Применение оптических усилителей изображения для регистрации метеорных явлений

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 523.68

СКГУ им. М.Козыбаева

Применение оптических усилителей изображения для регистрации метеорных явлений

Солодовник А.А.

Леонтьев П.И.

Васильев Н.В.

К метеорным телам или метеороидам относят объекты Солнечной cистемы, размеры которых не превышают первых десятков метров. Комплекс явлений (чаще всего вспышку оптического излучения), связанных с движением в атмосфере метеороида массой от единиц до сотен грамм, имеющего начальную скорость в десятки км/с, называют метеором. Такие явления в основном происходят на высотах 70 - 100 км.

Метеоры с яркостью большей, чем у Венеры именуют болидами. Они могут быть видимы даже днем, их полет сопровождается кроме свечения, дымным следом, а иногда и сильными звуковыми эффектами и даже механическим воздействием на наземные объекты ударной волны. Последствием пролёта яркого болида может быть выпадение на поверхность Земли твердого остатка - метеорита. Чаще выпадение метеорита связано с медленными болидами, не имеющими в конце траектории резкой вспышки, означающей разрушение метеороида. Метеоры и метеориты, являются практически единственными источниками регулярной информации о малых телах Солнечной Системы. метеор звездный наблюдательный усилитель

Большинство метеорных частиц входят в метеорные потоки, источниками которых могут быть кометы и астероиды. Несмотря на прогресс метеорной астрономии пока далеки от решения не только ряд фундаментальных проблем, но и практически важная задача учёта влияния метеороидов на безопасность космических полётов [1-4].

Ключевой проблемой при изучении метеорных явлений остаётся их регистрация. Дело в том, что аппаратура, применяемая в метеорных наблюдениях, должна отвечать совокупности противоречивых требований. Главные это большое (десятки градусов) поле зрения при хорошем (минуты дуги) разрешении и максимальной световой чувствительности. Важно и высокое временное разрешение системы. Сложность проявляется в том, что при типичной протяженности метеорного трека в несколько градусов и длительности явления порядка десятых долей секунды на каждый элемент изображения приходится слишком мало света.

Поэтому даже оценка блеска метеоров в звёздных величинах сложна. Причина этого в движении метеора. При этом, как ни странно, именно глазомерные оценки блеска (при их субъективности) более реальны по сравнению с инструментальными. Причина в инерционности зрительного ощущения глаза, не свойственной физическим приёмникам света. Дело в том, что на поверхность приёмника свет звёзды и участка метеорного трека действует в продолжение совершенно разных интервалов времени. Для звёзд он определяется выбором экспозиции. Но изображение метеорного трека состоит из элементов, на каждый из которых свет действовал гораздо меньшее время. Пусть, например, метеорный трек уместился на 1000 пикселей. Длительность явления составила 0,1 секунды. Тогда на каждый из пикселей свет действовал в течение не более чем 10-4 секунды. Тогда, чтобы объективно сравнивать блеск метеоров со звёздами нужно выполнять их снимки с экспозициями той же длительности. Разумеется, при этом на снимках появятся только ярчайшие звёзды. Следовательно, и из всех метеоров мы можем регистрировать только самые яркие.

Несмотря на малую чувствительность фотоэмульсий, важнейшие результаты в изучении природы метеорных явлений были получены благодаря применению этого метода ещё в прошлом веке. У плёночных технологий есть и преимущество - размеры пластин и плёнок могут быть много большими, по сравнению с размерами полупроводниковых матриц, при гораздо меньшей стоимости. В силу этого на рынке научного оборудования трудно найти готовые к применению для метеорных наблюдений приборы. Потому исследователи часто используют в этих целях либо стандартные астрономические ПЗС - камеры с соответствующей оптикой, либо профессиональные цифровые камеры со сменной оптикой. В частности, при выполнении мониторинга метеорных явлений в ЦАИ СКГУ применялась установка «Метеорный патруль», изготовленная на базе камер CANON 1000D. [1]

Такая установка использовалась для мониторинга метеорных явлений в период 2009 - 2011 годов. Анализ снимков показал, что из 80 000 изображений метеорные треки имеются только на 9 снимках. Некоторые причины, снижающие результативность наблюдений, очевидны. Например, потери времени на получение «темновых» кадров. Они близки к 50%. Снижали эффективность наблюдений и засветка от Луны и городское освещение (наблюдения велись в городе). Поскольку среднее часовое число спорадических метеоров для глаза близко к 1 или 2, можно было ожидать сотни зафиксированных метеоров. Расхождение ожидания с реальностью указывает на низкую эффективность используемого метода наблюдений.

