博冠天龙1501800折反射天文望远镜深空天体观测尝试

    因为2019年5月在云南丽江双子天文庄园安装了一套博冠1501800马克苏托夫——卡赛格林式折反射天文望远镜，于是我能够有机会用它来做一些小视面深空天体观测的尝试。
    虽然早在2009年便使用过博冠的这款折反射天文望远镜，不过那时仅限于行星摄影观测和深空天体的目视观测。记得还是09年初与华南师范大学附属中学的同学们在广东仁化县丹霞山参加天文地理冬令营时，用这款折反射望远镜目视观测过猎户座大星云。当时觉得很震撼，在黑暗的天空背景下，M42的“大鸟”形状清晰可辩。不过当时使用博冠早期的EM10赤道仪，目视观测尚可使用，摄影观测肯定是不行。2017年还是在丹霞山，用这款望远镜目视观测了环状星云和哑铃星云，星云的形态都非常清晰。深空天体目视观测的缺憾是无法看到那些美丽星云的色彩。
    一直都想尝试用长焦天文望远镜来拍摄那些视面很小的深空天体。其实大多数深空天体的视面都很小。之前一直在使用的480mm焦距折射式天文望远镜对于这类天体无能为力。即便更换像元更小的QHY183C深空相机，拍摄的M57环状星云依旧也只有蚕豆大点。至于像NGC2392爱斯基摩星云这种视直径仅有1角分的天体，只能看到绿豆大的一个蓝绿色小斑点。
    不过，像博冠1501800这样的长焦折反射望远镜，拿来做深空天体的摄影观测可能还存在一些问题。这些问题包括：
1、望远镜支撑系统的跟踪精度可能无法支持长时间的曝光。这个问题困扰已久，即便现在已经更换博冠EM100赤道仪，无论从结构、承载能力还是价格方面来看，这台赤道仪绝无可能保障1800mm焦距望远镜在长曝光时的稳定性。
2、博冠天龙1501800折反射望远镜的焦比高达F12。如此大的焦比，曝光效率之低可想而知。如果还是使用早年的数字单反相机或CCD深空相机，真不知道要曝光多久才能看到效果。另外由于赤道仪的限制，也无法实现长时间曝光。而短曝光对于读出噪声较高的CCD深空相机几乎没有任何意义，接收到的那些少得可怜的来自天体的光子会完全被读出噪声所淹没。
3、折反射望远镜采用内调焦机构，主反射镜并不是固定的。这很有可能会带来一个非常棘手的问题——主镜在观测过程中微小位移导致的失焦和星点畸变。事实证明这个问题避无可避。
    针对以上三个问题提出了如下的解决思路：
1、在不更换赤道仪的前提下，只能使用短时间曝光拍摄单帧影像。之后进行大量的叠加处理。这有点类似行星摄影，只不过单帧曝光时间要比行星摄影长得多。至于到底采用多长的曝光时间，在后来的尝试中大概统计了一下。1s曝光的跟踪成功率大约95%，5s曝光的跟踪成功率大约在70~80%，10s曝光的成功率大约在40~50%，再长的曝光时间跟踪成功率会急剧下降。
2、大焦比导致的曝光效率过低，可以用量子效率高的相机来补偿。现在主流的背照式CMOS天文相机都有极高的量子效率（QE)。同时这类相机还有一个特点就是极低的读出噪声，这对实现短时间曝光至关重要。因为在大量叠加时读出噪声也会增加，因此极低的读出噪声对于叠加后图片信噪比的提升意义重大。
3、增加外调焦系统，拍摄过程中不断核对焦点是否偏离。这对主镜位移导致的失焦有一定效果。但对主镜位移导致的星点畸变就无能为力了。所以只能在拍摄前去尝试，如果某个位置星点畸变严重，可能需要考虑换一个时间，等目标移动到其他位置时再拍摄。
    采用以上思路，从2019年11月开始至今，尝试拍摄了M57环状星云、M76小哑铃星云、NGC1999反射星云、NGC2261哈勃变光星云和NGC2392爱斯基摩星云。
M57环状星云。表面亮度高，拍摄难度较小。


M76小哑铃星云。表面亮度比较低，拍摄难度较大。

下图是M76单帧原始图片


NGC1999反射星云，表面亮度高，但外围星云较暗，拍摄难度较大。

下图是NGC1999单张原始图片


NGC2261哈勃变光星云，表面亮度高，但外围星云较暗，拍摄难度较大。

下图是NGC2261单帧原始图片


NGC2392爱斯基摩星云，表面亮度很高，拍摄难度较小。

下图是NGC2392单帧原始图片

注：1、这里看到的单帧原图由于上传压缩的原因，细节损失较大
       2、这里展示的图片为了提升观感，做了星点修复。原图星点由于前述原因，比修复后的星点略差。

