Част 12: Контрол на проследяването по време на дълъг експониране
Обекти с слаба светлина на нощното небе изискват дълго време на експонация. Дори в епохата на цифровата фотография, когато се правят няколко по-къси експоции вместо една много дълга, които по-късно се събират чрез софтуер за обработка на изображенията, при използването на дълги фокусни разстояния автоматичното проследяване на астрономична монтажа не е достатъчно точно, за да се произведат надеждни остри снимки.
Тогава е необходимо по време на експонирането да се контролира движението на монтажа и - ако е необходимо - да се коригира. Този процес се нарича проследяване или на английски "guiding", а действието - "гидене". Когато специална камера поеме този процес, тя се нарича проследяваща камера или "Autoguider". Необходимо е проследяване, когато звездите не са точкови, а леко линейни вместо точни, въпреки моторното проследяване на монтажа в рамките на желаното време на експонация.
Причините за тази непрецизност могат да бъдат различни:
• Механичното изпълнение на монтажа не отговаря на изискванията
• Монтажът не е бил достатъчно точно ориентиран (вижте Част 9 на серията "Астрофотография" (Управление на астрономична монтажа)
• Скоростта на моторното проследяване не съответства точно на скоростта на видимото въртене на небето
• Призменото действие на земната атмосфера (атмосферна рефракция) причинява, че звездите не са стопроцентово на мястото, където следва да са
• Движения в системата, като слабо наклоняване на окулярния изтегленик по време на експонацията
• Периодичната грешка на винтовия червей, която всеки воден винт произвежда спрямо задвижващия зашеметяващ кръг по време на едно завъртане
• Неравномерност на задвижващия кръг, който се задвижва от винтовия червей
Въпреки че много точки могат да се контролират чрез внимателното изграждане, поне последните две споменати точки остават проблемни. Всяка механика, дори най-добра и съответно скъпа, ще има минимални отклонения от идеалното състояние, което по-рано или по-късно ще се отрази в продължително експонирани снимки. Просто смятане показва каква точност в проследяването трябва теоретично да се постигне.
Нека вземем за пример телескоп със 1500мм фокусно разстояние, на който е свързана дигитален фотоапарат с рефлексен обектив. Размерът на пиксела на сензора го приемаме за 5,7 микрона, т.е. 5,7 хилядни милиметра, стойност, която съответства на Canon EOS 400D или EOS 1000D. Нека допълнително приемем, че вълнението на въздуха отклонява мястото на една звезда в обхват от четири бройни секунди (1 градус = 60 минути = 3600 бройни секунди), което съответства на добри до средни условия в Германия.
Това означава, че по време на експонацията поради вълновете във въздуха всяка звезда създава пеленичка с диаметър на четири бройни секунди. Следователно не можем да заснемем звездите по-остро.
Сега трябва да пресметнем под какъв ъгъл един пиксел на сензора ще представлява. Това става със следната формула.
Формула за изчисляване на ъгъл на изображение Алфа. "L" в този случай е дължината на страната на пиксела, а "f" е фокусното разстояние. Двете стойности трябва да се посочат в еднакви единици (например в метри).
Мащабът на изображението е 0,8 бройни секунди на пиксел. Следователно звездната пеленичка ще има диаметър от 5 пиксела (съответства на 4 бройни секунди) на сензора. Сега определяме толеранса, която бихме искали да допуснем, преди да трябва да се говори за леко линейно изображение на звезда. Предлагам, че отклонение от 20 процента все още трябва да бъде приемливо. Всичко, което надвишава тези 20%, трябва да се приема като неострота. Този толеранс е по-скоро щедро признание.
Вляво едно перфектно изображение на звезда при оптимално проследяване. Вдясно звезда, която е леко деформирана и чиято дълга ос надхвърля късата си с 20 процента.
При изображение на звезда с диаметър от пет пиксела отклонението от 20 процента точно съответства на един пиксел толеранс. Това означава, че проследяването по време на експонацията трябва да се отклони само с 0,8 бройни секунди от идеалното състояние. 0,8 бройни секунди са 2,2 десети хилядни градуси (за сравнение: Пълнолунието има около 0,5 градуса видим диаметър!). Това смятане може да покаже какво предизвикателство представлява проследяването с дълги фокусни разстояния и да подчертае необходимостта от контрол на проследяването.
