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日志

 
 

城市光污染环境下的深空天体摄影  

2018-01-09 12:49:15|  分类: 天文观测与摄影 |  标签: |举报 |字号 订阅

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     ——原文发表在《天文爱好者》杂志2017年10月期 
     一般大型专业天文台都会修建在远离城镇的荒山上,除获得良好的视宁度外,更是为了避开人类活动产生的光污染。而对于业余天文爱好者来说,因为时间所限,不可能长期在野外观测。那么,在数字影像时代,能否在城镇里进行深空天体的摄影?答案是肯定的,不过付出的代价也是巨大的。
城市光污染环境下的深空天体摄影 - 韦大宝 - 韦大宝的光影星空
 远离城市的郊外环境是深空天体摄影的首选
      首先,如何评价一张深空天体数字影像的优劣?当然是看信噪比,也就是影像中被拍摄天体的信号与杂讯的比值,信噪比越高,拍摄的影像自然就越清晰,影像中能够解析出来的天体细节也就越多。实际上,在拍摄暗淡深空天体时,我们永远都是在同各种杂讯作斗争。那么,数字影像中的这些杂讯是从何而来的呢?一般来说,数字影像的杂讯主要来自三个方面:1、读出杂讯(读出噪声)、2、光子杂讯(光子噪声)、3、暗电流杂讯(热噪声),其中读出杂讯只与CCD/CMOS影像传感器和相关电路本身有关,对于一台特定的数字相机,每一次拍摄的读出杂讯是一个确定值。光子杂讯与影像传感器接收到的光子数量正相关,当传感器上的某一个像元产生N个光电子时,其光子噪声为N的1/2次方个电子。暗电流杂讯与拍摄时的环境温度、曝光时间正相关,温度越高、曝光时间越长,暗电流杂讯就越高。对于在深空天体摄影,一般大家都采用若干张影像叠加的处理方法,这样我们就可以得到叠加张数的1/2次方倍的单张信噪比的影像。显然,叠加的张数越多,信噪比就会越高。
      在强光污染的环境下能否获得较高的信噪比图像?答案是肯定的,不过这就需要付出代价,而这个代价就是累积更长的曝光时间。为什么这么说呢?
     首先,对于一幅深空天体影像来说,目标天体的曝光越充分,影像的信噪比肯定就越高。曝光充分的前提条件就是相机的数字影像传感器能够接收到更多来自目标天体的光子。要实现这一点有两条路可以走:一是使用大口径的天文望远镜,二是尽量延长拍摄时单张影像的曝光时间。对于特定口径的望远镜来说,必然选择后者。然而,在城镇强光污染环境下数字影像传感器接收到的不仅仅是来自目标天体的光子,更多的光子是来自天空反射的地面人造光源。数字影像传感器的特性决定了它不能无限度的接收光子。在达到一个极限值的时候接收再多的光子,读出的光电子数量将不会继续增加,这被称作“饱和”。在影像上的表现就是一片惨白。在城镇强光污染环境下,数字影像传感器接收到的所有光子中由天空背景产生的光子将会占有很大的比例,而来自目标天体的光子所占的比例就会很小。同时由于天空背景产生的光子数量巨大,也会使得数字影像传感器很快便进入“饱和”状态。因此我们不得不缩短曝光时间,这样的结果是每次曝光所能够接收到的来自目标天体的光子会变得更少。更糟糕的是由明亮的背景天光产生的“光子杂讯”将会非常严重,使得我们在城镇强光污染环境下拍摄的影像信噪比很低。
城市光污染环境下的深空天体摄影 - 韦大宝 - 韦大宝的光影星空
 上图可以明显看出,在市区光污染环境下拍摄的M16,出去星云中心较为明亮的部分信噪比尚可外,背景和暗部星云的信噪比严重劣化。
      另一方面,我们之前说过,“读出杂讯”在每次拍摄的影像中都会出现。由于在城镇强光污染环境下不得不缩短单张影像的曝光时间,那么当我们需要累积更多的曝光时间的时候就必须叠加更多的单张影像。这样带来的结果是“读出杂讯”随着叠加数量的增加而增加。这会使得我们为了提高信噪比而所作出努力事倍功半。
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 上图可以明显看出,由于使用的UHC光害滤镜,猎户座大星云外围和NGC1977的反射星云部分被严重的衰减了。
      综上所述,要想在光害严重的城镇中拍摄的深空天体影像获得足够的信噪比,一般认为需要十几倍甚至数十倍于郊野环境下的曝光时间。
    实际上,通过这样的分析我们也能够找到一些克服城镇强烈光污染的对策。由于光害而产生的光子杂讯是我们需要解决的问题,尽量减少这部分光子对提高信噪比是非常有效的。于是一款叫光害滤镜的产品便应运而生。针对城镇灯光的光谱特征,例如汞灯和钠灯,由于它们与某些天体的发射谱线完全不同(如发射星云、行星状星云和超新星遗迹),很容易通过设计镀膜使它们产生干涉而被滤除,这时传感器接收到的由光污染产生的光子数量就可以大大减少,最终提高了影像的信噪比。
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 EOS 300D在ISO800,180s曝光下,未使用UHC滤镜与使用UHC滤镜(右侧) 的对比
     另外还有一点是值得注意的。由于城市中大量汽车尾气导致的雾霾天气对于深空天体摄影来说是致命的。雾霾的存在不仅会削弱遥远的星光,更加会由于对地面人造光源的漫反射使得天空变得更加明亮(如上图)。如果没有这些雾霾的影响,即便不适用任何滤镜,拍摄类似于M42这类明亮的深空天体也能获得相当不错的效果。
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     上图同样拍摄于广州市区,但未使用任何滤镜。累计曝光也只有2小时。之所以能有如此效果,得益于当晚强冷空气过境带来的异常通透的晴朗天气。
    目前,随着城镇照明装置的不断更新,连续光谱的照明设备被大量应用(如LED灯),光害滤镜的效果也越来越差。除此之外,还有相当多的一部分深空天体,它们本身发射的光谱就是连续的(如河外星系和反射星云),对于这些目标,使用滤镜也会滤除天体发出的光,使得传感器接收到来自天体的光子数量也相应减少,也就无法达到提高影像信噪比的目的。因此,就目前的情况来看,即便使用光害滤镜,在城镇光污染环境下拍摄深空天体的效果也不是特别理想。

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