Камера для съемки метеоров на базе Raspberry Pi

Снимок около 1,670 метеоров из потока Геминиды, сделанный одной станцией за одну ночь в 2020 году

Проект по сборке простой станции наблюдения за метеорами, не требующий больших затрат и посильный рядовым любителям астрономии. На реализацию уйдет всего несколько часов труда и сотен долларов, зато в результате вы сможете не только регистрировать метеорные события, но также стать частью Глобальной метеорной сети, внести свой вклад в исследование этих прекрасных явлений и даже организовать собственную охоту за упавшими метеоритами.

Ежедневно в атмосферу Земли входит около 40 тонн внеземных материалов, формируя метеоры, которые мы можем наблюдать в ночном небе. Эти «падающие звезды» обычно возникают в виде тусклых полос света, но иной раз производят восхитительные световые шоу, способные моментально превратить ночь в день. Для наблюдателя иногда кажется, что к метеорам можно буквально «прикоснуться рукой», но по факту появляются они на высоте от 70 до 110 км. А поскольку летят эти малыши со сверхзвуковой скоростью 11 – 72 км/с, то даже если бы мы и могли к ним прикоснуться, мало бы не показалось.

Как же нам побольше узнать о сути миллиардов метеоров, бомбардирующих нашу атмосферу изо дня в день? Двумя наиболее распространенными методами являются радары и оптические наблюдения. Установка орбитального метеорного радара обойдется в миллионы долларов, что далеко от возможностей обычного гражданского ученого. А вот хорошие оптические наблюдения можно реализовать недорого, используя всего несколько стандартных компонентов готового оборудования.

И пусть низкая стоимость вас не пугает – здесь мы описываем проект, который позволит вам собрать подключенную глобально метеорную камеру, способную собирать данные научного уровня, подходящие не только для определения параметров орбиты, но и для обнаружения рисков столкновения спутников, прогнозирования метеорных потоков и поиска упавших метеоритов.

Что потребуется

• Мини-компьютер Raspberry Pi 4. Для Pi 4 Model B доступен образ диска Raspberry Pi Meteor System (RMS). Помимо этого, мы управляем камерами через ПК и Jetson Nano, что также наверняка возможно и на других машинах Linux.
• Корпус Pi с вентилятором. Можете взять для 3D-печати модель нашего RMS-корпуса (Рис. С ниже) отсюда: thingiverse.com/thing:4795923.
• SD-карта на 128Гб. Используйте качественную карту надежного бренда.
• Источник питания, 3A, хорошего качества. В процессе захвата изображений ваш Pi будет работать под высокой нагрузкой, поэтому рекомендуем использовать официальный источник питания Pi.
• Модуль часов реального времени (RTC) (необязателен). Мы используем недорогие модули, но вы также можете синхронизировать время при помощи NTP.
• Модуль IP-камеры для работы в условиях слабой освещенности, IMX291 или IMX307. Мы делаем захват изображений с разрешением 720p, так как это повышает чувствительность к свечению метеоров. В отличие от звезд, метеоры являются скоротечными явлениями, и их свет необходимо концентрировать в как можно меньшем числе пикселей, сохраняя при этом качественное разрешение картинки. В противном случае свечение рассеется по слишком большой области пикселей и затеряется среди общего шума. Так что новая камера на 20МП, на которую вы положили глаз, здесь не сгодится.
• Кабель для IP-камеры с POE-конвертером. Если вы не найдете кабель со встроенным конвертером, либо вам потребуется больше мощности для обогревателя/вентилятора, то нужно будет приобрести отдельный модуль PoE.
• Светосильный объектив. Для получения хорошего угла обзора на сенсоре IMX291 хорошо подходят объективы Starlight 4мм f/0.9 при условии темного неба и отсутствия препятствий (деревьев, строений и т.д.). Для съемки в городских условиях лучше приобрести объектив 6мм. Если же прозрачность неба в вашем регионе очень низкая, то берите 8мм.
• Водонепроницаемый кожух камеры, монтажная пластина и кронштейн. Влагозащита – это основное, так как камера будет направлена вверх и подвержена воздействию стихий. Не все кожухи для камер видеонаблюдения поставляются с монтажной пластиной, так что при оформлении заказа это лучше уточнить отдельно. В качестве альтернативы можно спроектировать и напечатать собственную (рис. B ниже).
• Инжектор PoE. Настенный инжектор 48В 0.5A может запитать камеру и обогреватель (если вы его используете).
• Ethernet-кабели, CAT5 или выше (2). От инжектора короткий пойдет к Pi, а длинный к камере.
• Проставки, M2×10мм (необязательно). В случае использования модуля PoE для сборки могут потребоваться дополнительные.
• Силиконовый герметик. Пригодится для герметизации стекла и отверстий с винтами в передней части кожуха камеры. Попадание влаги внутрь крайне нежелательно.

