流星摄像观测的历史、现状和未来

S Molane, M. Nitschke, M. De lignice, R.L. Hawbes, J. Ronaltel
崔宾译

         流星的摄像观测迄今为止已被业余天文学家们使用了十多年了。这种观测方法迅速得到重视并将在不久的将来发展成为流星观测的至关重要的一条途径。流星的摄像观测是深入研究流星体群及其与地球大气相互作用的关键所在。
          在本文中我们将对流星摄像观测的历史做一简要回顾并简介其现状。我们将讨论该方法所涉及的问题和限制并展望其将来的规划。这篇文章是做为国际流星组织（IMO）将建立的有关流星摄像观测的机构的基础文献而提供的。
       历史与现状
        职业天文学家在本世纪六、七十年代就开始使用与照相底片相联的图像增强系统。在天文爱好者当中，日本和丹麦的爱好者最先在1986年和1987年开始使用低光度（low-light-level）摄像系统。
        刚开始的时候仅有XT个人微机和最初级的图像抓取卡（rudimentary frame grabber cards）可以利用，因此对录相带的分析工作大部分更由手工完成。与目视观测相比，摄像观测的一个主要优点就是位置精度的大大提高，此外，摄像系统的观测效率要远高于照像观测，因为它能探测到6等甚至更暗的流星。
        九十年代初，在欧洲的几个国家象匈牙利、德国和英国，一些新的爱好者小组也相互独立的采用了类似技术。随着计算机硬件功能的日益强大，越来越多的问题在计算机的支持下得到解决。1993年报导了对摄像磁带自动搜索的第一次尝试，同时摄像流星的分析与软件效率也得到很大提高，然而直到1995年或1996年像增强器的价格下降到可被更多的爱好者小组接受时才出现了重要突破。
        几个观测组摄像观测的科学分析数据已在不同的杂志上发表。到目前为止，摄像观测系统已被用于流星体流轨道的确定、流星雨辐射点的确定、目视观测校正、流星团分析（cluster analysis）、光谱记录以及许多其它研究课题。一个重要事件是1995年的ARERFA－Monocerotids流星暴，两个小组用摄像方法进行了完整的观测。这时人们第一次用得力的手段来观测流星暴雨。
        当前，全球有约40个摄像观测系统在运行，至少15个在日本，约10个在德国，5个在荷兰。摄像流星观测在英国，美国和匈牙利也正在开展。此外，加拿大、车臣、塔吉克斯坦的职业天文学家也在用这项技术工作。
        至少有三个工作组正致力于对摄像带的计算机辅助流星探测工作，其中一个系统已投入实际运行，几个摄像流星数据数字处理的软件包已出现，人们期待在不久将来产生一个标准的能应用各项摄像观测任务的软件包。
        （Why do video observation？）摄像观测的必要性
        摄像系统集目视和照相流星观测的优点于一身，甚至可以和用望远镜观测相媲美。目前系统的位置精度可达到1角分，比目视描绘要精确的多。当用广角镜头观测时，可得到大于100度的视场，可与全天照相相比较，极限星等与观测系统的视场、镜头焦比及增强器的放大率有密切关系。现代摄像系统在相同时间内要比目视观测记录到更多的流星，这比照相观测已提高了几个星等级。
        摄像系统可以得到很高的时间分辩率（25帧或30帧每秒，依不同摄像体系而不同），从而可直接记录下流星随时间的变化情况。所有信息都可以精确定时到1秒之内。由于每帧非常短的曝光时间，流星的角速度可以很准确的测定，流星体的亮度可包容上至火流星下至望远镜流星的水平。因此，摄像系统可以在更大光谱段上提供统一的流星体数据。这是其它方法所无法比拟的。
        此外，摄像系统还可提供流星的光变曲线，用以研究流星体特性和它们与地球大气的相互作用。
        摄像系统的一个主要缺点就是费用高。相对于目视和照相设备来说它还是相当贵的。此外，这种系统对于电力的依赖性还是很强的。                   (Imitation)局限性
        一个现实的局限是数据处理的时间相对于观测记录的时间是太长了。录相带的搜索主要人工进行，流星位置的确定是在计算机的协助下进行。一个实用的自动流星搜索软件仅是一个时间问题。然而，全自动的分析系统以目前状况来说还是不可能的。虽然在专门计算机软件的协助下流星处理的速度得到加快，但要处理一颗流星仍需5～10分钟的时间。因此不可能对摄像系统记录到的流星做全面细致的分析。根据实际观测目的的不同，要么对观测得到的信息量加以限制，要么对流星加以选择后再进行处理。摄像系统不象照相系统那样轻便，纵然新一代摄像机的鲁棒（robust）性比以前强许多，但终因其它高度集成的电子产品而有某些限制。大部分系统在温度很低或露水很大情况下都难以正常工作。
        另外，由于系统对电力的依赖性，也使他们的功能发挥在野外环境中受到很大限制。
        Components and Classification of Video System（摄像系统的组成和分类）
        通常，所有的流星摄像系统都由一个高速镜头，一个图像增强器和一个摄像机组成。对于观测暗流星来说，图像增强器是绝对需要的，如果单从记录的光子数来考虑，在理论上，CCD单独就可以胜任观测暗流星的任务。然而，当它以摄像系统25或30帧频的条件工作时，其读出噪声已远远超过了流星体光产生的信号。
        最低需要是具有多级放大能力的第一代图像增强器，放大率应大于1000，荧光屏直径要大于15mm。第一代放大器利用其三级放大功能可得到比其它类型放大器更高的放大率。但由于其很强的图像畸变、视场内的灵敏度偏差及产生噪声，在将来的流星自动探测系统中将很少被采用。
        第二代图像增强器（micro charmed plates-mcps微通道板）通常是进行单级放大，因此，它的放大倍数低于第一代，但由于其低噪声、低畸变和小的灵敏度偏差（sensitivity vni）而被观测者所看中。新的常用微通道板（mcps）仍很重（2000美元以上），但目前我们可以用比较合适的价格（不到500美元）从世界上几个零售商手中买到二手货。
        第三代图像增强器因其最佳工作波段在红外，所以对流星观测没有太多意义。
        不同的摄像机都可用来从图像增强器的荧光屏上记录图像。Camcorder是一个优先选择，它永久自动的记录时间。包括便宜的摄像机在内的其它系统，它们要么超过声音信号，要么通过电子手段把时间信息记录下来。在分析的过程中，录像带要通过图像采集卡进行数字化。目前，图像采集卡的价格在200美元至4000美元不等。（好象现在数字化过程已无需硬件来实现，通过软件就能实现从模拟量到数字量的转化。详者注）。被职业天文学家所采用的CCD相机我们已讨论过，CCD的低的时间分辩率妨碍了它在该领域的应用。将来，观测数据流将以数字形式加以存储，用当前昂贵的硬件，实现摄像信号，9兆比特每秒数据流的实时数字化是可能的。然后被保存到计算机的硬盘中。因为摄像信号帧之帧之间几乎没什么变化，所以可进行较好的压缩。随着技术进步，这套系统将变得越来越便宜，同样数字化的Camcorder,可以提高存贮数据的质量和数据的变换。
        今天的high end system不需要在你们的数字图像与存贮之间进行任何信号转换了。系统中还含有更高分辩率的探测器。
        镜头对摄像系统的性能来说是至关重要的，通常来说镜头的光力越大越好，根据镜头的焦距不同，可把摄像系统分为三类：

