DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

IoT 2年前 (2022) admin
336 0 0
DIY流星观测站是一个开源的流星观测项目,旨在为广大流星爱好者(天文爱好者)提供一个可实践的科普平台,引导大家手动打造一个属于自己的流星观测站。该项目面向市场上成熟的廉价硬件器材进行设计,如使用通用的工业相机和镜头组装流星观测望远镜,使用树莓派(Raspberry Pi 3,RPi3)进行流星观测数据的处理和存储。其原型是国外流星研究机构CMN开发的流星自动观测软件,现阶段该项目与CMN的最新版本同步,将来会对该项目进行本地化定制。软件一直在升级当中,热烈欢迎bug反馈。

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

上图所示,为GWAC项目观测到的火流星图像,GWAC项目是国家天文台空间科学部设计的超大视场光学巡天相机阵,其每天可观测到几百颗流星。该流星观测站与GWAC项目原理类似,都是通过望远镜来观测光学波段的目标,但是该流星观测站现在的性能指标与GWAC相比相差十万八千里。希望有志同道合的小伙伴一起合作,共同推进该项目,期待在不远的将来咋们这个项目也能每天拍到很多很多流星。
QQ交流群:137357505,进群问题的答案是该项目的gitee项目名称DIY-MeteorStation。
https://gitee.com/mseeworld/DIY-MeteorStation

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

01 DIY流星观测站

02 DIY流星观测站——手把手搭建指南

03 DIY流星观测站——设备选型与采购

04 DIY流星观测站——镜头简介

05 DIY流星观测站——相机简介


一、项目背景

1,重温小时候的点滴:夏天的时候,晚上洗完澡,躺在平房上数星星,时不时一颗流星一闪而过,赶紧许个愿:希望明天不上课,和小伙伴们一起去戳鸟窝。转眼间二十多年过去了,现在城市上班,晚上走在路上,已经习惯了抬头一偏灰蒙蒙的天空,甚至已经忘了要抬头看天了。我们滑过的流星、眨眼的星星、唱歌的鸡,捉老鼠的中华田园犬、翱翔的鸟、呱呱的青蛙等等等都去哪儿了?既然在城市里看不到流星(星星),那能否通过现在的技术手段帮助我们看到流星?


2,水深火热的中国中小学教育:幼儿园小学化、小学初中化、初中高中化,孩子们有着数不完的作业和补习班。孩子们的童年生活已然失去了接触色彩缤纷的自然世界的机会,突然觉得我们的儿时时光还是挺幸福的!话说回来,既然我们无法改变孩子们现在的应试现状,那我们能否让孩子享受现在的科技红利?通过市场上成熟的工业产品组装一套流星观测设备,让孩子们体验动手组装望远镜乐趣的同时,也可以通过设备近距离观测星空,体验科学探索宇宙奥秘的乐趣。


3,国内科普教育:国内公益组织一片星空在天文科普教育上做的非常好,该组织经常在北京的中小学校和社区举办天文科普活动,利用天文科普观测设备帮助学生们近距离接触星空。但是公益科普组织的力量毕竟是有限的,只能照顾到极少数人群。如何让更多的人(尤其是学生群体)近距离接触星空,探索大自然的奥秘,是我们大家都应该关注并思考的问题。

02 DIY流星观测站——手把手搭建指南

该项目聚焦流星观测,让大家能看到流星,能详细测量流星的物理参数(如速度,质量,甚至物质组成),甚至能推测流星的来源。
DIY观测站-可以做成卫星观察站思路
1,DIY便携式流星观测站:面向动手能力强,有一定计算机基础的天文爱好者。使用开源流星观测软件、超小型移动计算机(如树莓派,Raspberry Pi,RPi)和商用监控摄像头设计便携式流星观测站,这样任何人可以将设备放在自己家屋顶,在屋里躺在床上检测流星的观测结果。


2,公共流星观测站:在郊区或偏远山区(夜天光少,晴天多)设置一个自主化流星观测站点,将站点的视频流实时发布到网上,这样大家可以在网上看到实时的星空了。选址方案:1)自家屋顶:个人感觉农村老家比较适合:有宽带支持,家用电,维护方便;2)官方支持:寻求与国家天文台合作,在国家天文台的野外观测站放置一个流星观测设备。


当前软件功能如下

1.自动拍摄视频:自动从黄昏开始运行,在黎明结束运行。一年四季的黄昏和黎明时间是不一样的,所以每天的开始和结束时间并不相同。
2.图像压缩算法:将连续的256帧图像压缩为4帧图像,详细压缩算法请参考论文(Jenniskens et al., 2011 CAMS)。
3.实时探测火流星。
4.从压缩文件中探测流星。
5.从压缩文件中提取恒星目标。
6.天文位置和测光定标。
7.对每天晚上的结果自动重新进行天文位置定标。
8.自动上传结果到中心服务器,如果指定了中心服务器,并开启了该功能。
9.手动检查火流星和流星。