Инструменты

• шуруповерт Phillips;
• небольшие бокорезы;
• шестигранный ключ (необязательно) для корпуса Pi.

Глобальная метеорная сеть

Для исследователей метеоров видеонаблюдения являются одним из простейших и более экономичных способов расширения своего понимания эволюции материалов в солнечной системе. Прямые миссии по сбору проб с астероидов, такие как Hayabusa-2 и OSIRIS-REx, очень дороги, а найденные метеориты дают неточные данные и отражают лишь мизерную часть материалов солнечной системы. С другой стороны, практика видеонаблюдения метеоров имеет настолько низкий порог вхождения, что с ее помощью почти любой может получить высококачественные данные.

И тем не менее даже последние сети метеорных камер все еще остаются дорогостоящими, имеют географические ограничения, сильно разбросаны и имеют слабую связь между друг другом. С целью решения всех этих проблем и была создана глобальная метеорная сеть (GMN).
Сейчас существует уже более 300 метеорных станций (RMS) на Raspberry Pi, управляемых гражданскими учеными в 22 странах и связанных через GMN. Их долгосрочная цель состоит в описании видимой небесной точки происхождения (радианта) метеоров, их общего числа и распределения по размерам. Благодаря работе этих ученых на сегодня уже зарегистрированы сотни тысяч орбит метеоров.

Оборудование

Несмотря на то, что для съемки метеоров необходимо самое простое оборудование, при сборке камеры нужно учитывать ряд нюансов.

Во-первых, метеоры обычно тусклые и невооруженным глазом плохо различимы, поэтому сенсор камеры должен быть чувствителен к низким уровням освещенности и работать в паре со светосильным объективом.

В наших излюбленных модулях камер на данный момент используются сенсоры Sony 1/3” IMX291 и IMX307. И хоть их можно купить за $35-50, имейте ввиду, что текущий дефицит некоторых микросхем SoC от HiVision ведет к колебанию цен.

Что касается объектива, то фокусное расстояние между 4 и 8мм обеспечивает хороший охват неба, а скорость выше f/1.0 позволяет захватывать даже очень тусклые метеоры. Выбор же наиболее подходящего объектива начинается с вычисления угла обзора сенсора:

FOV = 57.3 / фокусное расстояние * размер группировки пикселей_мм * # пиксели

…а также определения любых возможных препятствий (деревьев, зданий и т.д.) в выбранном для съемки направлении.


Рис. A. Угол обзора объектива 4мм на камере с IMX291, спроецированный на вид неба через «рыбий глаз», в Stellarium. Идеальной точкой наведения для большинства локаций будет подъем на высоту около 45° в направлении, которое пересекается с ближайшей станцией.


Рис. B. Можно напечатать корпус, который вместит как саму камеру, так и обогреватель с вентилятором.

К примеру, угол обзора для объектива 4мм в паре с сенсором IMX291 (работающим при 1280х720) составит примерно 80°×45° (Рис. А и В). Тем не менее на практике вы поймете, что фокусное расстояние некоторых объективов 4мм по факту составляет 3.6мм, что даст увеличенный угол обзора (88°×47°). Другие варианты объективов и их свойства указаны в таблице 1.


Таблица 1. Распространенные объективы, протестированные с RMS, работающей при разрешении 720p

1. FOV означает угол обзора.
2. Pixel scale вычисляется при разрешении 720p.
3. m 100km означает пространственное разрешение на расстоянии в 100км.
4. M*limit – это предельная звездная величина.

Рис. C. Прям как прическа маллет — спереди по-деловому, а сзади в стиле вечеринки

Необходимым компонентом будет Raspberry Pi 4B в комплекте с хорошей SD-картой. Для наших инсталляций мы обычно берем пластиковые или алюминиевые корпуса с вентилятором для охлаждения процессора. Вы можете также напечатать собственный RMS-корпус на 3D-принтере (Рис. С), главное не забудьте про вентилятор. Либо можно взять алюминиевый корпус, который выступит в качестве теплоотвода без вентилятора. Помимо этого, остальной дизайн довольно гибок и собирается обычно из наиболее доступных компонентов.

Программная часть

ПО для RMS написано на Python и является открытым. Оно также обеспечивает практически полный набор инструментов для управления современной, профессиональной метеорной камерой. Каждую ночь RMS автоматически запускается за полчаса до астрономической полночи и выключается через полчаса после восхода.

Снятое камерой видео в формате H.264 декодируется, передается через детектор метеоров в реальном времени и сжимается в файл формата Four-frame Temporal Pixel (FTP). Этот умный формат сохраняет блоки по 256 кадров в виде набора из четырех изображений, отражающих: пиксели с максимальной интенсивностью, номера кадров максимально интенсивных пикселей, среднюю интенсивность пикселей и стандартное отклонение.