Контрол на проследяването в практиката
Както вече беше посочено, има два основни метода за контрол на проследяването: ръчният и чрез използване на автогайдър.
1. Ръчен контрол на проследяването
При ръчния контрол на проследяването се използва кръстообразен окуляр, в чиито център е позиционирана една звезда. През цялото време на експонацията наблюдателят следи "управляващата звезда" и внимава тя да не отклони от центъра на кръстчето. Ако се установи отклонение, звездата се връща на своята желана позиция чрез натискане на бутоните за посока на управлението на монтажа веднага.
При ръчния контрол на проследяването фотографът контролира движението на монтажа, като наблюдава звезда в кръстообразния окуляр, докато камерата прави експониране. Чрез джойстика на монтажта може да се влиза коригиращо.
Ако основният телескоп се използва като оптика за заснемане, втори телескоп трябва да се използва за проследяване, който се нарича "управляващ телескоп" или кратко "управляваща тръба". Управляващият телескоп се монтира заедно с основния телескоп на една и съща монтаж и се насочва по-малко или повече паралелно. Абсолютната паралелност не е необходима. Напротив: Много управляващи тръби са захванати в така наречени управляващи скоби на основния телескоп, които прилепят управляващата тръба в две скоби с по три ръчни винтчета. Чрез регулиране на ръчните винтчета управляващата тръба може да се премести относно главната тръба в определени граници. Намерението на тази наредба е винаги да се намери достатъчно светла управляваща звезда, тъй като не всеки обект на небето включва ярка звезда в полето на изображението.
Чифт управляващи скоби за управляваща тръба (червени стрели), закрепени към главния телескоп, осигуряват свобода на движение на управляващата тръба, за да може да бъде насочена към по-ярка управляваща звезда. Всяка скоба има по три ръчни винта, които фиксират управляващата тръба във всички позиции. При отваряне на единия от ръчните винтове трябва да бъде затегнат друг, за да се гарантира фиксирането.
За ръчния контрол за проследяване ви са необходими следните неща:
• a) Оптично напътствие
Качеството на изображението не играе голяма роля, така че дори евтино оптично напътствие може да бъде използвано като оптично напътствие. Важно е оптичното напътствие да не е с твърде кратък фокусно разстояние. В идеалния случай фокусното разстояние трябва да е двойно по-голямо от фокусното разстояние на обектива. Чрез използването на Барлоу леща (система лещи, подобна на телеконвертор) ефективното фокусно разстояние на оптичното напътствие може да бъде удължено. Извадката на окуляра на оптичното напътствие трябва да е стабилна и да не трепти, тъй като в противен случай не може да се постигне необходимата точност на проследяване.
• b) Оптичен кръст
Прости модели имат две нишки под ъгъл от 90 градуса; особено полезни за контрола на проследяването са типовете с двойно оптично кръстосване, при което звездата за напътствие в нейната централна позиция не изчезва зад нишките. Обърнете внимание, че той може да бъде осветен. Това означава, че оптичния кръст е осветен от червен LED, захранван с батерии, така че да може да се вижда дори пред тъмен нощен небосвод. Обикновено осветлението може да се регулира.
При прост оптичен кръст (ляво) кръстът покрива звездата за напътствие. Окъл с двойно оптично кръстосване (дясно) избягва тази ситуация.
Оптичният кръст с регулируемо осветление (червена стрелка). Батерии тип бутон вътре захранват червения LED с необходимото напрежение:
• c) Възможност за монтаж на оптичното напътствие
Оптичното напътствие трябва да бъде прикрепено към основното оптично устройство възможно най-стабилно. Завъртания по време на експонацията биха поставили под съмнение контрола за проследяване. Елегантно решение са вече споменатите затвори за оптичния кръст. Процедура: Първо се насочва основното оптично устройство със свързаната камера към небесен обект. Ако е необходимо, чрез завъртане на камерата в извадката на окуляра се оптимизира желаната рамка. Сега се правят всички необходими настройки на камерата. След това следва фокусирането, за което леко се препозиционира на ярка звезда недалеч от избраната небесна рамка при необходимост.