软硬件需求

该指南面向有Linux和树莓派使用经验的用户。新手请尽量按照下面的步骤依次进行操作。

树莓派

树莓派(RPi3):观测站采用树莓派3进行流星数据处理。
存储卡:新买的树莓派默认不带存储卡,需要自己配置一个。观测站在运行时每天晚上会产生几GB的数据,为了能存储至少一个星期的数据,最好能为树莓派准备一个大于等于64GB的microSD存储卡。
电源:电源规格为5V,最大电流至少为2.5A。使用稳定的电源,会减少后面运行时莫名其妙的故障。尤其是在冬天低温天气观测时,稳定的电源能保证系统的正常运行。
散热风扇和散热片:夏天时需要。
实时时钟模块:树莓派电脑本身不带电池,每次断电后,系统的时间会丢失。如果树莓派一直连接在网络上,可以设置系统自动同步网络时钟。如果树莓派不在网络上,就需要为树莓派电脑增加一个实时时钟模块(DS3231带电池),该模块可以保持电脑在关机后时间不丢失。具体设置过程请参考Guides/rpi3_rtc_setup.md。

相机

系统早期版本基于模拟相机进行开发,因而对模拟相机的支持比较完备。数字相机的支持正在测试当中,敬请期待。

1. 相机:系统测试相机为Sony Effio 673 CCTV相机,该相机使用12V的电源供电。

2. 镜头:系统测试镜头为4或6毫秒焦距的广角镜头。4毫米的镜头视场大约为64*48度,6毫米的镜头视场比4毫米的稍小。如果镜头上有近红外滤光片( IR-cut filter),最好去掉该滤光片。

3. 数字视频采集卡:将相机产生的模拟视频信号数字化,以便树莓派处理。系统选用EasyCap UTV007采集卡,该采集卡为USB采集卡,可直接接在树莓派上。我们测试了多种型号的采集卡,发现UTV007与树莓派的兼容性最好。


软件依赖

项目中树莓派3选择Raspbian Jessie操作系统,详细安装教程请参考树莓派安装。

https://www.raspberrypi.org/documentation/installation/installing-images/


树莓派上的软件依赖包

git

mplayer

Python2.7 or Python 3.5

python2.7-dev or python3-dev

libblas-dev liblapack-dev

libffi-dev libssl-dev

Python libraries:

gitpython
astropy
OpenCV 3 for Python
PIL (i.e. python-imaging-tk)
numpy (1.14.0 or later)
scipy (1.0.0 or later)
matplotlib (2.0.0 or later)
cython (0.25.2 or later)
pyephem (3.7.6.0 or later)
paramiko
所有的python依赖包,会在运行setup.py时自动安装。如果想使用IP相机,则需要安装一个兼容gstreamer的OpenCV包,请参考opencv3_install.sh。


软件设置

设置时区为UTC:UTC为天文领域通用时间格式。在不同地区和国家之间合作交流时,UTC时间会非常方便。


开启watchdog服务:watchdog服务可定时检查树莓派电脑是否工作正常或死机,如果它发现树莓派宕机了,会重启树莓派电脑。详细设置请参考:Guides/enabling_watchdog.md。


下载代码

git clone https://gitee.com/mseeworld/DIY-MeteorStation.git


安装代码

在RMS目录下运行:  sudo python setup.py install

设置视频编码格式(仅针对模拟相机)

在连接好EasyCap数字视频采集卡之后,我们需要检查视频设置是否正常。


NTSC制式的相机(北美地区)

在命令行中运行:

mplayer tv:// -tv driver=v4l2:device=/dev/video0:input=0:norm=NTSC

PAL制式的相机(欧盟地区)

首先在命令行中运行:

mplayer tv:// -vo null

几秒钟之后,按Ctrl+C杀掉进程,然后在运行命令:

mplayer tv:// -tv driver=v4l2:device=/dev/video0:input=0:norm=PAL

编辑配置文件:

开始运行前,首先需要对配置文件.config进行本地化设置:

[System]

Station ID

观测站的唯一编号,可以随便取一个3位数数字。


GPS location

观测站所在位置的经纬度坐标,该坐标用来自动计算每天的黄昏和黎明时间,用于控制系统的开始和结束运行时间。经纬多坐标可以通过手机的GPS软件查询,也可以通过百度等网站查询:百度页面查询经纬度。


[Capture]