关于暗场与平场：
     严格的深空天体摄影需要对原始数据进行准确的校准，扣减偏置与暗场、扣除平场是必要的。偷懒的方法是在拍摄时即加入校准帧进行校准。主流的行星拍摄工具都有此功能（如FireCapture），因此先行制作了暗场库和平场库，然后根据需要直接加入。不过从实际效果看，暗场扣除的并不准确。因为影像边角的辉光并没有完全消除，至于平场的加入倒是很好地校准了影像的色彩。
关于拍摄的影像数据格式：
    QHY290C作为行星相机的主流产品，常用于拍摄16位SER视频数据。之后采用视频叠加工具（AutoStakkert或者RegiStax）来完成影像数据的快速叠加。不过出于慎重的角度，还是采用了16位FIT影像数据格式，这样拍摄的是连续的单帧FIT文档。因为不确定如果拍摄的是SER视频数据，叠加工具是否能够完成叠加工作，毕竟这不是在拍摄行星(这个顾虑在之后的数据叠加中还是被印证了)。
关于数据的叠加处理：
    单帧曝光时间短，必然意味着需要大量的叠加。大量是多少呢？至少也要千张以上。如此数量庞大的单帧影像，手工叠加那真会累死人的。所以还必须要能够使用工具软件来叠加。尝试了AutoStakkert、RegiStax、DSS和MDL四种工具，前三个在叠加过程中或多或少会出现问题。要么报错、要么叠加出来的星点根本就不能对齐。分析原因，有可能是原始数据中的星点形态与传统深空天体影像中的星点相去甚远，导致软件不能正确识别。只有MDL叠加的结果是准确可靠的。在这里叠加使用的对齐模式是“Planetary”，即行星模式。
关于星点：
    尝试过深空天体摄影的同好一定知道，影像中星点的大小往往会随着曝光时间的变化而变化，尤其是亮星。这一点貌似在长焦望远镜中表现得特变明显。请看下面一组图片，这是使用不同曝光时间拍摄的同一对恒星。这对恒星是昴星团中的两颗亮星，拍摄时接近天顶附近。10ms曝光的星点与5s曝光的星点大小相去甚远。什么原因？有可能还是视宁度的影响。不过拍摄时的视宁度大约在1.5角秒左右，这样的视宁度其实并不算差。当然也有可能是赤道仪的跟踪误差，不过如果是跟踪误差更应该是拖线或者椭圆形星点。圆形的星点在盲跟的系统中应该不会是跟踪误差导致的。

关于单帧影像数据的删选：
    视频叠加工具都有单帧影像删选的功能，就是将质量低下的影像予以剔除。保证叠加的都是质量较高的影像。在MDL的叠加工具中影像质量是可以设定的。由于经验还不足，至少目前还没有完全掌握如何准确设置影像质量，以保证所有质量符合要求的影像能够被叠加，而质量不达要求的影像能够被全部被剔除。所以上述影像在叠加前还是采用了人工删选，结果就是巨大的工作量。
总结与展望：
     从对目前几个目标的观测结果来看，对于这套设备来说还算是比较成功的。从观测的角度出发，基本上实现了最初的设想。当然这里面除了器材本身的制约外，可能高美古这样优良的观测环境对观测结果的影响更大。不确定在观测环境较差的地方，例如光害较大、视宁度较差或者雾霾严重的环境中是否能够达到如此的观测效果。另一方面这样的拍摄效果本身还不能算是一个像样的深空天体摄影作品，甚至说可能还不能称其为作品。或者可以理解为看到与看清楚的区别。
    下一步还想尝试观测一些小视面、高亮度的河外星系，例如M104草帽星系。希望也能达到较为满意的效果。

干货满满经验小结贴，从照片的效果，我个人觉得已经非常ok，这种玩法追求不在于曝光的深度，而是分辨率。传统的深空摄影如果要得到这样的细节，需要多少口径的望远镜？多稳定的赤道仪？以及极品视宁？
我也尝试过，用的是eq6+10寸F5牛反盲跟，盲跟的缺点是目标会因为跟踪误差而偏移，有想过加个导星。大宝你拍的时候加了导星么？
叠加我尝试过AutoStakkert 和 RegiStax，AS！2的效果比较好，但容易出现叠加错误无法对齐， RegiStax使用手动选择单点叠加，MDL没有试过。
废片我也是采用手动删除的方式……
另外相机我试过224mc，辉光太大不合适。290mc应该会好很多吧。

lovez3 发表于 2020-1-4 11:34
干货满满经验小结贴，从照片的效果，我个人觉得已经非常ok，这种玩法追求不在于曝光的深度，而是分辨率。传 ...

尝试过过开启导星，不过如此长焦条件下发现EM100赤道仪在导星状态下变得更加不稳定。还不如采用盲跟的方式。估计是EM100赤道仪的蜗轮齿数太少了。

拍得很棒啊！请问M76和NGC2392的单帧曝光时间和叠加张数是多少呢？

newaysoft 发表于 2020-1-25 20:41
拍得很棒啊！请问M76和NGC2392的单帧曝光时间和叠加张数是多少呢？

M76单帧曝光10s，1860帧叠加。NGC2392单帧曝光5s，2785帧叠加。

这个厉害了！
把器材发挥到极致才是最让人佩服的用家，也是最值得学习的态度。

10ms~5s的星点大小在此焦距下也许与视宁度有关，
但就算无扰动下不同曝光时间星点大小也会不同，
拿300mm焦距不同曝光时间，星点大小也一定是不一样的。

请问你一千多张使用MDL叠加要多长时间？

newaysoft 发表于 2020-4-10 18:29
请问你一千多张使用MDL叠加要多长时间？

一次性叠加这么多还真没试过。我都是化整为零，一组一组叠加的。

weiguo1688 发表于 2020-4-10 20:00
一次性叠加这么多还真没试过。我都是化整为零，一组一组叠加的。

哦，我最近也在试短曝多叠，现在发现个问题就是MDL叠加太慢了，我叠加300张耗时将近2个小时，你一次叠加多少张，耗时多少呢？

newaysoft 发表于 2020-4-10 22:03
哦，我最近也在试短曝多叠，现在发现个问题就是MDL叠加太慢了，我叠加300张耗时将近2个小时，你一次叠加 ...

每次叠加都控制在100张以内，几分钟吧。

weiguo1688 发表于 2020-4-10 22:05
每次叠加都控制在100张以内，几分钟吧。

叠加可以试试siril，二几十张183m拍的照片四十几秒就叠好了，快得一匹，还有其他处pi以外其他软件没有的去星功能，也可以试试sharpcap和siril的实时叠加