Камеры для поиска космического мусора…

Маск (и не только =) продолжает запускать сотнями спутники, при этом добавляя в окружающее космическое пространство всё больше и больше мусора. И это не только вышедшие из строя спутники, но также какие-то адаптеры, элементы конструкции, болты и гайки (см. фото из последнего отделения, когда отделяется большая крепежная деталь, которая станет еще одним опасным объектом на орбите).

О том, какие камеры разрабатываются для поиска всего, летающего вокруг Земли, добро пожаловать под кат…

Внимание! далее большие картинки…

Собственно, что за мусор остаётся на орбите, можно увидеть из видео крайнего отделения starlink'ов:



само видео под катом:


Также не нужно забывать про разные аварии на орбите, в частности — это масштабные взрывы разгонных блоков Centaur последних пару лет (минимум три взрыва за последний год-два), которые добавили тысячи обломков в опасной близости от бесценной для нашей цивилизации линии геостационара.


Потенциальным источником отказов низкоорбитальных спутников и превращения их в мусор могут являться миллиард иголок, которые США запустили в космос в рамках проекта «Вестфорд» на орбиту 3500х3800км. К сожалению, проблем в космосе хватает…

Мои коллеги с 2000х годов разрабатывают видеокамеры для промышленного применения в различных спектральных диапазонах. Это и тепловизионные камеры, и камеры ближнего ИК, и даже камеры ультрафиолетовые. Но есть один тип камер, особенный — для астрономических применений, в частности, для задач поиска комет, астероидов и космического мусора.

Можно немного подискутировать о том, зачем вообще может понадобиться в нашем мире тратить время, силы на разработку «очередной» камеры, кажется, что всегда можно «заглянуть в магазин» и выбрать себе камеру на любой вкус. Но это не всегда так, довольно регулярно возникают задачи, которые не могут быть выполнены на доступных камерах. Кроме типичных требований «быстрее, выше, сильнее», добавляются такие как:

1. Нужны исходные данные без обработки (задача становится все более актуальной, так как все большее количество производителей добавляет в свои камеры неотключаемые шумодавы)
2. Нужна синхронизация с внешним процессом, сигналом (довольно часто это бывает рентген, когда мощный, но очень короткий импульс облучает объект, и нужно успеть увидеть результат)
3. Нужно синхронизировать момент экспозиции с точным временем (это просто бич всех камер)
4. Нужно, чтобы камера работала на дне Марианской впадины/вакууме/вулкане — выбрать по вкусу...
5. Нужен конкретный интерфейс PAL/SDI/MIPI/GigE/CameraLink/ChannelIII — по вкусу (про USB не будем всуе...)
6. и так далее в любых вариациях

Какие же дополнительные требования предъявляются к астрокамерам:

1. Надежность (поставлю это требование на первое место, т.к. большое количество усилий направлено на решение и проверку стабильности работы камер, уменьшения влияния внешних факторов). Камеры работают по сути на свежем воздухе в автоматическом режиме, и могут быть подвержены различным естественным неприятностям. Под катом, как выглядят специализированные астрокамеры наших заокеанских коллег после непродолжительной эксплуатации:


2. Большой формат кадра. Для того, чтобы объектив, который может стоить (и стоит) дороже камеры, эффективно использовался, нужно чтобы максимально полно использовалать фокальную плоскость. Соответственно, нужно чтобы размер фоточувствительной области камеры был максимально большим.

3. Высокое разрешение кадра, но при этом:

3.1 не больше, чем позволяет разрешить объектив.

3.2 не больше, чем может обработать алгоритм за вменяемое время, а для архива лучше вообще кадры поменьше.

4. Высокая чувствительность и низкие шумы камеры.

Как бы само собой, но между камерами на детекторах ПЗС предыдущего поколения и нового поколения КМОП разница в несколько раз. КМОП просто другие и они вытесняют ПЗС…

5.Детектор камеры должен охлаждаться, с целью уменьшения тепловых шумов.

6.Большая частота кадров.

Это перспективное требование, сейчас разрабатываются алгоритмы, которые позволяют обнаруживать объекты с яркостью, сравнимой с шумами камеры. Алгоритмы ещё в разработке, но для их применения потребуются более производительные камеры…

Ну и подходим к наиболее интересной части статьи — фотографиям и картинкам:

1. Одна из первых камер, наиболее чувствительная (и до сих пор самая любимая) — это Нева400 камера: разрешение 2048х2048, размер поля 22х22мм, частота кадров 24Гц, режим HDR, шум чтения — 1.8е, потенциальной яма — 90ке:





Именно на этой камере мы сравнили чувствительность кремниевых детекторов с ЭОП и камерой ближнего ИК диапазона , отладили технологию привязки кадров со строковым затвором к точному времени. К сожалению, напрямую эта камера не может эффективно использоваться для контроля за космическим мусором, так как её поле не очень большое, 22мм не позволяет максимально полно использовать возможности объектива. Сейчас камера применяется в других прикладных задачах.