След фокусирането рамката на изображението се проверява отново, което се улеснява при слабо осветени обекти с пробно експониране от една минута, без да се прави контрол на преследване. След това се премества оптичното напътствие с оптичния кръст в неговите затвори за оптичния кръст, докато достатъчно ярка звезда стане в центъра на кръста. След това оптичния кръст се завърта в тубата си докато двата кръста са точно в посока на двата моторни елемента на монтажа (часова и деклинационна ос). Затова се установява скоростта на движение на моторите на контрола на околния цвят на околния цвят на околния цвят на околния цвят на околния цвят на околния. Настилката трябва да се завърти, докато звездата за напътствие се движи по една нишка в оптичния кръст. 
Поглед през оптичния кръст с водачна звезда (ляво). Движението на моторните оси на оправянето на оптичния водач е маркирано със светло сини стрели. Чрез завъртане на окото в извадката на окото се постига съвпадение на движението с кръста.
След това водачната звезда се изправя в средата на оптичния кръст чрез моторите на монтажа и скоростта на моторите намалява отново, най-добре на една (1x) или половин (0,5x) скорост на звездата. След това трябва да си запомните точно коя бутон на контролата да натиснете, за да докарате звездата да се придвижи наляво, надясно, нагоре и надолу веднага и целенасочено, когато се появи разминаване на звездата от центъра на оптичния кръст. След кратко учебно време този процес трябва да бъде осъществен. Сега е време: Експонацията започва. След отваряне на затвора на камерата звездата за напътствие трябва да бъде постоянно наблюдавана.
Ако се придвижи извън центъра на оптичния кръст, незабавно натиснете правилния бутон на контролата, за да я върнете обратно в центъра. При монтажи с добри характеристики на проследяване може да се наложи корегиращи движения само рядко, при монтажи с относително неточно движение са възможни корекции на интервал от само няколко секунди. След това ръчният контрол за проследяване се превръща в работа, която изисква високо ниво на концентрация на дълги периоди от време.
Четирите ключови бутона на контролата на монтажа за ръчен контрол на проследяването. Те могат да преместят звездата в окуляра във всяка посока, за да компенсират открити отклонения на звездата за напътствие.
Чрез високото увеличение на оптичния кръст и дългото фокусно разстояние на оптичното напътствие, дори най-малките отклонения от идеалния статус са видими, преди те да доведат до линейно изображение на звездата по време на записа. Т.е., не всяко малко отклонение на звездата за напътствие от централната си позиция в средата на оптичния кръст веднага разваля снимката. Все пак е разумно да се справите незабавно с наблюдаваното несъответствие чрез съответните корекции. След приключване на експонацията може да бъде спряно и контролът за проследяване.
Ако се планират няколко снимки, може да се вкарат кратки паузи за отпускане на очите между експонираните. С малко тренировка и опит чрез ръчния контрол за проследяване ще успеете да реализирате дълги времена на експониране, докато камерата е свързана към телескоп с дълго фокусно разстояние. Практически неизбежната неопределеност в движението на монтажите по време на моторното проследяване се компенсира чрез техниката на ръчния контрол за проследяване, така че идеално звездите на снимката се изобразяват точно точковидно. Максималното разумно време за експониране при използване на цифрови рефлексни фотоапарати е около 15 до 20 минути, в зависимост от модела на фотоапарата. Ръчният контрол за проследяване в продължение на такъв период от време може да бъде доста напрегнат. Затова обърнете внимание на удобния ъгъл на преглед в оптичния кръст и удобна височина за гледане, ако е възможно. За много небесни обекти е необходимо единично изображение с максимално време за експониране да не е достатъчно. Тогава трябва да се направят повече снимки, които по-късно ще бъдат сумирани (вж. Статия № 16 от поредицата "Астро- и небесна фотография": "Овладяване на електронната шумоподаваща среда").
