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小型天文望远镜行星观测浅谈

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发表于 2018-5-11 20:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 weiguo1688 于 2018-5-12 12:16 编辑

     首先说明,这不是教程,只是近年天文观测的经验之谈。

     进入2018年行星观测季以来,经常有天文爱好者来咨询如何能够拍摄到清晰的行星影像。其实,这么多年来每当有行星冲日,总会在天文论坛或自媒体写点行星观测的小经验与大家分享。不过可能过于零散。于是想到写这篇文章,希望能够对这些年来行星观测中的经验和教训做一个相对比较完整的总结。

    根据观察,现今天文爱好者手中的天文望远镜有效通光口径介于3英寸到6英寸之间的所占比例较大,而8英寸及以上口径的相对较少。常见型号如80/90EQ折射、76900/1141000/130650/150750牛反、90/127/150马卡。这些规格的天文望远镜作为科普级的天文观测器材价格相对比较亲民,天文同好中的保有量比较大。在行星观测实践中如何能够最大限度地发挥这类望远镜的能力,倒也是一个很有趣的话题。下面就分享这些年来使用76900反射望远镜在行星观测实践中的一些经验。

    首先,从小型天文望远镜的特性说起。所谓“小”,这里更多是说望远镜的有效通光口径比较小。口径小是制约天文望远镜行星观测能力的一个主要因素。首先,它限制了望远镜的分辨力。根据瑞利判据θ=1.22λ/D,通光口径D越小,系统的分辨力就越低。这是客观存在的事实,无法改变。我们能做的就是让实际观测的效果更加接近瑞利判据的极限值。至于望远镜的焦距,这反而不是一个什么大问题。延长焦距的方法很多。可以使用增倍镜(巴罗镜)投影,也可以使用目镜投影等方法来获得足够长的合成焦距。从另一方面来看,即使焦距的限制存在,还可以使用像元尺寸更小、密度更高的行星相机来获得足够的影像分辨力(超采样总比采样不足好,至少不会浪费光学系统的分辨力)。主流的行星相机像元尺寸已经从早年的5.6微米下降到现今的3.75微米甚至2.4微米,这个就很有意义了。

行星相机.jpg

     除了由于通光口径小而对分辨力的限制,还有一个问题也很棘手。那就是集光力。口径越小,集光力就越小。在深空摄影观测中,这个问题还好解决,可以用更长的曝光时间来补偿集光力的不足。然而,在行星摄影实践中由于受到大气视宁度的影响,曝光时间不允许过长。也就是说在拍摄行星影像的时候,快门速度不能太低。当大气视宁度较好的时候,可以使用数十毫秒的曝光时间;当大气视宁度不佳的时候,可能需要将曝光时间缩短至几个毫秒。如此短暂的曝光时间,对于小型天文望远镜来说是致命的。当使用较大的合成焦比拍摄时(使用增倍镜或者目镜投影)影像可能黯淡到几乎不可见。唯一的选择是减小合成焦比。代价就是影像会变小。

     因此,当我们使用的是一架小型天文望远镜时。器材的搭配组合以及观测的方法、时机选择、参数设定和后期处理都将围绕分辨力低和集光力差这两个问题去考虑。

     器材组合方面。行星相机尽量选择像元尺寸小、密度高、量子效率高、读出噪声低的型号。画幅反而不需要太大,1/3英寸已经足够了。至于相机的分辨率,相同画幅下像元尺越寸小、密度越高分辨率也就越高。延长焦距选择增倍镜和目镜投影都可以。当然这样一来如果主镜是折射系统,主镜的哪怕仅有的一点点的残余色差都会被极度放大。另外,从性价比的角度来看,目镜投影有可能会优于增倍镜投影。

