■ CCD 自動導星
自動導星的時代來臨了!
林宏欽
SBIG 以單一個軟體 CCDOPS 統一使用旗下不同 CCD 相機, 包括
ST-4X,ST-5,ST-6; 但美中不足的是卻不能用於 ST-4 . ST-4 另提供了一
個程式 CCDTRACK ( 需另購 ), 使用的方式和 CCDOPS 如出一轍 . CCDOPS
提供使用 ST-4X , ST-5 ,ST-6 做自動導星的功能,使我們得以在螢幕上直
接看到導星的情形,不必再迷盲於控制盒上 LED 數字魔術之間 . 前提是必
須要一台 PC 作為終端控制 , 在野外便攜式的 NOTEBOOK PC 輕便節電,是
較好的選擇 .
首先將 CCD 上的 XY 方向調整與望遠鏡 R.A., DEC. 方向一致 .
X 方向調整與望遠鏡 R.A. 平行 . Y 方向調整與望遠鏡 DEC. 平行 . 以
5-7 等左右的星來對焦,如此得到的焦距較為可靠 .
做 CALIBRATE, 使 CCD 自動學習望遠鏡馬達驅動速度及方向, 注
意驅動速度要先調整到慢速,此視攝影所用焦長而定,一般設定為約 2 倍恆
星時 (15 arcsec / sec).CALIBRATE 另外還有幾個參數須設定, 執行
CALIBRATE 之後,系統會自動決定這些另外需要的參數
RELAY SPEED. 須設定的參數有
EXPOSURE TIME : 曝光 ( 積分 ) 時間,導引星的值至少要幾百,
而且不能飽和 . 可能的情況下使用較長的曝光時間 ( 不超過望遠鏡追蹤
精度時限 ) 以減少大氣效應(視相seeing)的影響 .
X TIME : X 方向上驅動馬達的時間,必須使 CCD 感應到導引星有
10-50 pixels 移動量,才足夠計算對應速度及方向 .
Y TIME : Y 方向上驅動馬達的時間,必須使 CCD 感應到導引星有
10-50 pixels 移動量,才足夠計算對應速度及方向 .
STEP : 選擇「 1 」時,執行 CALIBRATE, 系統驅動望遠鏡往 X
,-X,Y,-Y 四個方向各移動「一」次,決定與 R.A. ,DEC. 的方向及速度對
應 . 假如懷疑馬達修正的速度在 SHORT vs LONG 有可觀的差異,選擇大於
1 的值使 X Y TIME 分為幾個較短的部份 .
DELICATION : 所用導引星的赤緯值, 因追蹤修正速度會因赤緯不
同而有差異 . 如果打算只做一次 CALIBRATE 而應用於不同赤緯區域導星
的話,導引星必須採用天赤道± 20 °內的星, 而在應用於不同赤緯區域導
星時告訴系統 DELICATION 值 .
執行 CALIBRATE, 系統驅動望遠鏡往 X,-X,Y,-Y 四個方向各移動
一個固定量,依畫面中最亮星?peak 值位置決定與 R.A. ,DEC. 的方向及速
度對應 . 此步驟很重要,執行正確的話,系統不會出現錯誤訊息, 就可以進
行自動導星了 . 選擇 5-7 等左右而且鄰近沒有其他亮度相近或更亮星星
的星作為導引星. 系統驅動望遠鏡移動時,若引入其他亮星則很可能 ,
系統錯認另一 peak 值位置,引發錯誤 . 正確的動作之後,產生的參數應該
有特定的形式,假設赤道儀蝸輪本身沒有游隙,則在赤緯方向 Y , -Y 延遲
速度 (relay speed) 值是對稱的 , 赤經方向因恆星本身日周運動的關係
X 值大於 -X, 並有倍數關係 .這些值對於固定的望遠鏡系統可以重複使用
,不必每次做CALIBRATE.
再執行 TRACK 或 TRACK and ACCUMLATE, 系統首次曝光, 給出目
前視野畫面,供選擇一顆導引星後, 出現十字線顯示每一幅導引星的位置變
動,並給出 XY 方向的瞬間變動量及平均誤差量 ( 以 pixel 為單位 ) 供
每次修正參考 . TRACK and ACCUMLATE 限制最高次數 64 次, 如果給定曝
光時間一分鐘的話,最多拍 64 分鐘 .「 TRACK 」則不受次數限制,因給定
曝光時間積分運算修正,一直循環至叫停為止 .
正確地對好極軸,穩固的導星望遠鏡及 CCD 的結合,或是偏置導星
裝置 (off-axis guider) 都是必要的 . 如有好的赤緯馬達,零游隙更好 .
若有 PEC ,PPEC 性能則離成功更加不遠.