Съвет: Търговският отдел предлага като алтернатива на оптичното напътствие така наречените Off-Axis-съпроводители. Тези устройства се поставят между телескопа и камерата и включват малко огледало, което отклонява светлината на звезда далеч от оптическата ос, извън обхвата на камерата, с ъгъл от 90 градуса. Теоретично е възможно основното телескоп по време на експонацията също да се използва като оптично напътствие. За съжаление, качеството на изображението на повечето телескопи е много отстранено от оста, така че няма чисто изображение на звезда за напътствие. Освен това търсенето на звезда за напътствие с Off-Axis-Guider става настойчиво начинание и обикновено завършва с непроизволно променяне на избраната рамка на изображението, за да може да бъде намерена звезда за напътствие. Дори тогава позицията за гледане често е неудобна, често може да се постигне само с тренировки. На такава позиция трудностите с ръчния контрол за проследяване стават физически тежки.
Затова препоръчвам да се откажете от закупуването и използването на Off-Axis-Guider.
2. Автоматичен контрол на проследяването
Внимателно разгледано, ръчният контрол на проследяването е доста глупава работа. Бързо се стига до убеждението, че тази дейност можеше да бъде автоматизирана чрез технически инструменти. Добрата новина е: това работи, именно с помощта на специални цифрови камери, наречени „Автопоследител“. Лошата новина: Не съществуват лесни решения в областта на автоматичното посочване, т.е. простото свързване и жично връзване е далеч недостатъчно, за да накара автопоследителя да изпълни това, което се очаква от него.
При автопоследяването окулярът със рамка на нишката на управляващия телескоп се заменя с автоматична камера (Автопоследител).
Следва да се предвиди начален период, в който все още няма астрономически снимки, а автопоследителят трябва да бъде пуснат със използваната монтировка. Без опит се оценяват няколко часа или дори нощи за това! Техническата работа на автоматичното посочване е следната: Използва се специална цифрова камера или видео- или уебкамера за автопоследител. Сензорът на тези камери обикновено е много малък, с нискен брой пиксели. Върху сензора на автопоследителя се проектира звезда, чиято позиция се определя от софтуера. Сензорът на автопоследителя се изчиства на кратки интервали и позицията на звездата се измерва отново.
Ако звездата за проследяване отклони от първоначалната си позиция, софтуерът може чрез управлението на моторите на монтажа да извърши обратно движение и по този начин да върне отново звездата на своето солено място. За тази цел е необходимо да се свържат автопоследителят или компютърът за управление чрез кабел с управлението на монтажа. Управлението на монтажа също трябва да разполага с интерфейс за автопоследител, т.е. възможност за свързване.
Пример за връзка (схематично). DSLR е свързан с компютъра си чрез USB кабел (тъмночервен, 2). Автопоследителят използва друг USB порт на компютъра за предаване на изображението (син, 3). За да може управляващият софтуер на упътвача да извършва коригиращи движения на монтажа, е необходимо още едно кабелче (червен, 1), в този случай сериен интерфейс (COM1). Тъй като модерните лаптопи често нямат сериен интерфейс, единственият начин е USB-сериен адаптер. В зависимост от използваната монтажа и автопоследителя може да има разлики във връзката от тази схема.
Това, което звучи доста тривиално в теория, се оказва доста сложна задача на практика. Тя започва с факта, че интерфейсите на автопоследителите не са стандартизирани и първоначално трябва да се уверите, че имате подходящ кабел. Не съществува стандарт за определяне на пиновете, като като псевдо-стандарт е съвместимостта с автопоследителя „SBIG ST-4“, отбелязан като „ST-4-съвместим интерфейс за автопоследител“.
Интерфейс за автопоследител на управляващия телескоп (дясно) с подходящ кабел за автопоследител (ляво).
Това управление (ляво) разполага с напълно различно буксене за връзката на автопоследителя и поради това се нуждае от различен кабел (дясно):
„Самостоятелни автопоследители“, т.е. устройства, които работят без свързан компютър, почти не са вече налични на пазара. Обикновено работата е възможна само с компютър (за полеви работи с лаптоп). Тя включва следните стъпки:
а) Намиране на звездата за водене в управляващия телескоп и поставяне в центъра на зрителното поле чрез визуално упътване с рамка на нишката.
б) Поставяне на автопоследителя на мястото на рамката на нишката.
Тук се използва „Лунно-планетен имиджър“ от Meade като автопоследител. За увеличаване на фокусното разстояние на управляващия телескоп се използва барлоу леща с петкратен увеличителен фактор.