目镜投影.jpg

    观测时机的选择也至关重要。分辨力低就要选择行星距离地球最近的时候去观测(此时行星的视面积最大),集光力不足就需要选择行星亮度最高的时候去观测。在行星冲日前后可以满足以上两个条件。另外大气环境对观测的影响也不可忽略。通透的大气条件可以有效补偿集光力的不足。只不过通透的大气往往不够稳定,也就是常说的视宁度不佳。不良的视宁度使得在摄影过程中不得不提高快门速度,或者减小合成焦距而损失分辨力。而视宁度较好的时候,往往大气又不够通透。没办法,镜子本身的不足就需要依靠对天气条件的精准把握。如果能够把握住一个大气通透而又稳定的夜晚来观测,那就真的事半功倍了。再就是不要选择在目标行星地平高度较低的时候观测和拍摄。一方面低空大气的扰动会更加严重,另一方面还会引入严重的大气色差。这时需要采取额外的修正措施,例如修正镜或者在后期使用色差修正等等。因此建议在目标行星上中天前后进行观测,可以避免这些麻烦事。当然对于金星或者水星的观测例外。

太阳系行星行星位置.jpg

     在即将冲日之前,即便时间仅仅相差一个月不到,木星的视直径也会发生明显的变化。

木星大小比较.jpg

     经常会有天文爱好者拿着自己拍摄的行星影像来询问为何没有别人拍得的清晰。请先看看拍摄的原始视频。如果影像不停扭曲犹如水煮,那就是视宁度太差了,再好的镜子和相机也是白搭。这种情况建议早早收工,等待一个好天气再继续。


     在行星观测与拍摄的实践中,参数的设定对最终影像的效果起着决定性的作用。视频格式建议选用16位精度的SER文档,可以充分发挥现今主流行星相机的12位ADC精度。在拍摄过程中加入暗场和平场是有意义的。现在主流的拍摄软件都可以设定加入暗场和平场,对于彩色行星相机平场尤为重要。不仅可以有效克服由于光学系统在大焦比时传感器表面灰尘带来的暗斑,更加可以通过对所有像元的归一化来获得准确的色彩平衡。需要注意的是,即便使用的是彩色行星相机,在拍摄16位精度视频时看到的也是单色影像,色彩需要在后期处理的软件中进行恢复。还有就是暗场必须在全部参数(增益、快门、白平衡等)设定完成后再拍摄和加入。

平场加入.jpg

      行星相机拍摄区域的正确设定也是很有意义的。对于一个1280x960像素的行星相机来说,往往行星影像所占有的区域很小,例如可能640x480个像素就足以覆盖目标了。此时完全没有必要拍摄全分辨的视频。一方面限制了帧率,另一方面还会使拍摄的视频文件非常巨大,无谓地占用大量的硬盘空间。当今主流的软件都可以设定拍摄区域的大小。更有像FireCapture这样,可以随意设置拍摄区域的像素多少,简直是太方便了。

QQ截图20180412185129.jpg

      相机增益、快门的设置更是值得注意的问题。对于小型望远镜来说,如果利用增倍镜或者目镜投影来获得更大的合成焦距,由于焦比过大(合成焦比往往会大于F25),影像会变得很暗淡(焦比决定了传感器单位面积像元所接收到的光子的多少,焦比越大则接收到的光子越少)。最简单的方法就是将增益调至最大,然后调整快门速度,使得影像的亮度适中。至少也要能够看到行星表面的部分细节。注意!快门的速度还会影响到帧率。例如,快门速度是100ms,那帧率最高也只有10帧/s;如果快门速度是50ms,那么帧率最高就可以达到20帧/s。对于木星这种自转速度很快的行星来说,高的帧率是很有意义的。它意味着只需要在很短的时间内就可以获得上万帧影像,例如60s或者90s。而在这短短的时间内,自转所导致的影像模糊几乎可以忽略不计。同时,较高的快门速度也有利于克服大气扰动带来的影像模糊。不过,当增益已经调至最大,而快门速度很低才能获得足够的影像亮度时,例如快门降低到了200ms。唯一的解决办法就是采取减小合成焦距以减小焦比。方可在较高的快门速度下获得足够的影像亮度。快门速度一般不建议大于50ms,如果大气视宁度很好,也可以适当放宽。