Для детального изучения активности метеорных явлений и её изменения со временем необходимо иметь аппаратуру, способную фиксировать метеорные треки малой яркости. Метеорная астрономия имеет опыт применения для этой цели телевизионных приёмников излучения в сочетании с вакуумными электронно-оптическими преобразователями [1,5,6]. Главным недостатком такого решения была сложность изготовления и эксплуатации приборного комплекса - по сути, его уникальность.

Прогресс электроники определил возможность применения в астрономии усилителей изображения, устроенных на базе микроканальных пластин (МКП - в дальнейшем). В отличие от вакуумных приборов у них предельно малые габариты, они не требуют применения высоких напряжений питания, помехоустойчивы, имеют стабильные рабочие характеристики. Благодаря массовости производства, эти приборы из области специализированного военного оборудования вошли в практику изготовления качественных приборов ночного видения, предназначенных для широкого применения.

Примером является модульный ночной наблюдательный прибор "МПН-8КМ" - производства Новосибирского приборостроительного завода, приобретённый для ЦАИ СКГУ (рис. 1). Он предназначен для наблюдения в ночное время, как при освещенности от Луны и звёзд, так и в полной темноте при работе инфракрасного осветителя. Сменные объективы позволяют изменять увеличение от 1х до 4х. В приборе предусмотрена электронная защита ЭОП от кратковременных засветок интенсивными источниками.

Рисунок 1. Общий вид прибора МПН-8КМ.

Важной особенностью прибора, определяющей перспективу его применения для метеорных наблюдений, являются использование ЭОП поколения 2+ (на базе микроканального усилителя яркости изображения), а также наличие адаптеров для присоединения объективов фото- и видеокамер. Технические характеристики прибора МПН-8КМ приведены в таблице.

Таблица. Технические характеристики прибора МПН-8КМ.

Привлекает высокое усиление яркости изображения. Рассуждая идеализировано, усиление в 20 000 раз должно быть эквивалентно применению телескопа с апертурой в 140 раз большей, чем диаметр объектива прибора (то есть порядка 420 см). И это при поле в 36°! Такое поле зрения вполне способно конкурировать с обзором человеческого глаза. Разумеется, с учётом потерь в оптическом тракте эти ожидания следует в несколько раз умерить. И, тем не менее, перспектива налицо.

Важно учесть и влияние углового разрешения прибора на качество изображения. По паспортным данным оно составляет при использовании базового объектива 5 минут дуги. При этом можно уверенно регистрировать даже сравнительно короткие метеорные треки (порядка 1 - 2°), что при наблюдениях в направлении радианта потока очень важно. Оптические параметры системы можно изменить за счёт смены объектива. При этом увеличение системы достигает 4х, повышается проницающая способность благодаря большей апертуре, сокращается до 10° поле зрения и улучшается до одной минуты разрешающая способность. Можно ожидать такой эффективности системы, как при использовании телескопа с апертурой не менее метра, но при большом поле зрения. Реальной становится задача наблюдения крупных метеороидов на подлёте к Земле.

Первые наблюдения с применением прибора МПН8КМ были проведены в ночь с 12 на 13 августа 2015 года. Дата, совпадающая с эпохой максимума Персеид, была выбрана с целью, получить изображения метеорных треков с максимальной вероятностью. Приёмником излучения служила камера CANON 1000D. Приборы размещались на азимутальном штативе, поскольку при коротких экспозициях компенсации суточного движения светил не требуется. Съёмка велась в условиях астрономической ночи, в отсутствии облачности в пункте расположенном на расстоянии около 6 километров от города Петропавловска. При получении изображений применялись экспозиции от 0,16 до 6,0 секунд. Для анализа было отобрано 20 изображений наилучшего качества. Из них на 6 снимках уверенно прослеживаются метеорные треки. Один из зафиксированных треков показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Изображение участка звёздного неба (созвездие Персея).

Получено 12.08.2015 в 18ч.45м.12с. Всемирного времени с экспозицией 6,0 с.

Интересно, что в двух случаях на последовательных снимках зафиксирован один и тот же метеор. Возможно, это удалось благодаря значительному усилению прибора, что позволило зарегистрировать послесвечение метеорного следа. При использовании фотоэмульсий это практически невозможно, из-за их низкой чувствительности.