в) Фокусиране на звездата за водене чрез софтуера на автопоследителя на лаптопа.
d) Избор на ниска скорост на мотора на управлението на монтажа (например 1-кратна скорост на звездата).
е) Поставяне на звездата за водене приблизително в средата на полето.
f) Стартиране на „калибрационна процедура“ на управляващия софтуер, която прави моторите на монтажа да се движат във всички посоки, определя движението на звездата и по този начин „научава“ как да управлява монтажа, за да отклони звездата в желаната посока.
Дисплей на софтуера „MaxIm DSLR“http://www.cyanogen.com по време на калибрационната процедура. Преди стартирането звездата се намира на позицията, маркирана с лявата, зелена стрелка. По време на калибрирането двата двигателни лагера на монтажа се движат поотделно в една посока (сини стрелки) и отново назад. След това звездата отново се намира повече или по-малко на своето начално място (дясно, зелена стрелка). Недостатъците се дължат на свободата на подвижка на предавките (ляво). След калибрирането софтуерът „знае“, какви движения трябва да извърши, за да отклони звездата в желана посока.
g) Стартиране на функцията за автопоследяване: След като всички стъпки са били правилно изпълнени, автопоследителят прави поредица от снимки в бърза последователност, в зависимост от избраното време на експонация. Оптималното време на експонация е между две и пет секунди и зависи предимно от яркостта на звездата за водене.
Тя не трябва да бъде превзорена, за да се избегне прекомерното наситяване на сензора на автопоследителя в района на звездата. От друга страна, трябва ясно да се изобрази, така че софтуерът може да определи точната му позиция.
Твърде краткото време на експонация представлява риска звездата за водене да бъде отклонена от турбулентността на въздуха и упътвачът да се опита да следва това „дръпнато движение“. Твърде дългото време на експонация пречи на упътвача да реагира бързо на внезапно появила се небесна нестабилност в монтажа.
След всяко експониране софтуерът определя позицията на звездата за водене с подпикселна точност и може така да реагира на най-малките отклонения от желаната позиция. Затова при автопоследяването е достатъчно водещият телескоп да има къса фокусна дължина. Ако водещият телескоп има половината фокусно разстояние на основния телескоп, това е повече от достатъчно при оптимално функциониране на автопоследителя.
Ако софтуерът установи дрифта на звездата за водене, той управлява обратно движението чрез моторите на управлението на монтажа и компенсира това дисбалансиране в проследяването. След стартирането на функцията за водене трябва да се наложи около минута време на системата да достигне стабилно състояние.
При това наблюдавате изобразяването, което илюстрира отклоненията на ръководната звезда като редица цифри или графично. Ако отклоненията се движат в очаквания обхват, могат да се стартират експозициите.
Цифров дисплей на софтуера MaxIm по време на управление. В горния десен ъгъл се показва снимка на текущата ръководна звезда с включена кръстосана връзка. Долу, графикът показва отклоненията на ръководната звезда от нейната зададена позиция в двете оси.
За съжаление, в рамките на ръководството не е възможно да се състави по-подробно стъпково ръководство, защото процедурата се различава значително на детайлно ниво в зависимост от употребявания автогайдер. Затова трябва да се обърнете към ръководството на съответните модели камери.
Все пак някои общи съвети за успешно управление:
a) Много автогайдери работят само или поне по-добре, когато се поставят така, че посоката на движение на монтажните оси съвпада с пикселовите редове и колони.
b) Точката за калибриране, спомената по-горе в f), следва да бъде повтаряна всеки път, когато телескопът се измести към друга област на небето.
c) В много случаи трябва да се определи в софтуера за колко секунди автогайдерът трябва да движи осите по време на процедурата за калибриране, преди отново да се установи позицията на ръководната звезда. Този период трябва да бъде така, че звездата да не напусне площта на сензора, но също така да претърпи достатъчно силни изменения в позицията, за да софтуерът може единозначно да я определи и евентуално плей в предавките на монтажа да не оказва голямо влияние. Идеално е звездата да се премести от центъра на сензора към края му по време на калибриращата процедура.