Resolution and FPS

对不同的相机,需要正确设置相机的分辨率和帧频。对模拟相机可参考下表。


参数PALNTSC

相机宽720720

图像高576480

帧频25.029.97

运行代码

开始自动观测流星

在RMS目录下运行命令

python -m RMS.StartCapture

程序会自动每天在日落时开始运行,在日出时结束运行。

如果需要立即运行程序,可添加参数 -d HH.hh,HH.hh代码需要运行的小时数

python -m RMS.StartCapture -d 1.5

查看压缩视频文件

运行CMN_binViewer可以查看硬盘上的压缩视频文件。


查看火流星文件:

python -m Utils.FRbinViewer ~/RMS_data/YYYMMDD_hhmmss_uuuuuu

YYYMMDD_hhmmss_uuuuuu是每个观测夜的目录名


恒星提取和流星探测

如果想要历史记录图像进行重新处理,如恒星提取和流星探测,可以运行命令:

python -m RMS.DetectStarsAndMeteors ~/RMS_data/YYYMMDD_hhmmss_uuuuuu

该命令会处理一个观测夜目录(YYYMMDD_hhmmss_uuuuuu)中所有的数据,需要运行一段时间。运行完成后,会产生一个名为CALSTARS 的结果目录。


03 DIY流星观测站——设备选型与采购

1 相关配件

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

1.1 必须器材列表

树莓派电脑:Raspberry Pi 3(RPi3)

树莓派电源:电压5V,最大电流至少2A

microSD卡:大于等于64GB,树莓派的系统盘,U盘不能作为系统盘。

microSD读卡器:向microSD卡中安装树莓派操作系统,读取microSD卡的数据,从树莓派拷贝数据。

3厘米×3厘米风扇:树莓派散热风扇。

铝合金散热片:一共需要3个。树莓派散热片,选择有粘胶的,可以直接贴在树莓派的芯片上。

时间模块:DS3231时间模块,树莓派关机后,可保存树莓派的时间。

USB视频采集卡(UTV007):将模拟相机的模拟视频信号转换为数字信号。

模拟相机:Sony673相机或WATEC WAT-902H相机,配置一个4mm或6mm的镜头。其他镜头也行,观测效果会略有不同。

12伏电源:模拟相机电压一般为12V。

HDMI线:树莓派视频输出接口为HDMI接口,如果显示器不支持HDMI接口,则需要配置一个HDMI转VGA接口的线。

1.2 可选器材列表

万用表:检验新买回的电源的电压是否正常,相机组装及故障时也会需要。

电烙铁、锡丝、夹子、绝缘胶带、松香:电子产品DIY必备物品。

相机板镜头接口:如果直接购买相机板,则需要在购买配套的镜头接口。

相机盒:网上买的工业相机,有时候没有相机盒。

AUTO IRIS接口:自动光圈控制线接口。不同的品牌和型号之间,自动光圈接口中4根线的对应位置会有所差异,或许需要手动调整接线。

AV延长线:延长模拟相机的视频输出线。

C/CS转接口:工业相机和镜头有C接口和CS接口之分,用于转接不匹配的相机和镜头。

USB延长线:USB视频采集卡的USB线偏短,接上延长线后方便操作。

三脚架:测试时放置相机。

2 DIY流星观测站硬件组装

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

所需器材列表:树莓派电脑(RPi3),5V树莓派电源,microSD卡,microSD读卡器,一个3厘米*3厘米风扇,3个铝合金散热片,一个DS3231时间模块


2.1 安装Raspbian操作系统

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

在树莓派官网下载最新版Raspbian镜像,通过microSD卡读卡器将Raspbian镜像安装到microSD上,详细的安装过程请参考官网教程Raspbian安装


2.2 安装散热片


将CPU和GPU的正反两面各粘一个散热片

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

2.3 安装树莓派保护壳:


上面两幅图是网上最便宜的“亚克力”保护壳,其实就是硬塑料,这种保护壳比较脆,在调试时需要频繁拆开外壳时,会非常不方便。左下角是另一种外壳,相对来说比较结实方便,右下角为安装好外壳的树莓派。

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

2.4 安装DS3231时间模块和风扇


DS3231时间模块应该插在靠里一排GPIO的前四个引脚上,如上图左图所示。

风扇接口应该插在靠外一排GPIO的第2和3个引脚上,如上图右图所示。

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

2.5 树莓派连接电脑

所需器材列表:

– 显示器:查看显示器是否有HDMI、DVI或VGA接口

– 视频线:HDMI线、HDMI转VGA线、或HDMI转DVI线,取决于显示器的视频输入接口

– USB鼠标和键盘:树莓派一共4个USB接口,测试时或许会不够用,使用USB键鼠套装可以省一个USB接口。

– 网线:更新系统,安装软件

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

2.6 连接模拟相机(数字相机的支持正在研发当中)