（1）广角摄像系统：这种系统利用广角摄像镜头，可得到40度以上的视场。广角摄像系统的极限星等通常在5～7星等。此外，利用全天流星摄像机可得到全天范围的视场覆盖。

（2）标准摄像系统：利用标准镜头或中焦镜头，可得到10度～40度视场，7~9星等的极限星等，目前大部分系统属于此类。

（3）远摄摄像系统：利用长焦镜头，可得9星等以上的极限星等，但视场要在10度以下。

所有的图像增强流星观测系统在技术上都受到以下三方面的限制：

A. the "quantum limit":在摄像系统一帧的积分时间内所能收集到的光子数实在是太少了，很难形成一幅有用的流星图像。对于一个50毫米直径镜头的典型系统而言，对应的极限星等是12等左右，这也是光学探测的下限。除非镜头的接收面积、积分时间或像增强器荧光屏的能得到提高。

B. the "background ileum inaction"背景光的限制：由于目前像增强器摄像系统的的分辨能力，各种各样的畸星及天光都将形成无法分辨的背景光。目前大多数的系统都受到背景光的限制。

C . 像增强器和摄像探测器的噪声限制：在获取图像过程中涉及的每一件电子设备都会带来一定数量的噪声，这将把一个典型mcps（微通道板）的极限灵敏度限制在10～11星等。

Video observation Projects（摄像观测计划）

根据摄像系统的特点，我们可以主要从以下三个方面制定计划：

1.微流星雨辐射点的确定（minor meteor shower radiant determination）：当一个流星雨的活动很弱的时候，传统目视的方法就达到了它的极限，徙手描绘所事业的不准确性间足再也不能靠大量的记录统计方法来解决，照相系统也只能观测到极少时微流星雨。摄像系统给这个问题带来了彻底的解决方案。它可以仅靠很少的流星就准确确定出辐射点的位置。因此，摄像系统不仅可用来核查已知的微流星雨的辐射点，还可用来发现新的流星雨。由一个单一固定点观测的摄像系统可确定辐射点的位置，广角系统和标准系统都能胜任这项工作。由于其更高的空间分辨能力，标准摄像系统将提供更准确的辐射点信息，从记录到的小数目的流星事件中就可以可靠的测定其辐射点。然而一些流星雨却没有暗流星，这类流星雨用目视和广角摄像系统观测时非常壮观，但因其在低光度范围内数量太少而用标系统更难测定。对于此类流星雨，单流星与流星雨的比例随着摄像机极限星等的提高而迅速升高。