    那么拍摄的视频到底多长时间为宜?其实,这个问题应该是到底拍摄多少帧影像为宜?当然只要时间允许,存储空间足够大,肯定是越多越好。在后期处理的时候至少叠加超过5000帧影像才能够获得足够的信噪比。早期一般认为对于像木星这类高速自转的行星,不宜超过2分钟。这对小型望远镜来说是极为不利的。如前所述,小镜子集光力差,快门速度不够快,导致帧率严重偏低。短短的两分钟顶多也就拍摄两千多帧影像。不过现今有了一个可以修正自转的后期工具WinJUPOS,时间就可以放宽至10分钟以内,这对集光力较弱的小型望远镜来说绝对是个好消息。

    另外如果使用彩色行星相机拍摄的是RGB24编码的AVI视频,还要注意设定色彩平衡。说实话很不建议这样做,既浪费了器材的性能,又浪费了宝贵的时间,还容易把色彩搞得非常诡异。当年由于使用的是Philips ToUcam 系列摄像头,没办法而为之。现在专用的行星相机就不要这样搞了。


     在行星观测与摄影实践中,对焦是个麻烦事。这不同于深空摄影的对焦。尤其对于小型望远镜,高增益的实时图像可能会夹杂着严重的噪点,对于对焦操作的影响很大。在手动调焦的过程中,影像也会出现明显的晃动。这些都是需要在实际操作中不断总结和适应。例如拍摄木星,在对焦过程中需要注意木星表面的云带变化,在调到某一个位置会发现木星表面云带的细节最多,甚至隐约可以看到较为细小的云带,对焦基本上就算准确了。现今的拍摄程序还会提供一些辅助对焦的工具,可以尝试去使用它们。如果拍摄过程持续较长,例如数小时。这时要注意焦点的变化。由于大气的不均匀性,当目标行星处于不同的地平高度时,焦点会有些许变化的。

      后期处理方面,现今的工具软件其实已经非常傻瓜了。智能化程度很高,我们只需要做一些简单的设定即可完成视频文件的叠加工作。RegiStax 和AutoStakkert.都是不错的工具。当然,请选择高版本的。行星影像锐化也是重要的一环,RegiStax提供对影像不同的频率进行独立的锐化操作,是一个能够化腐朽为神奇的工具。最后的美化工作可能还是要放到PS里面去做,例如适当的色彩平衡修正、提高影像反差、细部结构的增强和色彩的强化等等。操作上的细节也不是一两句就能说清楚的,有兴趣可以去各大天文论坛搜索一下工具软件的教程。

REG锐化.jpg


发表于 2018-5-11 22:18 来自手机 | 显示全部楼层
学习一下。。
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发表于 2018-5-11 22:23 来自手机 | 显示全部楼层
辛苦啦前辈,非常感谢!
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发表于 2018-5-11 22:47 | 显示全部楼层
收藏收藏
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发表于 2018-5-12 07:56 来自手机 | 显示全部楼层
拜读过前辈在《天文爱好者》上发表的文章,以及此篇文章。文笔通俗易懂而不失专业水准,为我们这样的小白普及了行星观测摄影上的知识,也许能够吸引更多同好用上手中的小口径器材对行星展开拍摄。强烈建议加精!
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发表于 2018-5-12 08:16 来自手机 | 显示全部楼层
看到观测还以为是目视观测哈哈

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目视观测达不到的效果,摄影观测可以达到。利用摄影的方法提升观测效果,对于科普级的小型天文望远镜还是有一定的意义的。  详情 回复 发表于 2018-5-12 09:42
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 楼主| 发表于 2018-5-12 09:42 | 显示全部楼层
Stary 发表于 2018-5-12 08:16
看到观测还以为是目视观测哈哈

目视观测达不到的效果,摄影观测可以达到。利用摄影的方法提升观测效果,对于科普级的小型天文望远镜还是有一定的意义的。

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发表于 2018-5-12 11:57 | 显示全部楼层
学习!
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发表于 2018-5-12 12:30 来自手机 | 显示全部楼层
学习了,再请问前辈,我马卡直焦视场太小,目镜后投影增大视场可行么?

