Stjernekalibrering

I Norsk kameranettverk arbeider vi med å etablere et nasjonalt nettverk av kameraer som overvåker himmelen. Den nødvendige teknologien har nå blitt forbrukervare, men det knytter seg noen tekniske utfordringer til å utnytte teknologien til vår bruk. Presise beregninger av meteorenes ferd gjennom lufta avhenger av at kameraene gir presise koordinater for hvor meteorene krysser himmelen. Til dette må kameraets retning og linsas geometri og forvrengning være nøyaktig kjent.

I det siste tida har jeg forsøkt å automatisere denne kalibreringsprosessen som ikke bare vil spare tid, men også gi bedre nøyaktighet enn manuell kalibrering. Stjernene er til god hjelp for denne kalibreringa. Ved å studere bilder fra kameraet, kan stjerner identifiseres, og stjernenes posisjoner kan beregnes gitt tidspunktet og kameraets geografiske posisjon. Ved å finne stjerner over en stor del av bildet og beregne deres posisjoner, kan en sammenheng mellom posisjon i bildet og himmelposisjon (asimut og høgde) beregnes. Kameraene som vi bruker, har som regel fiskeøyeprojeksjon, og vi kan få en direkte sammenheng mellom x- og y-posisjoner i bildet ved å reprojisere over til en ekvirektangulær projeksjon. Men vi må altså kjenne kameraets nøyaktige retning og rotasjon, og dessuten er ingen linser prefekte og forvrengninger må korrigeres for.

Ved hjelp av verktøy som ffmpeg, ImageMagick og egenskrevne C-program for finne svake stjerner i videoer klarer jeg å finne stjerner ned til magnitude 4 i videoopptak fra kameraene som står i Oslo. Lengste tillate eksponering med disse kameraene er bare 1/5 sekund, så det er helt nødvendig å analysere mange bilderammer for å finne de svakeste stjernene. Når flest mulig stjerner er funnet, må de identifiseres, slik at deres posisjoner på himmelen kan beregnes. Til dette bruker jeg astrometry.net. Astrometry.net virker imidlertid ikke på fiskeøyeprojeksjoner og virker generelt dårlig på vidvinkelbilder, så bildene må reprojiseres og astrometry.net må løse et smalere felt om gangen.

Videoen under viser resultatet av automatiske kalibreringer gjort av kameraene i Oslo. Gjennomsnittlig feil ligger på ca. 3 bueminutt. Det meste av bildet har denne nøyaktigheten eller bedre, men feilen ut mot hjørnene er en del større. 3 bueminutt gir en usikkerhet på 175 meter på et objekt 200 km unna, som er et godt resultat. I praksis vil “dark flight” da utgjøre en større usikkerhet. Vær og vind kan blåse meteorer flere kilometer bort fra banen som kan beregnes ut fra den lysende delen av ferda, og sjøl om dette modelleres ut fra værsituasjonen, må vi regne med en usikkerhet på noen hundre meter som ei nedre grense for hvor presist vi kan beregne et nedfallsområde for meteoritter. Et typisk søkeområde kan kunne snevres inn til 0,5 × 10 km, som vil gi realistiske muligheter for funn også i det generelt vanskelige norske terrenget.

Se videoen på full skjerm for å se detaljer.

4 thoughts on “Stjernekalibrering

  1. Interessant automatisering, nesten utrolig om det ikke finnes automatisert programvare for dette fra før. Astronomer verden over er så vidt jeg vet ivrige på å dele kildekoden sin med andre.

    Hvorfor benyttes som regel fisheye? Er det bare fordi det er en billig måte å dekke mest mulig på, sammenlignet med mange kameraer med snevrere synsvinkel? Snevrere synsvinkler forenkler optikken en hel del og gjør det mye lettere å lage optikk med stor blenderåpning.

    Hvilke muligheter finnes for å observere meteoritter i dark flight? Triangulering av infralyd vet jeg om, men kan fotografering i IR-spekteret hjelpe?

    • Jeg har forsøkt å unngå å finne opp hjulet på nytt og brukt et glimrende verktøy som nesten gjør hele jobben: astrometry.net

      Men som nevnt, fungerer astrometry.net ikke på vide fiskeøyeprojeksjoner. Det er tross alt ganske utypisk for astronomi. Teleskopbilder er langt vanligere og projeksjonen spiller da ei langt mindre rolle. Til å reprojisere har jeg brukt Hugin/panotools.