Затем в кадрах, отражающих среднее по интенсивности и стандартное отклонение выполняется обнаружение звезд и метеоров, пока вся очередь из FTP-файлов не будет полностью обработана. После этого на основе найденных звезд автоматически обновляется выбранный масштаб изображения и корректируется абсолютный блеск для каждого набора изображений с целью точной калибровки обнаруженных метеоров. В завершении, когда результаты получены, они загружаются на сервер GMB в Западном университете Онтарио, где сопоставляются с другими близлежащими станциями для вычисления орбит метеоров.


Рис. D. Если одной камеры недостаточно, то всегда можно поэкспериментировать с несколькими, чтобы добиться почти полного охвата неба

ПО для RMS является открытым, портативным и позволяет расширение. Оно должно подружиться с любой IP-камерой, которая работает с GStreamer, открыв перед вами широкие возможности для экспериментов (Рис. D). Если же вам вдруг потребуется помощь, то на оживленном форуме GMN полно опытных операторов RMS, которые наверняка смогут вам ответить.

Сборка собственной станции наблюдения на Raspberry Pi

Собрать камеру несложно, и займет это не более 1-2 часов. Ниже мы приводим краткую инструкцию, полноценное же описание можно найти на странице makezine.com/go/RMS-build.

1. Снятие ИК-фильтра
Если у вашей оправы объектива есть ИК-фильтр, то его можно выдавить с помощью тупого предмета. Только защитите глаза, так как он может раскрошиться.

2. Установка камеры


Рис. E

Прикрепите оправу с объективом к модулю камеры, после чего смонтируйте этот комплект в водонепроницаемый кожух (Рис. E).

3. Подключение кабеля
Пропустите кабель CAT5 через кабельный ввод, подключите коннекторы и вставьте их в модуль камеры.

Совет. Вам пригодится остроконечный штырь для разборки кабельных коннекторов, так как изначально вы наверняка соберете их неверно.

4. Настройка камеры
Камера готова для фокусировки и настройки через ПК. С помощью ПО для камер видеонаблюдения CMS (hasecurity.com) или Internet Explorer нужно будет выключить все, что автоматически регулирует усиление, экспозицию и динамический диапазон.

Хотя сначала вам следует сфокусировать камеру на удаленном объекте. После этого вручную выставить разрешение 720p (более высокие этот Pi не поддерживает), скорость кадров на 25к/с, а также усиление и время экспозиции. После IP-адрес камеры нужно установить как 192.168.42.10.

5. Настройка Raspberry Pi
Запишите на SD-карту один из образов RMS с makezine.com/go/RMS-images или установите код RMS в существующую среду Raspbian с нуля, скачав его с github.com/CroatianMeteorNetwork/RMS. Загрузите Pi, настройте Wi-Fi и ответьте на вопросы, возникающие в терминале RMS_FirstRun. Закончив с этим, вам нужно будет внести необходимые изменения в файл конфигурации (см. READ-RPi4_note.txt на рабочем столе).

В завершении подключите камеру к инжектору PoE, а от него к сетевому порту Pi. Подождите минуту, пока камера запуститься, после чего проверьте ее видимость с помощью команды ping 192.168.42.10 или arp -a. Перезагрузите Pi. Теперь RMS запустится и будет ожидать момента старта в назначенное время перед полуночью. Проще-простого!

Съемка падающих звезд

Какие возможности дает эта станция для съемки метеоров? От мала до велика! Полную инструкцию по наведению и использованию RMS-камеры можете почитать в Quick Start Guide.


Рис. F. “Отслеженный” поток метеоров во время Персеид 2020 года. Обратите внимание, что большинство следов исходят из одной точки – это и есть радиант потока


Рис. G. Результаты съемки одной станцией большинства метеоров, зафиксированных 14 декабря 2020 года, ведут к радианту метеорного потока Геминид (GEM)

Автоматический режим. В автоматическом режиме ПО отвечает за сбор, обработку и загрузку данных на сервер GMN, где они сопоставляются с ближайшими станциями для вычисления орбит метеоров. При этом автоматически создаются захватывающие кадры с большим числом метеоров, файлы с болидами и отчеты о наблюдениях (Рис. F и G), которыми можно делиться в социальных сетях.


Рис. H. Вы можете просматривать интерактивные карты наблюдений с помощью прекрасного инструмента, разработанного Таммо Ян Дийкемой

С помощью инструмента визуализации метеоров от Таммо Ян Дийкемы вы также можете увидеть вычисленные на основе ваших наблюдений траектории (Рис. H).

Ручной режим. В качестве более самостоятельного подхода вы можете расширить ПО для наблюдения спутников, северных сияний, спрайтов и других атмосферных явлений.

А может, вы просто решите использовать собранные данные о ярких болидах для планирования охоты на метеориты.

В любом случае работа с RMS – это очень увлекательный способ стать причастным к передовым исследованиям метеоров.

Больше информации можно получить на сайте globalmeteornetwork.org.
Принять участие в проекте можно здесь: github.com/CroatianMeteorNetwork/RMS.