2.流星体轨道的确定：迄今为止，大部分流星体的轨道都是通过两个固定点的照相观测然后计算得出的。随着现代摄像系统的应用，轨道数据库将被大大扩充。为了进行轨道计算，两个在不同地点的观测系统还是必须的。在足够大的视场范围和极限星等条件下将两者的数据以适当精度合并。通常两个观测点的距离要在20～100公里范围内，摄像机的视场焦点中心调到100公里高度。精确的时间信息和两套系统的协调工作对任务的完成是至关重要的。一般来说，两个站所观测到的流星中有50～75％是相同的。

同样，微流星雨轨道的确定也是这个课题的主要任务。这方面，照相观测的资料自然是很少的。微流星体流轨道的确定对摄像观测者来说可能是最大的挑战。由于此类流星雨很低的成群指数（shower's population moder），即便是双站观测也不能提供足够的平行流星的记录。因此，两个观测组的协同工作是必要的。另一方面，轨道的确定是唯一需要双站协同观测的课题，其它观测项目一个观测组就可以独立实施了。

目前许多双站观测的流星雨研究资料已经发表，遗憾的是每组资料都是基于仅几夜的观测数据，尤其没有什么公布结果是基于一月中旬至七月上旬的期间的观测数据。

3.derivation of flux densities（流星密度偏差）：与目视观测相比摄像系统的一个很大优点是能客观的记录流星雨的真实情况，很少有什么因素可以影响摄像系统探测到的流星的出现频率(rate of meteors)，所以可以用其来直接测定强或弱的流星雨的流量密度（flux rates）。此外，摄像系统还可测定更大尺寸范围内的流星，这将把目前的光学研究推向其它的研究领域（Inanition, a much larger variety of material sizes can be investigated which extends currant visual studies to other particle populations），几乎所有系统都可做该项工作，对每一个流星做详细的分析是不必要的，流星分析几乎可以自动进行。

除了以上这些关键性的项目，我们建议开展许多其它方面的研究工作：

（1）特暗流星的观测：摄像系统时，9等甚至更暗目标的观测能力为一类至今尚未被望远镜观测的微粒（particles）的观测打开了大门。这些非常暗的流星的行为值得去研究。这里存在一个疑问是：流星的亮度有下限吗？

（2）超高活动性流星雨的研究（observation of exceptional high activity）：在流星爆雨发生的情况下，摄像观测提供了独一无二的客观记录事态的可能性。故而对摄像观测者而言，流星暴的研究是他们的一个主要目标。充分利用各种摄像系统来进行质量分布、选择效应及流星团的分析。（mass sorting, selection effects as well as meteor cluster anoeyses）

（3）搜索火流星：一个广角摄像系统通常可以记录亮流星中的大部分，其中有不少是火流星。特别是今天摄像系统，它可以自动工作并得到关于亮流星发生频率的有价值信息。它可以正好填补象欧洲火流星网这样的例行工作摄像网的空白。这种观测对摄像系统的鲁棒性提出了更高的要求；另一方面，威力较低价格较便宜的系统就可以胜任了，甚至一个没有像增强器的系统也可以工作。所有的火流星都能产生足够的亮度以使一个普通相机都能记录到。由于记录的数据量相对于有流星发生的数据量是太大了，所以最好用自动处理方法来处理数据。

（4）暗的、持续时间长的余进，光变曲线及流星其它特征的观测：摄像系统给了我们详细研究单颗流星的机会。只要我们对自己系统性能有了清晰的了解，对流星特性进行可靠测定以及对不同流星雨的统计分析，研究的计划便可以实施了。这将让我们对流星体的物理特征以及其母体的特征有所了解。

（5）流星光谱的记录：至今仅有不多的质量学的流星光谱被职业天文学家得到，通过稍许改造，摄像系统通常可以用来记录更多、更暗的流星光谱。

（6）目视和射电观测的校正，对新手的培养：广角摄像系统其有和目视相似的特点，因此它可以对目视观测做校正。此外，还可以用录相带在通常条件或特殊条件下对新观测者进行培训。如果摄像系统与射电设备同步使用，它还可以对射电（无线电）数据做校正（calibration）

总结和展望

上面我们例举了一些可用摄像系统研究的课题，这些当然不是所有可能的projects（课题）。我们想邀请一些其它的观测者对流星摄像观测的未来展开讨论。我们希望有有能参加到上面列出的观测计划中来。相反，这些将增加我们对太阳系小颗粒以及它们与地球相互作用基本知识的了解。

摄像观测无疑将成为未来流星观测的关键所在，我们感觉IMO应成立一个专门的委员会来体现这一观测技术的重要性。该委员会的主要目标是推广这项目前还很少被采用的新技术并做好各组活动的协调工作。上面提及的许多观测计划，其成功的关键决定于观测者之间的合作以及和照相、目视、望远镜、无线电等观测的通力合作。该委员会应对摄像观测的重要性的观测方法做系统的介绍，在技术问题的疑难解答、系统的配置、观测目标的选定、数据分析的支持等方面提供服务。IMO发行的WGN和WWW主页可以用于这项服务。摄像数据库的维护以及数据的免费提供也是要考虑的问题。

最后，摄像观测委员会应该成为任何有疑难问题的人的联络处。如果目前全球几个尚未合作起来的观测组联合起来，我们将以前所未有的效率达到我们的科学目标。