所需器材列表:USB视频采集卡(UTV007),Sony673相机或WATEC WAT-902H相机,12V电源,两公头AV线。

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

取一根两端都是公头的AV线,一段接在相机的视频输出接口(AV母头),另一端接在USB视频采集卡(UTV007)的黄色视频输入母头。


2.7 联机测试

将相机和树莓派电脑连接起来,测试电脑是否能从相机正常采集图像。

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

打开终端(可通过快捷方式Crtl+Alt+T打开),安装mplayer:

sudo apt-get install mplayer

通过mplayer可以预览相机的视频,如果是NTSC相机,则在命令行运行:

mplayer tv:// -tv driver=v4l2:device=/dev/video0:input=0:norm=NTSC -vo x11

如果是PAL相机,则在命令行运行:

mplayer tv:// -tv driver=v4l2:device=/dev/video0:input=0:norm=PAL -vo x11

请注意,上面两条命令中的“driver=v4l2”,“l”是小写的L。

如果一切正常,将会弹出一个窗口,窗口中会显示相机拍摄的视频。如果没有看到视频,请检查前面的步骤。


3 安装流星观测软件

3.1 安装相关依赖包

更新系统和系统中的软件包:

sudo apt-get update

sudo apt-get upgrade

安装流星观测软件的依赖包:

sudo apt-get install git mplayer python-scipy python-matplotlib python2.7 python2.7-dev libblas-dev liblapack-dev at-spi2-core python-matplotlib libopencv-dev python-opencv python-imaging-tk libffi-dev libssl-dev

安装图形化文本编辑器:

sudo apt-get install gedit

安装python环境

更新pip

sudo pip install -U pip setuptools

安装并更新numpy

sudo pip install numpy

sudo pip –upgrade numpy


安装其他python依赖包:

sudo pip install gitpython Pillow scipy cython astropy pyephem weave paramiko


3.2 设置时区和时钟模块

在天文领域,时间是非常重要的一个属性。我们观测的每一幅图像都需要有一个准确的时间标识,这样才能准确计算天文事件(如流星、引力波)的发生时间。


3.2.1 将树莓派的时区设置为UTC,在命令行中运行:

sudo dpkg-reconfigure tzdata

该命令会打开一个界面,选择“None of the above” ,然后选择“UTC”,之后退出。


3.2.2 设置时间模块

前面我们已经为树莓派添加了时间模块硬件,这里对时间模块进行设置,在树莓派关机后,时间模块能够保持系统的时间。

编辑文件/boot/config.txt:

sudo gedit /boot/config.txt

dtparam=i2c_arm=on

dtoverlay=i2c-rtc,ds3231

保存后关闭gedit,重启树莓派:

sudo reboot


3.2.3 移除伪时间模块fake-hwclock

sudo apt-get remove fake-hwclock

sudo update-rc.d hwclock.sh enable

sudo update-rc.d fake-hwclock remove


注释掉文件/lib/udev/hwclock-set的有-systz的那一行:

sudo gedit /lib/udev/hwclock-set

在“有-systz的那一行”前面加上“#”


3.2.4 将当前时间写入到时间模块中,并删除NTP服务:

sudo hwclock -w

sudo apt-get remove ntp

sudo apt-get install ntpdate


3.2.5 开机自动设置时间:

编辑/etc/rc.local,在exit 0前添加hwclock相关的命令

sudo gedit /etc/rc.local

sleep 1

hwclock -s

ntpdate-debian

exit 0


3.2.6 阻止系统自动修改时间

编辑/etc/default/hwclock文件,设置参数HWCLOCKACCESS=no

gedit /etc/default/hwclock

HWCLOCKACCESS=no


3.2.7 关闭自动更新时间的功能

在/lib/systemd/system/hwclock-save.service中注释掉下一行:

ConditionFileIsExecutable=!/usr/sbin/ntpd

gedit /lib/systemd/system/hwclock-save.service

#ConditionFileIsExecutable=!/usr/sbin/ntpd


3.2.8 开启实时时间服务:

sudo systemctl enable hwclock-save.service

设置每15分钟更新一次时间,运行命令:

crontab -e

然后选择一个文本编辑器,在文件的最后面增加下面的内容:

*/15 * * * * ntpdate-debian >/dev/null 2>&1

然后重启系统


3.3 开启看门狗(watchdog)服务

有时候树莓派电脑会莫名其妙的死掉,通过看门狗服务可以在电脑死机后自动重启电脑。


3.3.1 安装看门狗服务

sudo apt-get install watchdog


3.3.2 加载看门狗模块

sudo modprobe bcm2835_wdt


3.3.3 自动加载模块

sudo gedit /etc/modules-load.d/bcm2835_wdt.conf

添加内容:

bcm2835_wdt

sudo gedit /lib/systemd/system/watchdog.service

在[Install]部分添加如下内容:

[Install]

WantedBy=multi-user.target


3.3.4 配置看门狗服务:

sudo gedit /etc/watchdog.conf

删除掉“#watchdog-device”开头的行的前面的“#”

同时也删除掉“#max-load-1 = 24”前面的“#”