在NCUO使用的經驗,使用ST-6以C14導24吋,即以焦長3910mm導
8700mm ,自動導星10分鐘可能.ST-6在接近4000mm焦長,視野只有10分角的
情形下,仍然能有相當數量的導引星可供選擇.比ST-4要強多了,
使用 ST-6 以 C14 導 24 吋出現導星結果正確,但是 24 吋的影
像卻拖線的情形,研判可能是假極現象或是兩個光學系統間的光軸差異運動
, 前者肇因於導星鏡和攝影主鏡的光軸不同向,長焦距及長時間的累積誤差
使其他星繞著以導引星為極點運動的假象,後者是機械上或是重力影響對不
同望遠鏡的影響不同,所以產生問題 . 越推敲問題越大,其實是犯了自打嘴
巴的毛病,原本這樣的系統就不相稱,C14 素有主鏡隨方位偏移的毛病, 24
吋本身的巨大重結構也避免不了影響光軸的可能 . 以不足引導有餘, 自是
越理越理不清了 . 根本的解決之道其實早就在方寸之間, 即使用偏置
(off-axis) 導星裝置,利用同一個主鏡中取像周邊的視野星場,做為導星之
用,最為適當 . 導星的區域極接近攝影視場, 可以得到最好的導星效果 .
唯一的問題是 ST-6加上24吋之後的偏置導星星場十分小,很可能找不到適
當的導引星,所以加了一個減焦鏡在偏置導星裝置中,將焦距縮短至4500mm?
,減焦至這個程度是經過相當的考量的,乃依據ST-6給出的規格及實際上試
行追蹤的結果確認,並考慮了24吋本身裝置偏置導星的光路設計可行性.
實際操作符合預期的效果,ST-6 偏置導星裝置可以很好地發揮導
星功能,於 24 吋加裝減焦鏡的場合,成功率高達 95% . 而完全不在出現以
C14 導 24 吋時的奇怪現象.導引星的選擇也比想像中容易得到.於 24 吋
直焦的場合,也曾試行成功.由於ST-6的像元尺寸比ST-4大一倍,導星的準確
度規格可能比ST-4容許量要嚴格一倍才行.
目前在中央大學天文台 24 吋望遠鏡上配備了 ST-6 CCD 作為導
星裝置,效果令人激賞 . 在直焦點焦距 8900mm 的場合以 ST-6 偏置導星
( 導星有效焦長 2500mm?) 自動修正曝光可達 1 小時 . 減焦至 4500mm
曝光可達 2 小時 .前提是必須有相當亮的導引星供做導星之用,至少大約
SAO 9等星亮度 .
■使用 ST-4 Star Tracker 做自動導星
當啟動ST-4電源,ST-4的控制盒上紅色LED會顯示「Fr.4」字樣;表
示目前使用的韌體(Firmware)是「#4」的版本 .然後ST-4會進入「FIND
AND FOCUS」模式,LED會顯示CCD晶片上所受光的亮度峰值位置及亮度值,
接著按「 Interrupt」鍵來修改參數.
EA - Exposure Adjust.曝光(積分)時間調整,範圍從 0.1∼20秒
.而 CCD讀出時間差為 0.14秒, 並不至於影響追蹤.對於使用長焦距的望遠
鏡作為導星鏡的場合, EA曝光(積分 )時間調整應設在5秒以上,以避免視相
(seeing)不良時,瞬間的星點像偏移,ST-4立即反應修正,反而造成不正確的
追蹤結果 . 5秒曝光(積分)時間左右使隨機瞬間星點像累積形成正確星點
像分佈 , ST-4會依強度峰值為準做修正, 所以說導星修正並不是愈頻繁愈
快愈好.而應以赤道儀追蹤狀況 , 在有效追蹤時間間隔內修正.也就是說要
找出所用的望遠鏡系統自動追蹤的極限時間,譬如說是1分鐘,那就令ST-4每
1分鐘內修正一次;此時曝光時間設在20秒是一個恰當值.
b - Boost factor.有1X, 2X, 3X, 4X四種選擇.控制ST-4內部訊
號放大器 ,即增益 (gain)調整 .使用暗星為追蹤星時增加增益, 使用較短
EA曝光時間就可以得到足夠的訊號.小心!使用很暗星為追蹤星時,暗電流值
變化接近星亮度值時,系統容易判斷失誤,會失去追蹤星.暗電流也必須在增
益調整後重新取. b值為 1的情形適用於使用亮星來導星的場合, b值為4適
合使用暗星為導引星的場合.改變b值和EA曝光(積分)時間的設定使星星的
亮度值介於10∼ 70之間 ,才能有效追蹤.當b值為4時的長時間的曝光(大於
10秒)會使CCD的暗電流太大,以及當使用小於亮度值10的暗星為導引星時,
都會致使ST-4追蹤失誤.
bA - brightness Adjust. 「A」模式為一般使用的正常模式.「F
」模式統計以峰值為中心的 3 x 3陣列共 9個像素值總和,適合使用暗星為
追蹤星時使用 .
