сожалению, мы живём в таком странном месте, что за всю осень и зиму у нас было около 20 часов чистого неба и в большинстве случаев эти часы приходились на дневное время. Поэтому, съёмка звёзд днём — это хотя бы небольшая возможность утолить жажду к астрономии.

    К нам в руки попали две уникальные камеры, которые потенциально могут видеть звезды днём. Камеры работают в различных диапазонах. Одна камера: VC1300HDR – черно-белая камера видимого диапазона, вторая VSM320 – камера ближнего ИК-диапазона (0.9-1.8мкм). Обе камеры разработаны и изготовлены в России, алгоритмы обработки, несмотря на их кажущуюся простоту, являются интеллектуальной собственностью производителей устройств.

    В общих чертах постараемся пояснить, что ограничивает возможность видеокамеры обнаружить звезду днём – это, конечно же, огромная фоновая засветка неба, которая чем ближе к Солнцу – тем больше. При попытке снять небо непосредственно, экспозиция каждого отдельного кадра оказывается настолько короткой, что сигнал от звезды оказывается очень слабым. Таким образом, яркий фон неба является основным ограничением при съёмке. Какие способы доступны для уменьшения фона неба? Как ни странно, нужно уменьшать светосилу объектива. При постоянной апертуре (диаметре зеркала или передней линзы) уменьшение светосилы достигается увеличением фокусного расстояния.

    Это ограничения со стороны физики процесса: желательно уменьшать поле зрения.

    Что же ограничивает возможность наблюдения со стороны техники? Основное, что ограничивает видеокамеру в её обнаружительной способности – это ёмкость в электронах фоточувствительного элемента. Если ёмкость маленькая, вы вынуждены уменьшать экспозицию, чтобы не получить белый кадр без информации. Чем короче экспозиция, тем меньше вы получаете информации при наблюдении, тем меньше соотношение сигнал/шум.

    Таким образом, ограничение с стороны техники – ёмкость пикселя камеры.

    Откуда же берётся шум? Ведь кажется, что можно взять самую лучшую малошумящую камеру, снять кусочек неба и потом аккуратно по уровню яркости обработать, и там, где уровень яркости превысит средний уровень, и будет звезда? Но это не так. Шум, обусловленный квантовой природой света, называется фотонным шумом и описывается распределением Пуассона, самым важным свойством которого для нас оказывается величина дисперсии распределения принятого сигнала, которая равна корню из количества накопленного заряда. Таким образом, если у вас в ячейке накопилось 10 000 электронов, то фотонный шум будет корень из этой величины или 100е, и соотношение сигнал/шум будет равно 100. Для ёмкости пикселя в 1 000 000е, фотонный шум будет равен 1000е, и сигнал/шум (как уровень максимально возможно накопленного сигнала к фотонному шуму) так же 1000. При увеличении ёмкости пикселя увеличивается достижимое соотношение сигнал/шум. Для того, чтобы обнаружить звезду, необходимо накопить количество сигнала, в общем случае превышающий уровень фотонного шума. Как было показано выше, при увеличении времени накопления в сто раз, фотонный шум растёт только в 10 раз, а сигнал от звезды будет расти почти пропорционально, то есть так же в 100 раз.

    Основным выводом данного рассуждения является то, что ёмкость фоточувствительного элемента оказывает решающее значение. В большинстве случаев ёмкость фотоэлементов бытовых камер не превышает 20000е, а камер для научного применения 100 000е.

    Ёмкость фото элемента камеры VC1300HDR заявлена в 2.4млн электронов.
    Ёмкость фото элемента камеры VS320 около 3.5млн электронов.
    Большая ёмкость делает эти камеры потенциально пригодными для дневной астрономии.

    Так как дорогой читатель уже заждался картинок, то дальше текста будет поменьше.

    Камера видимого диапазона, разрешение: 640х512, телескоп Ньютон 200мм, без светофильтров, вся обработка производится внутри камеры. Условия съёмки: 8 февраля 2018 года, широта 58'31', долгота 31'16, время с 10.30 до 12 дня, все съёмки производились в видео режиме на 25Гц.