3.3.5 设置看门狗服务为开机自启动并启动看门狗

sudo systemctl enable watchdog.service

sudo systemctl start watchdog.service


3.4 安装流星观测软件

3.4.1下载软件源代码(默认将源码下载到用户根目录):

cd ~

git clone “https://gitee.com/mseeworld/DIY-MeteorStation.git”


3.4.2 安装流星观测软件:

cd DIY-MeteorStation

sudo python setup.py install


3.4.3 编辑观测软件的配置文件.config

sudo gedit DIY-MeteorStation/.config

[System]

Station ID

观测站的唯一编号,可以随便取一个3位数数字。

GPS location

观测站所在位置的经纬度坐标,该坐标用来自动计算每天的黄昏和黎明时间,用于控制系统的开始和结束运行时间。

经纬多坐标可以通过手机的GPS软件查询,也可以通过百度等网站查询:[百度页面查询经纬度](http://api.map.baidu.com/lbsapi/getpoint/index.html)。

[Capture]

Resolution and FPS

对不同的相机,需要正确设置相机的分辨率和帧频。对模拟相机可参考下表。

| 参数   | PAL | NTSC |

|——–|—–|——|

| 相机宽 |720  |720   |

| 图像高 |576  |480   |

| 帧频   |25.0 |29.97 |


修改完成后,保存并退出gedit文本编辑器。


3.5 配置模拟相机(Sony673)

将相机和树莓派连接上,打开树莓派电脑,运行mplayer,进行相机参数的配置。

打开终端,如果是NTSC相机,运行如下命令:

mplayer tv:// -tv driver=v4l2:device=/dev/video0:input=0:norm=NTSC -vo x11

如果是PAL相机,运行如下命令:

mplayer tv:// -tv driver=v4l2:device=/dev/video0:input=0:norm=PAL -vo x11

现在可以通过mplayer看到相机的内容,按相机中间的“SET”按钮,会出现配置菜单。

详细参数配置请参考DIY-MeteorStation/Guides/icx673_settings.txt文件,或者参考设置步骤:

LENS – MANUAL

SHUTTER/AGC – MANUAL (ENTER)

             MODE – SHT+AGC

             SHUTTER – 1/50

             AGC – 18

WHITE BALLANCE – ANTI CR

BACKLIGHT – OFF

PICT ADJUSTMENT (ENTER)

          MIRROR – OFF

          BRIGHTNESS – 0

          CONTRAST – 255

          SHARPNESS – 0

          HUE – 128

          GAIN – 128

          DEFOGG – OFF

ATR – OFF

MOTION DETECTION – OFF

………

Press NEXT

………

PRIVACY – OFF

DAY/NIGHT – B/W (OFF,OFF,-,-)

NR (ENTER)

      NR MODE – OFF

      Y LEVEL – –

      C LEVEL – –

CAM ID – OFF

SYNC – INT

LANG – ENG

………

SAVE ALL

EXIT



该参数适用于Sony673相机在夜晚观测流星时的情景,如果图像太暗,看不到任何星星,可以设置AGC=24。

如果mplayer显示一片绿,可以尝试在终端命令行中多次执行:

sudo killall mplayer


4 运行流星观测软件

4.1 测试运行0.1小时(6分钟)

python -m RMS.StartCapture -d 0.1

如果一切正常,会看到一个全白的窗口,在这个窗口的最上面会有一行显示“Maxpixel”。如果没有出现窗口,请参考下一节的“4.3常见故障”。


4.2 正式运行

python -m RMS.StartCapture

程序会自动每天在日落时开始运行,在日出时结束运行。

数据会保存在目录:/home/pi/RMS_data/CapturedFiles

观测到的流星目录:/home/pi/RMS_data/ArchivedFiles


4.3 常见故障

1) 有时候一些设备没有出现“Maxpixel”窗口,如果同时在日志文件中看到如下错误信息:

(StartCapture.py:14244): Gtk-ERROR **: GTK+ 2.x symbols detected. Using GTK+ 2.x and GTK+ 3 in the same process is not supported

可能是缺少pyqt4-dev-tools库,安装该库:

sudo apt-get install pyqt4-dev-tools


然后通过如下步骤解决该问题:


python

import matplotlib

matplotlib.matplotlib_fname()

这时会打印出matplotlib包的配置文件路径“file_location”,编辑该文件:

sudo gedit “file_location”


将行

backend      : gtk3agg

替换为

backend      : Qt4Agg

并删除行

#backend.qt4 : PyQt4

前的注释

然后保存并退出。


2)Astropy库安装失败

报错:

ImportError: No module named _build_utils.apple_accelerate

或许是因为numpy的版本太老,运行下面命令更新numpy:

sudo pip –upgrade numpy


之后需要按照3.1从新安装相关的软件包。


5 运行结果


流星观测站观测到的流星图像。


04 DIY流星观测站——镜头简介

镜头

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路


编号 品牌 型号 焦距 光圈 靶面 1 / 3”视场角(D×H× V )/水平视角(度)
1 康标达(Computar ) H0514-MP 5mm F1.4 1/2” 62.3 × 51.4 × 39.5(51.4)
2 康标达(Computar ) T3Z2710CS 2.7-8mm F1.0 1/3” 100 × 76(100~36.1)
3 佳能(CANON) 未知 35mm F1.2 1/2” 未知
4 康标达(Computar ) 未知 4.8mm F1.8 1/2” 未知
6 康标达(Computar ) TG2314FCS-3 2.3mm F1.4-360C 1/3” -113.3
8 康标达(Computar ) 未知 6mm F1.4 1/2” 未知




相机

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路


编号 型号 芯片尺寸 最低照度 信噪比 分辨率 曝光时间 接口
1 SONY CCD 4140+673 1/3” 0.0001LUX/F1.2 48dB PAL: 976H×582V 1/50 – 1/100000 秒 AV
2 镁光AR0130 0.01Lux 1/3’ 44dB 1280×960 MJPEG@15fps,  YUY2@9fps USB(UVC)
3 WATEC WAT-902H 1/2’ 0.002 lx. F1.4 (AGC  Low), 0.0003 lx. F1.4 (AGC High) 46dB(AGC OFF) 752(H)×582(V) (CCIR) 1/50 – 1/100000 秒 AV
4 Sony IMX 322 1/2.9” 0.01LUX 42dB 1920*1080 MJPG@30fps USB(UVC)
镜头出现至今已经有几百年的历史,种类繁多,令人眼花缭乱。作者对镜头的理解属于皮毛中的皮毛,这里对我给“DIY流星观测站”配置镜头过程中碰到的知识点进行总结,难免有理解不正确的,还请指正。


关于镜头的几个问题

最小光圈值和焦比的关系?

有什么方式能够将单反(佳能等)的全画幅或半画幅镜头转接到工业相机(1/2.7”等),同时保持实际的成像视场不变(和单反的成像视场一样大)?
如果2)很难完成,有大口径(比如单反镜头,口径20毫米到80毫米之间)的C或CS接口的工业镜头吗?

根据个人视角,将镜头分为3类

单反镜头:现在知名度最高,在某宝上搜镜头,出现的基本都是单反镜头。单反镜头工业成熟,精度比较高,物美价廉。有效通光口径一般在1到10厘米之间。

工业镜头:需求量最大,出货量最多,价格低廉。监控摄像头、车载仪、手机、直播等用到的镜头都可归类为工业镜头。有效通光口径一般在1到10毫米之间。这类镜头在某宝上也有不少,其中一手货大部分是国产的,国外的如computar等基本都是二手的。经测试,许多国产的镜头成像质量不是很好,二手的computar表现还不错。

天文专业镜头:使用量非常少,基本都是定制的,而且非常贵。在天文领域被称作光学系统(有主镜、副镜之称),大部分天文望远镜的“镜头”都非常大,光学结构由折射式变为反射式,等等等。有效通光口径在几十厘米到几十米之间,如兴隆观测站的30厘米、60厘米、85厘米、216厘米口径的望远镜,夏威夷在建的30米口径的光学望远镜。我就不在这儿王二卖瓜了,如果感兴趣自己去学习吧。

工业镜头术语(焦比,口径,焦距,视场大小)

1,焦距

照相机的镜头是一组透镜,可以把这组透镜理解为一个单体透镜。当平行于主光轴的光线穿过这组透镜时,会聚到一点上,这个点叫做焦点,焦点到透镜中心(即光心)的距离,就称为焦距。焦距固定的镜头,即定焦镜头;焦距可以调节变化的镜头,就是变焦镜头。镜头焦距是镜头的主要性能指标,它的长短决定着拍摄的成像大小,视场角大小,景深大小和画面的透视强弱。镜头上标注的多少mm,既不是镜头长度也不是镜头直径,是指焦距。如果是变焦镜头,那么就是两个数据构成的一个区间。

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

2,焦距与视场大小

下面三幅图源自某宝上某商家对镜头的介绍,个人感觉这几幅图直观的展示了焦距的意义:第一幅图展示了长焦和短焦镜头的区别:在相机感光器(CCD或CMOS芯片)的大小固定时,焦距越短看到的视角(视场)越大,但是看到的细节越少。第二幅图在第一幅图的基础上展示了不同焦距与其对应的视角大小。第三幅图对应第二幅图中不同焦距的实际成像效果。

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

3,光圈

光圈由镜头内部的若干块叶片组成,这些叶片围成一个圈,用来控制镜头的通光量。光圈值定义:镜头焦距与光圈叶片所组成的圈的直径(也就是光圈大小)的比值。例如,当镜头焦距为50mm,光圈直径为35mm的时候,光圈值就是1.4。通常光圈值由f值来代替。通过下图可以直观的看到不同光圈值对应的开度。