SA - Scintillation adjust.範圍1∼100.每次成功的導星修正需
要做的像素位置修正誤差數,係一經驗值 , 需經實際實地使用之後決定.值
為「 1」時表示ST-4,使用長焦距的望遠鏡或觀測條件不佳的晚上需要增加
該值,假如值太低的話 ,馬達會跑掉 (run away)而追丟星星.
FL - Focal Length.使用短焦距望遠鏡時設為「S」 .使用長焦距
望遠鏡,焦距大於50吋時(1270mm)設為「L」.「S」定追蹤方框的大小為9 x
9像素 ,「L」定追蹤方框的大小為 33 x 33像素 ,適用於望遠鏡略微脫焦
或視相不佳的場合, 如果想追蹤很長期的時間(大於1小時)也應用「L」模
式; 當星亮度值小於20時, 避免使用「Boost=4」的值
*CA - Calibration Adjust.修正(校正)時間量調整,範圍為 5∼
30,以"秒 "為單位.為「CALIBRATE」模式執行時,馬達每次移動的時間量;
如果CA時間設太長星星會在「CALIBRATE」模式執行時移動到CCD外, 造成
ST-4自動追蹤前置設定錯誤 .新版的ST-4將此設定改為C1, C2.
C1 - Calibrate time 1.在「Calibrate」模式X軸的持續移動時
間,可設定值範圍由1∼20,30,40秒.為「CALIBRATE」模式執行時,馬達每次
X軸移動的時間量;如果CA時間設太長,星星會在「CALIBRATE」模式執行時
移動到CCD視野外,造成 ST-4自動追蹤前置設定錯誤 .
C2 - Calibrate time 2.在「 Calibrate」模式Y軸的持續移動時
間,可設定值範圍由1∼20,30,40秒.為「CALIBRATE」模式執行時,馬達每次
Y軸移動的時間量;如果CA時間設太長,星星會在「CALIBRATE」模式執行時
移動到CCD視野外,造成 ST-4自動追蹤前置設定錯誤 .
H1 - Hysteresis (backlash) Adjustment.範圍0∼30.補償X軸馬
達反轉時因齒輪游隙而需要一段額外時間之後才能抵緊的反應時間差問題.
值設 0或太低會減緩修正,但一般不是問題 .赤經不會有backlash現象, 因
為赤經馬達以恆星時帶動,無論加速或減速,齒輪一直是保持緊密結合的.赤
緯的 backlash比較值得注意, 反覆按ST-4控制盒上左右或上下方向鍵以高
倍率觀察星星移動,來計算XY兩軸反轉時間差.如果能以「 drift方法」校
好極軸的話 ,赤緯幾乎不需要修正 ,這個問題也就能迎刃而解了.通常ST-4
的X軸接赤經馬達方向修正,Y軸接赤緯馬達方向修正.
H2 - Hysteresis Adjustment.Y軸補償的時間差.範圍0∼30.
AA - Averaging Adjust.範圍1∼10.設定在ST-4執行導星修正前
所做的平均曝光次數 .可選值1∼ 10.設大於1的值可以使很好的馬達驅動
系統獲益不少.而不好的驅動系統則因漂移甚快, 平均幾次曝光結果反而使
星星更快遠離中心.剛開始時建議使用2∼ 4間值,當平均幾次曝光結果時,
會顯示「A」,但不會立即做修正 .選擇「4」的話,平均4次曝光結果, 才做
一次修正,假如每次EA曝光值設為20秒,則約80秒做一次導星修正.
AL - Alarm.鬧鐘,範圍1∼4.失去導引星幾次之後才發出警告聲響
.值「1」在一失去導引星, ST-4便立即停止曝光並發出警告聲響.值「2」
在兩度失去導引星, ST-4便立即停止曝光並發出警告聲響 .
同時按下「MODE」和「TRACK」兩鍵,系統打斷ST-4目前動作並將
視野導回到最初的導引星位置.
■使用 ST-4 Star Tracker 的 CCDTRACK 軟體做自動導星
CCDTRACK 軟體係提供使用 ST-4 做自動導星的功能, 使我們
得以在螢幕上直接看到導星的情形,不必再迷盲於控制盒上 LED 數字
之間 . 前提必須要一台 PC 作為終端控制 , 野外觀測時便攜式的
NOTEBOOK PC 輕便節電,是較好的選擇 . CCDTRACK 和 ST-4 CCD 控制
軟體大同小異,惟多了一個自動導星的功能 .
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