    Альфа Персея (Мирфак), зв.в.=1,8m., время съёмки T=11:34


    Гамма Персея, 3.0m, T=11:34


    Дельта Персея, 2.9m, T=10:38


    Пси Персея, 4.3m, T=10:38

    Для желающих посмотреть исходные видео (без купюр, сжатия и смс)), ссылки: раз и два. Ну и метеосводка на время съёмки…





    Фото камеры на телескопе. Пусть настоящие астрономы нас пожурят, но было очень холодно, поэтому снимали прямо с балкона, даже не открывая окно… Брррр… )

    Камера ближнего ИК-диапазона, VSM320, разрешение 320х256, телескоп Ньютон с корректором A=114мм, F=1000мм, без светофильтров, вся обработка производится внутри камеры. Условия съёмки: 16 января 2018 года, широта 58'31', долгота 31'16, время с 14.00 до 16 дня, все съёмки производились в видео режиме на частоте 25Гц.


    SAO75151(Хамаль альфа Овна), 2m, Т=14:11. Видео.


    SAO55306, 3m, T=14:42. Видео.


    SAO38559 и SAO38551, 6m и 6,9m, T=15:32. Видео.


    SAO38890, SAO38937, SAO38917; 4.35m, 6.6m, 5,45m (синий класс звезды), Т=16:03. Видео.

    Ну и метеосводка на время съёмки…



    Таким образом, можно отметить, что представленные камеры действительно справляются с задачей обнаружения звёзд днём и позволяют производить дневные астрономические наблюдения даже в условиях сильной засветки. Следует отметить, что камера ближнего ИК-диапазона, несмотря на меньшее разрешение и незначительно большую ёмкость фотоэлемента, обладает заметно лучшей обнаружительной способностью, правда лучше по оранжевым и красным объектам.

    Теперь можно и задаться вопросом: а зачем это может понадобиться?

    Ну, во-первых, если потребуется, можно поработать днем по звёздам или другим космическим объектам и обеспечить их сопровождение. А во-вторых, открывается возможность работать по атмосферным объектам днём.

    Приведём несколько уникальных примеров оптической локации, снятых на камеру VC1300, поле зрения 12х10градусов, частота кадров 25Гц (материалы из архива 2014года).


    Оптическая локация, магистральные самолёты на дальности более 100км (частота уменьшена, исходная частота 25гц). Черные точки – это птицы. Полное видео по ссылке.

    Вот данные Flightradar:



    И расстояние по Яндексу:



    При этом следует отметить: несмотря на то, что магистральные самолёты кажутся большими, диаметр фюзеляжа не превышает 4 метров. Что на дальности 100км даёт изображение самолёта размером значительно меньше пикселя (для достаточно широкого угла зрения, как на видео).

    Ну и небольшой бонус для тех, кто дочитал статью до конца =) ещё один примечательный пример оптической локации, уже по птицам (частота кадров понижена):


    Ссылка на видео

    И это также стая птиц:



    Надеемся, что данная статья была полезна и смогла наглядно показать особенности и трудности, с которыми сталкивается дневная астрономия, а также нам удалось продемонстрировать применение уникальных видео средств для задач оптической локации.

    Хочу выразить огромную благодарность коллегам, которые помогли собрать, отснять и обработать материал, а также организациям, предоставившим камеры, архивные материалы и разрешение на публикацию.

    При использовании данных материалов ссылка на данную статью обязательна.
    Поделиться публикацией
    Ой, у вас баннер убежал!

    Ну. И что?
    Реклама
    Комментарии 17
    • +1
      Выглядит замечательно! Можно ли поподробнее объяснить о способе математической обработки? Там просто усреднение по кадру?
      • 0
        да, в первом приближении усреднение, поверх какие-то небольшие улучшайзеры…
        вся обработка идёт внутри камер, наружу поступает только обработанная цифра,
        насколько мы знаем, многие пытались повторить эти камеры, но в России о законченных разработках такого рода мы не слышали. Если кто-то знает, было бы интересно познакомиться, а ещё бы лучше поработать с ними =)
        • +1
          А если сделать несколько тысяч фотографий обычным фотоаппаратом и усреднить — получится ли что-либо похожее на описанное в статье? Надо будет попробовать…
          • 0
            получится, но кадров должно быть довольно много и это займёт достаточно большое количество времени (секунды на один кадр?) =) если не затруднит — сообщите какой получился результат (можно в личку)
            отличие и преимущество этих приборов, что они выдают 25 кадров в секунду, что является достаточным для работы в реальном времени
      • +1
        Какие способы доступны для уменьшения фона неба? Как ни странно, нужно уменьшать светосилу объектива

        Это ограничения со стороны физики процесса: желательно уменьшать поле зрения.