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视场会更小。道理很简单,无论是增倍镜投影还是目镜投影都会等效于延长焦距。焦距越长视场自然就越小。  详情 回复 发表于 2018-5-12 12:38
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 楼主| 发表于 2018-5-12 12:38 | 显示全部楼层
kukulcan 发表于 2018-5-12 12:30
学习了,再请问前辈,我马卡直焦视场太小,目镜后投影增大视场可行么?

视场会更小。道理很简单,无论是增倍镜投影还是目镜投影都会等效于延长焦距。焦距越长视场自然就越小。
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发表于 2018-5-12 12:45 | 显示全部楼层
拍行星我习惯吧增益拉到最低。但是我不清楚不同增益和伽马的组合会导致图像有什么差别

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增益高低取决于望远镜的合成焦比。在焦距足够的前提下,更小的焦比可以选择更小的增益或者更快的快门速度。增益与快门的增减需要考虑视宁度的影响。gama一般无需调整。  详情 回复 发表于 2018-5-12 13:14
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 楼主| 发表于 2018-5-12 13:14 | 显示全部楼层
梅西也天体 发表于 2018-5-12 12:45
拍行星我习惯吧增益拉到最低。但是我不清楚不同增益和伽马的组合会导致图像有什么差别 ...

增益高低取决于望远镜的合成焦比。在焦距足够的前提下,更小的焦比可以选择更小的增益或者更快的快门速度。增益与快门的增减需要考虑视宁度的影响。gama一般无需调整。
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发表于 2018-5-12 13:28 | 显示全部楼层
想问两个问题:
1.文中提到的  “拍摄程序还会提供一些辅助对焦的工具”,这个程序是什么?
2.白平衡一直处理不好,这个具体步骤怎么处理?

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1、大多数的拍摄工具都有对焦辅助功能,例如FireCapture中的FocusHelp和EZPlanetary中的聚焦助手。 2、彩色行星相机白平衡设定需要调整蓝色与红色通道增益,不过这都是凭借肉眼主观判断。当然也有相应的工具指示,例  详情 回复 发表于 2018-5-12 13:55
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 楼主| 发表于 2018-5-12 13:55 | 显示全部楼层
wb34 发表于 2018-5-12 13:28
想问两个问题:
1.文中提到的  “拍摄程序还会提供一些辅助对焦的工具”,这个程序是什么?
2.白平衡一直处 ...

1、大多数的拍摄工具都有对焦辅助功能,例如FireCapture中的FocusHelp和EZPlanetary中的聚焦助手。
2、彩色行星相机白平衡设定需要调整蓝色与红色通道增益,不过这都是凭借肉眼主观判断。当然也有相应的工具指示,例如FireCapture和SharpCap中的直方图工具,将望远镜对准白屏,然后调整红蓝通道增益至三色直方图完全重合即可。用平场来修正白平衡比较方便,只要事先拍摄好平场,在拍摄16位SER视频时直接加入就可以了。无需其他调整。
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发表于 2018-5-12 14:12 来自手机 | 显示全部楼层
谢谢,受教了。firecap里怎么设定选定区域?我用这个拍出来总不如用sharpcap,估计是哪里没设置好

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[attachimg]865847[/attachimg] 勾选ROI,右边的像素随便填,想要多少填多少。  详情 回复 发表于 2018-5-12 14:17
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 楼主| 发表于 2018-5-12 14:17 | 显示全部楼层
kukulcan 发表于 2018-5-12 14:12
谢谢,受教了。firecap里怎么设定选定区域?我用这个拍出来总不如用sharpcap,估计是哪里没设置好 ...

ROI.jpg
勾选ROI,右边的像素随便填,想要多少填多少。
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发表于 2018-5-12 15:33 来自手机 | 显示全部楼层
谢谢weiguo老师,以后有机会要向你多多请教
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发表于 2018-5-12 21:41 | 显示全部楼层
学习了
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发表于 2018-5-15 22:31 | 显示全部楼层
学习一下
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发表于 2018-5-16 11:57 来自手机 | 显示全部楼层
请教一下怎么采用目镜后投影的方式拍摄?

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使用CA-1套筒:[attachimg]866603[/attachimg] 没有?电工胶布缠上 [attachimg]866605[/attachimg]  详情 回复 发表于 2018-5-16 19:08
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