Observation des étoiles en après-midi ou en astronomie de jour

Étant donné que notre article précédent sur « Comment différentes caméras et appareils voient la nuit » a suscité un grand intérêt parmi les lecteurs, nous avons décidé de vous présenter un autre domaine hautement spécialisé de l'utilisation des caméras vidéo, comme l'astronomie diurne. Beaucoup peuvent trouver la tâche d'observer les étoiles une perte de temps pendant la journée, mais nous essaierons de vous convaincre à la fin de l'article.

Attention! plus loin dans l'article, il y aura des animations gif assez grandes de 4-8 Mo!

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Ce ne sont pas des stars, mais elles ont l'air drôles et ont accidentellement été filmées sur un appareil photo, ce qui est discuté dans l'article =)


Malheureusement, nous vivons dans un endroit si étrange que pendant tout l'automne et l'hiver, nous avons eu environ 20 heures de ciel clair et dans la plupart des cas, ces heures étaient de jour. Par conséquent, les étoiles filantes dans l'après-midi sont au moins une petite opportunité pour étancher votre soif d'astronomie.

Deux caméras uniques qui pourraient potentiellement voir les étoiles pendant la journée sont tombées entre nos mains. Les caméras fonctionnent dans différentes gammes. Une caméra: VC1300HDR - caméra noir et blanc dans le domaine visible, la deuxième VSM320 - caméra proche infrarouge (0,9-1,8 microns). Les deux caméras sont conçues et fabriquées en Russie, les algorithmes de traitement, malgré leur apparente simplicité, sont la propriété intellectuelle des fabricants d'appareils.

En général, nous essaierons d'expliquer ce qui limite la capacité d'une caméra vidéo à détecter une étoile pendant la journée - c'est, bien sûr, un énorme éclairage de fond du ciel, qui est plus proche du Soleil - le plus grand. Lorsque vous essayez de prendre le ciel directement, l'exposition de chaque image individuelle est si courte que le signal de l'étoile est très faible. Ainsi, le fond de ciel clair est la principale limitation lors de la prise de vue. Quelles méthodes sont disponibles pour réduire l'arrière-plan du ciel? Curieusement, vous devez réduire l'ouverture de l'objectif. Avec une ouverture constante (diamètre du miroir ou de la lentille frontale), une diminution de l'ouverture est obtenue en augmentant la distance focale.

Ce sont des limites de la physique du processus: il est souhaitable de réduire le champ de vision.

Qu'est-ce qui limite la possibilité d'observation par la technologie? La principale chose qui limite la caméra vidéo dans sa capacité de détection est la capacité des électrons de l'élément photosensible. Si la capacité est petite, vous êtes obligé de réduire l'exposition afin de ne pas obtenir un cadre blanc sans information. Plus l'exposition est courte, moins vous obtenez d'informations lors de l'observation, plus le rapport signal / bruit est faible.

Ainsi, la limitation de la part de la technologie est la capacité en pixels de la caméra.

D'où vient le bruit? Après tout, il semble que vous puissiez prendre le meilleur appareil photo à faible bruit, prendre un morceau de ciel, puis traiter soigneusement le niveau de luminosité, et où le niveau de luminosité dépasse le niveau moyen, et il y aura une étoile? Mais ce n'est pas le cas. Le bruit dû à la nature quantique de la lumière est appelé bruit de photon et est décrit par la distribution de Poisson, dont la propriété la plus importante est la dispersion de la distribution du signal reçu, qui est égale à la racine de la quantité de charge accumulée. Ainsi, si vous avez 10 000 électrons accumulés dans votre cellule, le bruit photonique sera la racine de cette valeur ou 100 e, et le rapport signal / bruit sera 100. Pour une capacité en pixels de 1 000 000 e, le bruit photonique sera 1000 e, et le signal / le bruit (comme le niveau du signal accumulé maximum possible au bruit des photons) est également de 1000. Avec l'augmentation de la capacité en pixels, le rapport signal / bruit réalisable augmente. Afin de détecter une étoile, il est nécessaire d'accumuler une quantité de signal, dépassant généralement le niveau de bruit des photons. Comme indiqué ci-dessus, avec une augmentation du temps d'accumulation d'un facteur de cent, le bruit des photons n'augmente que 10 fois et le signal de l'étoile augmentera presque proportionnellement, c'est-à-dire 100 fois également.

La principale conclusion de cet argument est que la capacité de l'élément photosensible est cruciale. Dans la plupart des cas, la capacité des photocellules des caméras domestiques ne dépasse pas 20000e, et les caméras à usage scientifique 100 000e.