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

该图片摘自网上。

根据光圈值的定义,光圈数值越大,光圈就越小,也就是光圈叶片所围成的圈越小,通光量也越小。相邻的两档光圈值,通光量相差两倍。也就是说,相邻两档的光圈,其光圈面积相差两倍,也就是光圈直径相差根号2倍,即大约1.4倍。标准光圈值通常是:1.0 – 1.4 – 2.0 – 2.8 – 4.0 – 5.6 – 8.0 – 11 – 16 – 22 – 32。以上的标准光圈值,通常都会出现在老式镜头的光圈环上。现在的相机,通常能够使用1/2档或1/3档的光圈,所以会出现诸如7.1等非标准光圈值。

在相机的镜头上,通常用1:f值这样的形式来说明光圈值,f即为光圈最大值。例如1:2.8表明该镜头的最大光圈值是2.8,也就是其最大光圈直径与镜头焦距的比是1:2.8。


4,光圈和焦比:

光圈出现在单反上,焦比出现在天文望远镜上。这两个的意义相似但又不同,我一直没能完全弄明白。个人感觉焦比相当于单反镜头的最小光圈值,但实际好像不是这个意思。

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

工业镜头接口

1,CS接口和C接口

工业相机和镜头接口分为两类CS接口和C接口,CS接口和C接口可通过一个5毫秒的转接环转接。CS接口与C接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面(摄像机CCD光电感应器应处的位置)的距离不同,C接口的距离为17.526mm,CS型接口此距离为12.5mm。C卡口螺纹的大径是1inch,即25.4mm,螺距为一英寸32牙。


2,C接口转单反接口

某宝上有单反接口转C口的转接环,如佳能EOS EF单反镜头转工业相机C口 ( EOS-C)。转接环虽然能把佳能镜头接在工业相机上,但是接上之后可用视场非常小,该部分内容将在下一篇“相机简介”中详细分析。


3,螺口和卡口规格

螺口:0.75(M42,M58,M72等),C口,CS口,M90×1等

卡口:F口(Nikon),Cannon,Petax等

安防相机和镜头多使用C和CS接口,该接口支持的相机最大靶面为1英寸。

工业相机中以尼康F接口最为典型,F接口后截距为46.5mm,卡口直径为47mm,支持全画幅的相机(36mm*24mm)。


05 DIY流星观测站——相机简介


1. 关于相机的几个问题

关于相机芯片(CCD或CMOS)最低感光能力的问题:

天文中通过“极限星等”衡量一个观测系统的观测能力,即在指定的曝光时间内,能看到的最暗的星星的星等。极限星等越大,观测能力越强。如水星最亮时为-1.4等、天狼星最亮时-1.7等、月亮满月时-12等。工业相机通过最低照度来衡量相机的最低感光能力,最低照度和极限星等如何转换?或者问要想看到天狼星,相机的最低照度应该是多少?


关于PAL和NTSC的几个问题:

PAL(每秒25帧,电视扫描线为625线)和NTSC制式(每秒29.97帧,电视扫描线为525线)是模拟时代的视频传输(存储)标准?

PAL和NTSC制式与信号传输方式是模拟方式还是数字方式无关,数字方式也可以直接传输或存储PAL和NTSC制式的视频?

电视是一帧一帧采集的,用模拟信号传输,是因为当时的编码、解码、传输、显示标准是模拟标准?

2. 相机的定义

模拟相机:产生的图像是PAL或NTSC格式,通过AV线输出模拟信号,可直接接到电视上显示。如果要采集到电脑存储,需要通过模数采集卡采集。


数字相机:产生的图像是数字格式YUY2、MJPG、H.264、H.265等,通过USB传输信号.


3. 相机芯片(CCD、CMOS)尺寸术语

全画幅:或称全片幅,135全画幅,Full Frame。全画幅是一个摄影方面的术语,是指感光面积为36×24mm,和以前的胶片是一样的。这一规格被用于描述镜头的成像圈指标和感光元件的尺寸。


APS-C:APS规格有三种,30.3×16.6毫米、24.9×16.6毫米、30.3×10.1毫米,分别命名为APS-H、APS-C、APS-P,其中APS-C的比例与全画幅相同而成为了主流,目前常见的APS画幅单反相机基本都是APS-C的,因此也有C幅机的叫法。


1/2.7”:”代表英寸,表示对角线长度为1/2.7英寸。

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

该图片摘自网上。


4. 工业相机参数

1)模拟相机SONY 673CCD(sensor)+SONY 4140(DSP)参数示例:

总像素: PAL: 1020H×596V NTSC: 1020H×508V

有效像素: PAL: 976H×582V NTSC: 976H×494V

信号制式: PAL/NTSC(默认PAL制式,可选择NTSC制的)

分辨率(水平中心):1200TVL

数字降噪: 2D数字降噪(2DNR)支持0-15的16等级可调节

宽动态: 数字宽动态(自适应色阶再现)

OSD菜单:支持

低照度: 0.0001LUX/F1.2

信噪比: ≥48dB

视频输出幅度: 1.0Vp-p/75Ω

自动增益控制: 0.25/0.50/0.75/1.00四个等级可调节,可高达到55dB

曝光模式: 电子曝光

2)数字相机 SONY IMX322参数示例:

最低照度:0.01lux

接口:USB接口,支持OTG协议

视频格式:H264输出

图像分辨率:1920X1080@ 30fps

3)天文数字相机Andor-DZ936N参数示例:

CCD像元数:2048 × 2048

CCD尺寸:27.6 × 27.6mm

像元大小:13.5um × 13.5um

满阱电荷:100,000 e-

最大读出速度:5 Mhz

读出噪声:2.9 e-

帧速率:0.95 fps(全画幅)

最大制冷温度:-100℃

音视频传输标准列表:

显示效果对比:HDMI > VGA > S-Video > AV > TV。原因是压缩越少的效果越好。

HDMI:即DVI的升级版本,基本上就是数字的RGB分离的信号,传输过程中不容易损耗,而且有自动校正功能,在电视内部处理时不需要模数转换过程,因此避免了在VGA信号在模数转换过程中发生的误差。

VGA信号:是RGB分开传输的模拟信号,但是没有经过压缩和编码的,所以是模拟信号中效果最好的,从某种意义上面来讲,它也可以实现点对点传输。但是做为模拟信号,它就不可避免的存在电视内部模数转换的过程,因此对传输要求比较高,很容易出现显示画面和实际传送画面的颜色偏差。VGA和HDMI(DVI)属于VESA的标准,属于电脑类信号,但是他们兼容电视类信号格式。

S-Video信号:由亮度信号和色度信号组成,就是将亮度信号和色度信号独立传输的AV信号,避免了AV信号常有的串色或偏色的现象,但是分辨率和AV一样(NTSC制式是480i,PAL制式是576i)。

AV信号:音频线(Audio Cable)和视频线(Vidio Cable)的简称。由于AV输出仍然是将亮度与色度混合的视频信号,所以依旧需要显示设备进行亮度和色彩分离,并且解码才能成像。这样的做法必然对画质会造成损失,所以AV接口的画质依然不能让人满意。

视频编码标准列表:

视频压缩比例:H.265 > H.264 > MJPG > YUY2

PAL和NTSC:也是视频编码标准?

YUV:是一种颜色编码方法。常使用在各个视频处理组件中。YUV在对照片或视频编码时,考虑到人类的感知能力,允许降低色度的带宽。Y代表明亮度(Luminance、Luma),“U”和“V”则代表色度、浓度(Chrominance、Chroma)。YUV的发明是由于彩色电视与黑白电视的过渡时期。黑白视频只有Y视频,也就是灰阶值。到了彩色电视规格的制定,是以YUV/YIQ的格式来处理彩色电视图像,把UV视作表示彩度的C,如果忽略C信号,那么剩下的Y信号就跟之前的黑白电视频号相同,这样一来便解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题。YUV最大的优点在于只需占用极少的带宽。

YUY2:YUV格式的一种,对YUV三个信道以4:2:2方式打包,示意图。

DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

该图片摘自网上。

M-JPEG:简写为MJPG,源于JPEG压缩技术,是一种简单的帧内JPEG压缩。

MPEG:压缩运动图像及其伴音的视音频编码标准,它采用了帧间压缩,仅存储连续帧之间有差别的地方 ,从而达到较大的压缩比。MPEG现有MPEG—1、MPEG—2和MPEG—4三个版本,以适应于不同带宽和图像质量的要求。

H.264:是MPEG4的一部分,是一个数字视频编码标准,是国际标准化组织(ISO)和国际电信联盟(ITU)共同提出的继MPEG4之后的新一代数字视频压缩格式。H.264是ITU-T以H.26x系列为名称命名的视频编解码技术标准之一。

H.265:在有限带宽下传输更高质量的网络视频,压缩效率应该比H.264至少提高1倍。


版权声明:本文为CSDN博主「十年壹剑」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。

原文链接:https://blog.csdn.net/mseeworld/article/details/81639619


原文始发于微信公众号(无线通信安全):DIY观测站-可以做成卫星观察站思路

版权声明:admin 发表于 2022年7月25日 上午7:36。
转载请注明:DIY观测站-可以做成卫星观察站思路 | CTF导航

相关文章

暂无评论

您必须登录才能参与评论!
立即登录
暂无评论...