        Хмм. Поясните.
        • 0
          Уровень сигнала от звезды (или точечного объекта) пропорционален только диаметру основного зеркала (или апертуре объектива), а уровень фона пропорционален светосиле объектива.
          Таким образом, что бы получить преимущество, нужно уменьшать светосилу при постоянной апертуре, а это достигается увеличением фокусного и, как следствие, уменьшением поля зрения. Это плата за повышение обнаружительной способности.
          • +1
            Это верно ровно до тех пор, пока звезда целиком проваливается в пиксель
            • 0
              именно так, но именно звезда всегда будет проваливаться в пиксель
              (при идеальной оптике)
              • 0
                Нет. Есть дифракционный предел размера звезды. Но на апертурах выше 100мм раньше начинает мешать атмосфера, которая размывает точечную звезду до ~2'' в хорошую погоду.
                В астрофото вообще считается правильным иметь диаметр пятна звезды на матрице (FWHM) = 2 пикселя.
                • 0
                  размер пикселя камеры VC1300: 28мкм
                  размер пикселя камеры VSM320: 30мкм
                  думается здесь до дифракционного предела или значительного влияния размытия атмосферы ещё далеко…
        • +1
          Интересная статья, спасибо. Дефицит астрономической погоды меня так же, как и автора, не радует.
          Попытался нагуглить еще какой-нибудь информации о данных камерах, но ничего не нашел. Их видимо нет и в свободной продаже?
          • 0
            К сожалению, сами в шоке, после оформления статьи попробовали поискать данные по камерам в поисковике, информации нет(. Камеры являются специализированными, выпускаются под заказ сериями. Техническую информацию, технические условия и руководство по эксплуатации можно получить у организации, которая нам их предоставила для испытаний: НПК «Фотоника».
            • 0
              А откуда вы про них тогда узнали перед написанием этой статьи?
              • 0
                нам предоставляют камеры и приборы на тестирование, мы профессионально занимаемся измерением параметров и характеристик камер в различных спектральных диапазонах, пласт накопленной информации огромный, но очень небольшой по отечественным приборам, надеемся в будущем будем выкладывать сравнительные обзоры, но именно сравнительные требуют особого разрешения производителей ( и особой щепетильности при проведении измерений
          • +1
            Будут ли тесты ночью и сравнения с другими астрокамерами?
            Так как регистрация наличия звезд сама по себе несет мало полезного для любительской астрофотографии.
            • 0
              к сожалению, данные камеры не предназначены для астросъёмки в ночное время, у них избыточная потенциальная яма и, возможно, не достаточная квантовая эффективность, так же достаточно значительный шум чтения.
              по трем приборам (ЭОП, видимый диапазон и ближний ИК) у нас была статья ранее
              geektimes.ru/post/297211
              мы надеемся поработать в хороших условия по астрообъектам весной, как только будет достаточно информации мы постараемся оформить статью.
              В принципе, если кто-то готов предоставить камеры для тестирования с креплением T-mount в апреле этого года (по сохранной расписке или акту, с возвратом), то мы бы с удовольствием с ними поработали и добавили бы в отчёт.
              На текущий момент в планах на тестирование в «полевых» условиях камеры на сенсорах двух производителей: Sony и Gpixel. Очень хотелось бы поработать с сенсорами Aptina, но у нас камер на этих сенсорах сейчас нет (
              • 0
                специально для вас, а так же тех, кто дочитал комментарии до конца, нашёл видео с камеры ближнего ИК (SWIR диапазон 8-1.8мкм)
                снятые в безлунную ночь по звёздам

                видео тут -> cloud.mail.ru/public/H9mP/Afenv4Puc
                как можете заметить, небо в этом диапазоне светится, при чём это не облачность, а именно свечение атмосферы в ближнем ИК-диапазоне.
                Таким образом, камера VSM320 вряд ли сможет конкурировать с другими камерами без специальных фильтров.

              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

              Самое читаемое