      Ved å dele opp i mindre felt var jeg imidlertid avhengig av å ha ganske mange stjerner, som er ei utfordring når kameraene bare tillater eksponeringstider inntil 1/5 sekund. Så her måtte en del bildeanalyse til for å framheve stjernene og ikke minst gjøre temporære analyser basert på at stjernene beveger seg og skulle svake stjerner være helt borte i støyen i noen minutt, kan jeg likevel finne dem igjen ved å gjette på hvor de bør dukke opp og samtidig få en bekreftelse på at det faktisk er ei stjerne. Slik kunne jeg finne stjerner helt ned til størrelse 4,1. Slike analyser gjorde resultatet fra astrometry.net også mer robust. Feilidentifiseringer vil oppdages om det blir konflikt mellom identifiseringene på ett tidspunkt og et annet tidspunkt.

      Fiskeøye brukes for å fange opp et stort felt. Tradisjonelle ekvilineære linser gir ekstrem forvrengning mot hjørnene når feltet er stort, og er dermed lite praktisk. Lite praktisk er også smalere felt, for det ville kreve veldig mange kameraer for å dekke hele himmelen. Så ja, vi kan kalle det en billig (og praktisk) måte å dekke mest mulig på.

      Mulighetene for å observere meteorer i dark flight er antakelig små. Kameraene som jeg bruker, har et IR-filter som kan skrus av og på. Så langt jeg kan bedømme, gir IR-bilder bare marginale forbedringer på følsomheten. Ulempen med bilder i IR er at fargene blir vanskelig å tolke. For øyeblikket er kameraene satt opp med IR-filteret på, men det er ikke utenkelig at jeg går tilbake til å ikke ha IR-filter på om natta.

      • Takk for grundig tilbakemelding.

        Tanken bak IR var ikke å fjerne IR filteret fra vanlige sensorer optimalisert for synlig lys. De fanger opp veldig lite i IR-spekteret. Jeg tenkte på dedikerte IR-kamera (1-30 mikrometer), gjerne i kombinasjon med vanlige kamera for å fange opp ettergløden vesentlig lengre enn det synlig lys kameraer klarer. Om jeg har forstått rett er de fleste meteoritter temperert som lufta når de treffer bakken, mens det synlige lyset opphører ca 80 km over bakken. Siden varmetapet fra varmestråling synker dramatisk med temperaturen (T⁴) tenker jeg at IR kan forlenge deteksjonen til godt under 80 km. Jeg har sett filming med termiske IR-kamera utendørs der stjernehimmelen er veldig tydelig så det burde gå an å mappe meteor-stripen mot stjernebakgrunnen.

        Noen ulemper finnes selvsagt. Termiske IR-kamera er dyrt og antall piksler er lavt av fysiske grunner (bølgelengde og diffraksjon). Utvalget og kvalitet på optikk er også dårlige enn det vi har for synlig lys. Jeg er usikker på om det finnes fisheye for termisk IR.

        • Meteorer bør være godt synlige ned til under 30 km for at det skal være særlige muligheter for meteoritter. Often slokner de visuelt mellom 20-25 km. De har da enda en hastighet på flere km i sekundet og det er mulig at dette kan fanges opp av kameraer som du nevner mens det i synlig lys ikke er noe. Men øverst i troposfæren vil hastigheten bremses opp til under lydhastigheten og det vil være lite varme og i praksis umulig å fotografere noe i det siste minuttet av fallet, dvs størstedelen av fallet. Meteoritter er ikke spesielt varme idet de treffer bakken, likevel lit varmere enn omgivelsene slik at et varmekamera vil kunne se varmen, men ikke på mange kilometers avstand. Det er varmen som genereres rundt meteoren mens det enda har en fart på flere km i sekundet som er mest synlig, og jeg tipper at farten blir for lav mellom 10-15 km til at noe er synlig i IR, og enda skal den falle og blåse med vinden i et minutt eller mer.

          Det hadde naturligvis vært meget interessant å se hvor langt ned meteorer kunne følges med spesialiserte IR-kameraer, men antakelig er dette ikke forenelig med et amatørbudsjett. Antakelig ville det heller ikke hjelpe så mye i å snevre inn et søkeområde, men det ville kunne gi en god indikator på om noe har overlevd som meteoritter.

Comments are closed.