Способ повышения проницающей силы астрономических наблюдений метеоров и устройство для его осуществления на метеорной камере
METHOD FOR INCREASING PERMEABLE FORCE OF ASTRONOMICAL OBSERVATIONS OF METEORS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION ON A METEORIC CAMERA

Изобретение относится к оптической технике астрономических наблюдений, а более конкретно - к метеорным камерам, предназначенным для регистрации случайных астрономических явлений - метеоров. Предлагаемое техническое решение может быть использовано при наблюдениях метеоров в оптическом диапазоне спектра с целью расширения доступной для регистрации области метеорных яркостей.
Метеоры являются кратковременными световыми явлениями, сопровождающими сгорание вторгающихся в атмосферу частиц, которые движутся со скоростями, превышающими вторую космическую скорость. Априори неизвестны ни место их появления на небесной сфере, ни момент события, ни скорость, ни направление движения метеора. Поэтому наблюдения метеоров ведутся в режиме поиска случайных событий: ведется непрерывная регистрация световых явлений в заданном участке неба, и в полученных регистрациях выделяются записи метеорных событий.
Известен способ проведения метеорных наблюдений, заключающийся в том, что астрономическая камера с широким полем зрения (фотографическая, телевизионная) получает изображение участка неба с большой экспозицией. За время экспонирования метеор может оказаться в поле зрения камеры, и он будет зарегистрирован, если яркость метеора выше уровня пороговой чувствительности («проницающей силы») камеры, независимо от направления и скорости его движения. Недостатком этого способа является низкая проницающая сила метеорных камер. Причина этого заключается в том, что эффективная экспозиция движущегося метеора в элементе разрешения камеры оказывается малой, и чувствительности приемника просто не хватает для регистрации слабого сигнала в элементе разрешения. Одновременно наблюдать все небо и достигать высокой проницающей силы наблюдательной аппаратуры по метеорам не позволяют законы физической оптики. Метеорные камеры типа All-sky, обозревающие весь небосвод, имеют самую низкую проницающую силу, так как их короткофокусные объективы имеют малую входную апертуру. Некоторое повышение проницающей силы до +7 звездной величины для метеоров может быть достигнуто только с использованием сверхсветосильных объективов F/0,8 при фокусном расстоянии 40-60 мм [1]. При этом звездная величина этих камер по звездам получается на 4-5 звездных величин выше, чем по метеорам, поскольку изображения звезд имеют точечный вид и не движутся, тогда как эффективная экспозиция изображения метеора в элементе разрешения камеры в 10-100 раз оказывается более короткой, чем экспозиция звезд, в результате высокой угловой скорости метеора.
Известны метеорные камеры, которые «следят» за движущимся метеором, что позволяет изображение метеора «остановить» на фотоприемнике. В этих камерах в реальном времени определяются направление и скорость движения метеора, появившегося в поле зрения, и результаты измерения используются для компенсации видимого движения метеора системой слежения [2]. Недостатком этого способа является необходимая для его применения высокая яркость метеора, которая нужна, чтобы обеспечить в реальном масштабе времени измерение параметров движения метеора и работу механизмов наведения камеры на метеор. Метеорные камеры, использующие эту технику, позволяют регистрировать только самые яркие метеоры (болиды), не слабее -2 звездной величины.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ калибровки яркостей движущегося метеора по изображению звезд с известной яркостью в том же кадре, основанный на регистрации изображений звезд в движущемся поле зрения камеры, имитирующем движение изображения звезды по полю зрения камеры со скоростью метеора [3]. Угловая скорость движения поля зрения камеры выбирается такой, чтобы изображение звезды по приемнику двигалось с такой же скоростью, как метеор по неподвижному полю зрения. В этом случае равенство сигналов от метеора на неподвижной камере и от звезды на поворачиваемой камере означает равенство яркостей калибровочной звезды и зарегистрированного метеора, т.е. равенство вызываемых их светом освещенностей на объективе камеры. Этот способ не решает задачи проведения метеорных наблюдений, и он использовался только для калибровки уже полученных метеорных регистраций.
Задача, которую решает предлагаемые способ и устройство для его осуществления, состоит в обеспечении отслеживания движения метеора метеорного потока с известными характеристиками (положение радианта потока на небесной сфере, скорость метеорных частиц в момент их входа в земную атмосферу). Это отслеживание достигается возвратно-поступательным движением поля зрения регистрирующего устройства по небу со скоростью поточного метеора с целью повышения его проницающей силы по метеорам до уровня проницающей силы по звездам.
Поставленная цель достигается следующим образом. Перед объективом метеорной камеры устанавливается плоское зеркало с возможностью его поворота вокруг оси, ортогональной оси визирования камеры и одновременно направлению движения метеора. Зеркало поворачивается во время экспозиции в направлении движения метеора и с равномерной скоростью, выбираемой так, чтобы компенсировать видимое движение метеора изучаемого потока. При этом изображение метеора оказывается неподвижным на регистрирующем изображение приемнике, в результате чего во время всей экспозиции размер изображения метеора удерживается в элементе разрешения приемника. Этим достигается проницающая сила камеры по метеорам, равная проницающей силе камеры при ее слежении за звездами (т.е. при совершении зеркалом колебательных движений вокруг своей центральной оси проницающая сила камеры по звездам падает настолько же, насколько возрастает проницающая сила по метеорам). Поставленная цель достигается не для всех метеоров, которые могут оказаться в поле зрения камеры во время экспонирования кадра, а только для тех, на компенсацию движения которых настроено движение камеры.