La capacité de l'élément photo de la caméra VC1300HDR est déclarée en 2,4 millions d'électrons.
La capacité de l'élément photo de la caméra VS320 est d'environ 3,5 millions d'électrons.
La grande capacité rend ces caméras potentiellement adaptées à l'astronomie diurne.

Puisque le cher lecteur attend déjà les images, le texte sera plus petit.

Caméra à portée visible , résolution: 640x512, télescope Newton 200 mm, sans filtres, tout le traitement est effectué à l'intérieur de la caméra. Conditions de prise de vue: 8 février 2018, latitude 58'31 ', longitude 31'16, heure de 10h30 à 12 jours, toutes les prises de vue ont été réalisées en mode vidéo à 25 Hz.


Alpha Perseus (Mirfak), étoile = 1,8 m., Temps de prise de vue T = 11: 34


Gamma Perseus, 3,0 m, T = 11: 34


Delta Persée, 2,9 m, T = 10: 38


Psi Perseus, 4,3 m, T = 10: 38

Pour ceux qui veulent voir la vidéo source (sans coupures, compression et SMS)), liens: un et deux . Eh bien, la météo pendant le tournage ...





Appareil photo sur un télescope. Laissons les vrais astronomes nous le reprocher, mais il faisait très froid, alors nous avons tiré directement depuis le balcon, sans même ouvrir la fenêtre ... Brrrr ...)

Caméra proche infrarouge , VSM320, résolution 320x256, télescope Newton avec correcteur A = 114 mm, F = 1000 mm, sans filtres, tout le traitement est effectué à l'intérieur de la caméra. Conditions de prise de vue: 16 janvier 2018, latitude 58'31 ', longitude 31'16, temps de 14h00 à 16 jours, toutes les prises de vue ont été réalisées en mode vidéo à une fréquence de 25 Hz.


SAO75151 (Hamal alpha Bélier), 2 m, T = 14: 11. Vidéo


SAO55306, 3 m, T = 14:42. Vidéo


SAO38559 et SAO38551, 6 m et 6,9 m, T = 15: 32. Vidéo


SAO38890, SAO38937, SAO38917; 4,35 m, 6,6 m, 5,45 m (classe d'étoile bleue), T = 16: 03. Vidéo

Eh bien, la météo pendant le tournage ...



Ainsi, on peut noter que les caméras présentées font vraiment face à la tâche de détecter les étoiles pendant la journée et permettent des observations astronomiques pendant la journée même dans des conditions de forte exposition. Il convient de noter que la caméra proche infrarouge, malgré sa résolution inférieure et sa capacité photocellulaire légèrement plus grande, a une capacité de détection sensiblement meilleure, bien qu'elle soit meilleure pour les objets orange et rouges.

Maintenant, nous pouvons nous demander: pourquoi cela pourrait-il être nécessaire?

Eh bien, tout d'abord, si nécessaire, vous pouvez travailler pendant la journée sur les étoiles ou d'autres objets spatiaux et fournir leur accompagnement. Et d'autre part, il ouvre la possibilité de travailler sur des objets atmosphériques pendant la journée.

Voici quelques exemples uniques d'emplacements optiques capturés sur une caméra VC1300, champ de vision 12x10 degrés, fréquence d'images 25Hz (matériaux des archives 2014).


Emplacement optique, avions à longue portée à une distance de plus de 100 km (fréquence réduite, fréquence initiale 25 Hz). Les points noirs sont des oiseaux. Vidéo complète sur le lien .

Voici les données Flightradar:



Et la distance en Yandex:



Il est à noter: malgré le fait que les plans principaux semblent gros, le diamètre du fuselage ne dépasse pas 4 mètres. Cela à une distance de 100 km donne une image d'un avion beaucoup plus petite qu'un pixel (pour un angle de vue assez large, comme dans la vidéo).

Eh bien, un petit bonus pour ceux qui ont lu l'article jusqu'au bout =) est un autre exemple notable de localisation optique, déjà par les oiseaux (la fréquence d'images est réduite):


→ Lien vidéo

Et c'est aussi une volée d'oiseaux:



Nous espérons que cet article a été utile et a pu démontrer clairement les caractéristiques et les difficultés rencontrées par l'astronomie diurne, ainsi que nous avons pu démontrer l'utilisation d'outils vidéo uniques pour les tâches de localisation optique.

Je tiens à exprimer ma profonde gratitude aux collègues qui ont contribué à la collecte, au tournage et au traitement du matériel, ainsi qu'aux organisations qui ont fourni des caméras, du matériel d'archives et la permission de publier.

Lorsque vous utilisez ces documents, un lien vers cet article est requis.