Основным вопросом на первом этапе была оценка эффективности применения усилителя изображений. Простым и очевидным путём её определения является оценка предельного блеска звёзд, различимых на снимках и сравнения его с таковым же, полученным той же камерой, но без усилителя. На снимках запечатлены звёздные поля в области созвездия Персея, где в области знаменитых скоплений имеется хороший фотометрический стандарт. Сравнение с картографическими данными (программы Stellarium) позволило установить точный размер области неба, фиксируемый прибором и блеск наиболее слабых звёзд. Оказалось, что диаметр невиньетированного поля зрения системы составлял 30 градусов. При этом на снимках, полученных с экспозицией 1,6 секунды различимы звёзды несколько слабее 12 звёздной величины. При такой же экспозиции камера CANON 1000D без усилителя позволяет получать изображения звёзд около 5 звёздной величины. Выигрыш в 7 звёздных величин эквивалентен увеличению световой эффективности системы, по меньшей мере, в 600 раз! Такой вывод сулит самые оптимистические перспективы в развитии методики метеорных наблюдений. Подтвердить или опровергнуть прогноз могут реальные наблюдения метеоров. Для наблюдавшегося потока Персеид, имеются надёжно определённые значения интенсивности и функции светимости. Пример изображения звёздного поля и метеорного трека на его фоне показан на рисунке 2.

Суммарное время экспозиции составило 159,0 секунд. Ожидаемое число метеоров, наблюдаемых глазом, можно рассчитать, исходя из данных об осреднённой максимальной активности потока. В нашем случае она ожидалась на уровне около 120 метеоров в час при зенитном положении радианта [2, 3]. С учётом реальной высоты радианта (не более 40 градусов в конце наблюдения) это число следует уменьшить до 80 метеоров в час или 1,3 метеоров в минуту. Причём эту величину относят к кругу диаметром в 60 градусов [2 - 5]. В нашем случае охватываемая наблюдением область неба имела диаметр около 30 градусов. Тогда ожидаемое число метеоров должно быть не более 0,3 в минуту. За 2,5 минуты суммарной экспозиции при наших наблюдениях можно рассчитывать на регистрацию 0,8 метеора невооружённым глазом. Фотографирование метеоров на типичные эмульсии снизило бы эту величину как минимум в 40-50 раз.

Сложнее оценить эффективность регистрации метеоров цифровыми камерами. Реальнее всего базироваться на сопоставлении их чувствительности с фотоэмульсиями (что широко практикуется). Чаще всего рекомендуется к установке чувствительность на уровне 400 единиц ASA. При том, что чувствительность астрономических плёнок при длительных экспозициях составляет около 50 единиц ASA. Тогда ожидаемое количество зарегистрированных метеорных треков при использовании цифровой камеры было бы примерно вдвое больше, чем при визуальных наблюдениях. В рассматриваемом эксперименте, таким образом, количество зарегистрированных метеоров превосходит ожидаемое их число при визуальных наблюдениях примерно в 8 раз. Аналогично при сравнении с фотографическими наблюдениями с использованием эмульсий выигрыш составил бы от 30 до 40 раз. Даже по сравнению с наблюдениями, выполняемыми с помощью цифровых камер, выигрыш достигает 4 - 5 раз. Вопрос может вызвать то обстоятельство, что при наблюдении звёзд выигрыш в регистрации предельно слабых объектов был гораздо выше и составлял несколько сотен. Однако не следует забывать то, что получение изображений неподвижных точечных источников света (звёзд) совсем не то же самое, что регистрации предельно быстро движущихся и имеющих определённые угловые размеры объектов - метеоров. Сравнение этих двух задач достаточно подробно рассмотрено в работах Багрова с соавторами [6, 7]. Разумеется, приведенные нами оценки эффективности применения усилителей изображения при наблюдении метеоров носят предварительный характер. Их уточнение позволит полнее раскрыть потенциал предложенной нами системы регистрации метеорных треков.

Литература

1. Солодовник А.А., Маугазина А.О. К вопросу об эффективности применения цифровых приёмников излучения к регистрации метеорных явлений. - Материалы Международной научно-практической конференции «Эффективные инструменты современных наук 2016» Чехия, Прага, 22-30 апреля 2016 Praha Publishing House «Education and Science» s.r.o - Чехия, 2016. с. 23-27

2. Бабаджанов П.Б. Метеоры и их наблюдение. - М.: Наука, 1987. - 192 с.

3. Бронштэн В.А. Метеоры, метеориты, метеориды. - М.: Наука, 1987. - 40 с.

4. Зоткин И.Т. Наблюдения метеоров. - М.: Наука, 1972. - 34 с.

5. Астапович И.С. Метеорные явления в атмосфере Земли. - М.: Физматгиз, 1958. - 640 с.

6. Багров А.В., Болгова Г.Т., Леонов В.А. Телевизионный мониторинг метеорных явлений для изучения эволюции метеорных потоков // Кинематика и физика небесных тел. - 2003, №4. - с.26.

7. Багров А.В., Леонов В.А., Перков А.В. Результаты телевизионного мониторинга метеорных событий за 2002-2003 гг. // Тезисы докладов Всероссийской астрономической конференции ВАК 2004 «Горизонты Вселенной» // Труды Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга. - 2004, Т.LXXV. - с.72

Размещено на Allbest.ru