Насколько позволяет северное небо, мы продолжаем на неё снимать всякие астрономические красивости и интересности:


2. Классическая ПЗС камера с полноформатным детектором и полнокадровым затвором Нева16070:



Преимущества этой камеры — низкий темновой ток и глобальный затвор, но в производстве эта камера сущий мрак, так как требует индивидуального подхода в настройке и калибровке каждого отдельного экземпляра. Также к сожалению, в будущем Kodak не будет производить ПЗС детекторы.

3. Нашим флагманом камер для обнаружения различных околоземных объектов можно считать изделие Нева4040 — это 16Мпиксельная камера с размером кадра 4 на 4 сантиметра! Рабочая лошадка позволяет снимать кадры с шумом чтения 3.5е при потенциальной яме 70ке в режиме HDR, что даёт разрядность изображения 17бит и динамический диапазон более 85дБ.
При этом камера выдаёт кадры разрешением 4096х4096 пикселей, с частотой 23.6Гц, что эквивалентно 6-7Гбитам/c… Не всегда нужна такая скорость, но иногда это полезно.

Математики говорят, когда мощности компов и алгоритмов подрастут, частота кадров очень даже может пригодиться.



4. Ну и «наша прелесть» — это 36Мпиксельная камера со среднеформатным размером сенсора 6 на 6 сантиметров. Говорят, что скоро среднеформатные фотоаппараты снова будут в моде =) спешите закупаться пока ещё дешевыми объективами 80х годов, наша камера как раз для таких объективов.





Поле 6х6 сантиметров — это уже для более серьезных телескопов наподобие того, на котором Геннадий Борисов открыл свою первую межзвёздную комету.

Что же за мусор можно найти на орбите?

В январе этого года мы отсняли кусочек геостационара на камеру Нева6060 и объектив Takumar 400мм F/4.0, на один кадр поместилось 8.5x8.5 градусов (примерно 300 лун, одна луна в диаметре около полуградуса). И попробовали обработать кадры в автоматическом режиме, это заняло довольно много времени, так как нам нужно было проработать математический аппарат, и вот что получилось:



Внимание! далее под катом будут довольно большие гифки:


из 260 кадров удалось автоматически выделить порядка 30 объектов разной яркости, которые летают где-то в районе геостационара, к сожалению, на их обработку уходит 20 часов времени работы одного компьютера с видеокартой…

Исходники и результаты обработки некоторое время будут доступны по ссылке.

Ну и в конце сравним камеры между собой. В качестве критерия оценки будем считать для каждой камеры скорость обзора, то есть сколько потенциально объектов камера может обнаружить за единицу времени.

Построим графики для камер: 400, 16070, 4040 и 6060, в дополнение к ним в качестве сравнения возьмём полноформатную камеру Sony Alpha 7S, как пример одной из свободно доставаемых в РФ профессиональных камер (есть специализированные дорогие астрокамеры, которые сложно купить, но Sony Alpha — это пример хорошей камеры).

На первом рисунке мы сравниваем камеры на объективе, который применяется профессионалами для поиска комет Takumar 400мм F/4.0, верхний график — это звездная величина самого слабого объекта, который увидет камера, второй график — суммарное попавших в кадр объектов, с яркостью слабее заданной, но ярче предельной звездной величины за единицу времени (графики расчитаны без учёта времени необходимого на перевод телескопа между полями съёмки):


на втором рисунке мы «разместили» камеры на телескопе Genon MAX Геннадия Борисова, возможно, именно на таком он открыл свою знаменитую межзвездную комету.



Что можно сказать по этим графикам:

1. ПЗС камера 16070 проигрывает Sony Alpha при коротких экспозициях за счет больших шумов чтения, но отыгрывает отставание за счет несколько большей квантовой эффективности при более длительных экспозициях.
2. 400я камера резко выигрывает на коротких экспозиция у Sony Alpha и ПЗС 16070, но проигрывает обеим за счет площади (поле у 400й 22x22мм, у полноформатных Sony и 16070 35x24мм).
3. А вот уже Нева4040, за счет площади и малого уровня собственных шумов, лидирует по скорости обзора неба раза в два и удерживает лидерство за счет большей площади и на длительных экспозициях.
4. По скорости обзора на всех с ухмылкой смотрит 6060, которая кратно выигрывает на коротких (до 10 секунд) экспозициях у классики ПЗС, а также у всех остальных.

К сожалению, следует признать, что классические ПЗС в работе по поиску комет, астероидов, мусора на орбите передают пальму первенства КМОС. Будущее за «среднеформатными» фотоаппаратами наподобие Нева6060.

На этом данный, достаточно большой лонгрид, завершаю, надеюсь, было интересно. Если будут вопросы, задавайте в комментариях.

P.S.: Отдельное спасибо хотелось бы выразить Астрономическому научному центру, который обеспечил разработку, консультацию, а так же проводит опытную эксплуатацию камер.

Большое спасибо всему коллективу НПК Фотоника за разработанные и предоставленные к обзору камеры 400, 16070, 4040 и 6060, за обработанные кадры с геостационара, а также всем астрономам и астрофизикам, с которыми мы очень плотно общались последние несколько лет, которые объяснили нам, какие параметры важны для их научных работ по обзору неба — это и Олегу, и Денису, и Сергею, и Виталию, и Андрею и многим-многим другим, без вас мы бы не смогли разработать данные изделия.