Устройство для реализации описанного способа проведения метеорных наблюдений включает в себя метеорную камеру с дополнительным плоским зеркалом, снабженным механически связанным с ним устройством возвратно-поступательного поворота. При этом зеркало установлено перед объективом камеры с возможностью поворота на фиксированный угол вокруг оси, ортогональной оптической оси метеорной камеры, и направляет падающий на него свет в объектив камеры. Само зеркало осуществляет возвратно-поступательное движение следующим образом: циклически поворачивается с равномерной скоростью в направлении ожидаемого движения метеора от одной границы зоны сканирования до другой, и скачком возвращается в начальное положение.
Дополнительно в описанном устройстве продолжительность экспонирования наблюдаемого участка неба может быть равна периоду циклического движения (качания) зеркала. Это позволит практически полностью «остановить» движение метеора и тем самым накапливать свет от источника сигнала, а также регистрировать тот или иной метеор в одной последовательности кадров, которая соответствует одному периоду обращения зеркала и одной экспозиции, что существенно облегчит дальнейшую обработку получаемого материала.
Видимая угловая скорость метеора определяется его пространственной скоростью, расстоянием до него от наблюдательной аппаратуры и угловым расстоянием метеора от его радианта. В каждом метеорном потоке все частицы находятся на близких орбитах и имеют одинаковые скорости, известные из предыдущих многолетних наблюдений. Положение радианта метеорного потока для каждого потока тоже известно, и несложно вычислить, с какой угловой скоростью и в каком направлении будут двигаться метеоры наблюдаемого потока в поле зрения камеры, направленной в сторону от радианта под некоторым углом. Перед проведением наблюдений изучаемого метеорного потока вычисляется направление движения метеора и его угловая скорость для модельного случая, когда метеор оказывается в центре поля зрения; на основании вычислений выставляется ось качания зеркала и скорость его качания.
Полная компенсация движения метеора достигается только при точном уравнивании скорости поворота зеркала и видимой скорости метеора, и при точной ортогональности вектора скорости метеора и оси поворота зеркала. Поскольку метеоры могут появиться в любой точке неба, при наблюдениях метеоров используют широкоугольные камеры. В широком поле зрения условия полной компенсации видимого движения метеора реализуются только в одной точке поля зрения, а в других частях поля зрения компенсация не будет полной, и вместо точечного изображения метеора он будет давать короткий штрих. При этом даже при такой картине повышение проницающей силы камеры по метеорам может быть существенным.
Сущность предполагаемого устройства для реализации способа повышения проницающей силы астрономических наблюдений метеоров поясняет Фиг. 1. На нем изображена метеорная камера с предобъективным качающимся зеркалом (зеркало показано в начальном положении сканирования).
На рисунке цифрами обозначены:
1. Фотоприемник (фотопленка или матрица).
2. Объектив камеры.
3. Мотор с храповичным устройством.
4. Качающееся плоское зеркало.
5. Ось качания зеркала (перпендикулярна рисунку).
6. Возвратная пружина.
7. Угол разворота поля зрения камеры.
Устройство работает следующим образом.
Свет от источников в поле зрения падает на плоское зеркало (4) и отражается им в объектив метеорной камеры (2), который строит изображение наблюдаемого участка неба на фотоприемнике (1). Зеркало (4) установлено с возможностью его качания относительно оси (5). Зеркало (4) поворачивается вокруг оси (5) с равномерной угловой скоростью возвратно-поступательным механизмом (3) в пределах установленного угла разворота поля зрения камеры (7). При достижении границы области покачивания возвратно-поступательный механизм принимает начальное положение, а возвратная пружина (6) переводит зеркало в положение начальной фазы сканирования. Ось качания зеркала (5) перед наблюдениями устанавливается в положение, перпендикулярное направлению на радиант метеорного потока (при котором метеор, движущийся в плоскости рисунка, не будет выходить из нее). Скорость поворота возвратно-поступательного механизма устанавливается такой, чтобы поворот зеркала компенсировал смещение метеора по фотоприемнику. В результате движущийся метеор изображается на приемнике в виде неподвижной точки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bagrov A.V. and Leonov V.A. Correct brightness estimations of optical meteors. // Proceedings of the International Meteor Conference. Poznan, 2013, pp. 142-146.
2. R.J. Weryk,, M.D. Campbell-Brown, P.A. Wiegert, P.G. Brown, Z. Krzeminski, R. Musci. The Canadian Automated Meteor Observatory (CAMO): System overview // Icarus 225, 2013, pp. 614-622.
3. Астапович И.С. Метеорные явления в атмосфере Земли. М.: Физматгиз, 1958.