С двата полета „Време за калибриране“ в MaxIm се определя за колко секунди софтуерът ще остави монтажните мотори да работят по време на калибриращата процедура:
d) Управляващият софтуер на много автогайдери включва множество параметри за оптимизиране на управлението. Един важен аспект е „агресивността“. Тя определя дали при установено отклонение на ръководната звезда в следващата стъпка вече да се опита да я върне на оригиналното си място или дали софтуерът трябва да се опита да се доближи към зададената стойност в по-малки стъпки. При твърде висока агресивност може да се случи системата да се разцепи и звездата постоянно да пързаля около зададената стойност, защото идва до прекомерни реакции. Ако е твърде ниска, държането да продължи в една посока може да се компенсира трудно. Това означава, че тук трябва да се намери оптимална стойност чрез практически опит, която зависи от характеристиките на използваната монтажа и фокусното разстояние на ръководния телескоп.
Настройка на „агресивността“ в модула за управление на MaxIm. Стойността „8“ означава, че установеното отклонение на ръководната звезда от зададената си позиция вече в следващата стъпка бива коригирано на 80%. Стотоен процентов корекция често води до разцепване на системата.
Кои камери се подходящи като автогайдери?
Ако търсите автогайдер, който може да работи без свързан компютър, за новото устройство имате само един избор: Baader LVI-SmartGuider, http://www.baader-planetarium.de/sektion/s21/s21.htm.
„LVI SmartGuider“ е автономен управляващ устройство, което не изисква компютър за работа.
Да не забравяме, че това е ново представено продукт и все още няма коренни практически опити. В момента не мога да препоръчам или да отсътствам за това устройство.
Следните автогайдери изискват компютър за работа:
Alccd ALccd 5 Autoguider http://www.astrolumina.de
Imaging Source: DMK 21AU04.AS и други модели, Видеомодули http://www.astronomycameras.com.
DMK-Videocamera на ImagingSource. В пакетите за астрофотографи фотоапарата разполага с адаптер за телескопа (в горния десен ъгъл), но без софтуер, за да се използва като автогуайдер.
SBIG ST-402ME: CCD Камера http://www.sbig.de
Meade DSI 2 Deep Sky Камера,
CCD Камера, различни модели http://www.meade.de
„Deep Sky Imager PRO II“ на Meade е CCD камера за астрофотография, но сензорът й е по-малък в сравнение с този на DSLR. Тези, които искат да я използват като автогуайдер, трябва да се радват, защото необходимият софтуер е включен в комплекта.
Преди да закупите някоя от тези модели камери, трябва да разберете кои кабели и по-специално кои софтуерни продукти може да са необходими за използването им като автогайдер. Предимство на тези камери е, че могат да бъдат използвани не само като автогайдери, но и като камери предимно за планетарна фотография (вж. Епизод 14 от поредицата „Астро и небесна фотография“: „Заснемане на планетите с уеб камера“), където могат да предложат добри услуги.
Класическите автогайдери на автономния стил са моделите SBIG ST-4 и SBIG ST-V, които за съжаление вече не се произвеждат. Като закупувани употребявани съветвам да бъдат те!
Само като употребявано устройство: SBIG ST-4, стар но ефикасен автономен автогуайдер. Шестцифреният панел е скромният потребителски интерфейс, който е много непривичен в началото.
Примерни заснемания
Бяха необходими шест метра фокусно разстояние, за да се заснеме мъждестърния куп "Месие 13" в съзвездието Херкулес на сензора на Canon EOS 450D. Изложено беше в продължение на десет минути при ISO 400. Ръководенето бе осъществено чрез лидкамера и камера за автоматично водене SBIG ST-4.
Тази снимка на Небето на Орион бе направена с модифицирана за астрономски снимки Canon EOS 400D. Общото време на експонация бе един час и половина при ISO 800. Фокусното разстояние бе 600 милиметра, апертурата бе f/6,0. Като заместител на лидкамерата бе използвана фотообектив от 300 милиметра, към който можеше да се свърже камерата за автоматично водене SBIG ST-4.
И тази снимка на галактиката Андромеда бе заснета с модифицираната EOS 400D. Оптиката за заснемане бе лещест телескоп с само 60 милиметра отвор и 350 милиметра фокусно разстояние. Експонирано бе един час и 40 минути при ISO 400. Поради липса на автоматично водене, се извършваше ръчен контрол на управлението чрез лидскала с кръстовиден фаден.
