Светосильный астрограф системы Ю.А. Клевцова

[Клевцов Юрий Андреевич]

Какой конкретно величины пиксель имеется в виду?

Пиксель 2,81 мкм - IMX811, 250Мп, диагональ 65 мм - реалии завтрашнего дня, на меньшее метровый телескоп и нет смысла закладывать.

А если говорить о реалиях сегодняшнего, то 3,76 мкм, 100-150Мп. На 100 Мп QHY461PH была открыта комета Санковича, камера прекрасно показала себя в работе.

Алексей! А всё же, какова чувствительность этих матриц? Можно ли их использовать для космического мониторинга астероидов?
Требования там жёсткие - проницающая величина не менее 23 - 24 m и в режиме непрерывного мониторинга не ниже 20m при
скорости обзора 10000 кв. градусов за ночь. Насколько мне известно, для этой цели применяются матрицы с размерами пикселей
не 2,8 мкм, а где-то 9 - 12 мкм и телескоп диаметром 1,6 м с такой матрицей способен за 1 сек зарегистрировать объект 20m.

[GraY25]

Это совершенно не так. Для экономных профессионалов есть "правило Молотова" - рациональность сопряжения оптической трубы, ОПУ и ФПУ близкой стоимости.

Ок.
Чем тогда плох вариант RASA36 + QHY811?
Согласно калькулятору он вполне может выдать с субсекундным разрешением 20м на горном небе за 1 сек. На поле Ø 4.4°.

[Алексей Юдин]

Чем тогда плох вариант RASA36 + QHY811?

"Правило Молотова" нарушается, ну примерно так же как в комбинации FSQ106+16803 - камера в 2,5 раза дороже трубы.

А чисто технически - всем хорош, кроме пиксельного масштаба, для обзоров прикладного значения 0,73" многовато, у ATLAS классической версии 1,88", у Совы-75 2". Но в биннинге 2х2, безусловно, будет неплохо.

Так то RASA36 и разрабатывалась с прицелом именно на прикладные обзоры с камерой 50100 и подобными, среднего формата, с ней был масштаб 1,57", вполне нормально, просто пиксель помельчал, но бинированная 811 это исправляет.

Но практически пока суперхит - RASA11+QHY600, масштаб 1,25", крайне низкая цена одного канала. Кластером таких труб заменяют в новой очереди ATLAS камеру Шмидта 500 1:2 с "лебединой песней астрономических ПЗС" - STA-1600 111 Мп 9 мкм 95х95 мм.
https://arxiv.org/abs/2302.07954

Другая очень похожая система - израильский LAST, запланировано 48 каналов https://doi.org/10.1088/1538-3873/aceb30

А ещё в 2016м был сделан проект DDOTI - RASA11+KAF50100, сразу отмечено, что работает не идеально, но приемлемо. Масштаб 2".

RASA36 тоже используется и с QHY600 https://amostech.com/TechnicalPapers/2022/Poster/Vestrand.pdf
Продолжение кластерного проекта RAPTOR https://amostech.com/TechnicalPapers/2008/Posters/Vestrand.pdf для специфической задачи.

На прошлой неделе как раз на эту тему делал доклад на конференции "Успехи российской астрофизики 2025: Теория и эксперимент", "Многорежимные кластеры оптимальных телескопов на пути в гигапиксельную эру". Основной тезис - перспективность создания многорежимного, работающего как широким обзором, так и в одну площадку на максимальное проницание, кластера малых телескопов с параметрами около 300 1:1 и камерой QHY811Pro в максимальном варианте и QHY461PH - в начальном. Такой кластер обеспечит масштаб 1,9", единичное поле 71 кв. град., базовый блок из 4х телескопов по этендю уверенно превзойдёт один телескоп типа Сова-75О с близким пиксельным масштабом и даёт гигапиксельное мгновенное поле. Для замены по проницанию в реальном времени нужно 8 труб, с учётом большей интегральной квантовой эффективности ПЗС E2V42-40, но и площадь кадра сильно больше - 71 против 26 кв. град. Даже в базовом варианте с QHY461 получается 52 кв. градуса при масштабе 2,6", этот вариант интересен не только как более бюджетная первая очередь, но и как широко разворачиваемая, многими десятками каналов, метеорная система высоких параметров.

[Алексей Юдин]

А всё же, какова чувствительность этих матриц? Можно ли их использовать для космического мониторинга астероидов?

При одинаковом согласовании ФРТ и пикселя его размер значения не имеет, важна лишь интегральная квантовая эффективность с используемом диапазоне и немного - шум считывания, впрочем, у КМОП-матриц серии IMX-STARVIS его можно считать что нет, в практичных режимах первые единицы электронов.

По интегралу квантовой эффективности для диапазона 400-900нм ориентиры следующие:
80% BSI-CCD, как в телескопе Сова-75О комплекса Прицел/ОЭК-ОКМ
52% FSI-CCD KAF9000/4320 - большинство малых обзорных телескопов за прошлые 20 лет.
44% FSI-CCD KAF16803 - сеть Мастер, часть прикладных аналогичных системы, ТШП-35
По новым матрицам данные несколько отличаются, но на https://www.qhyccd.com/quantum-efficiency-performance-of-the-imx585-sensor-in-the-minicam8/ есть сравнение по единой методике STARVIS (571) и STARVIS-2(585), исходя из этого можем оценивать:
57% BSI-CMOS IMX 571/455/461/411
76% BSI-CMOS IMX 585/811
По другим данным IMX411 45% интеграл, тогда, взяв относительно, имеем пессимистичную оценку IMX811 60%. Тоже весьма хорошо, т.е. имеем либо практическое перекрытие дорогих научных ПЗС, либо просто превосходство надо всеми традиционными (52%)
Китайские матрицы с крупным пикселем:
4040FSI 60%, лучше старых ПЗС-одноклассниц
6060BSI 76%, полноценное замещение научных BSI-CCD

Насколько мне известно, для этой цели применяются матрицы с размерами пикселей
не 2,8 мкм, а где-то 9 - 12 мкм и телескоп диаметром 1,6 м с такой матрицей способен за 1 сек зарегистрировать объект 20m.

Говоря в целом, сейчас практически перестали быть актуальными попытки сделать задорого габаритный обзорник типа "Окно"/"Зоркий", т.к. в наших реалиях это ситалловое ГЗ от ЛЗОС, большой индивидуальный проект и прочие "мероприятия". Мир переходит на COTS, как в совсем военной области, так тем более в переходной сфере, "двойного назначения", что наилучшим образом показывают вышеприведённые проекты, ставшие мировым стандартом де-факто.
PANSTARRS/DEC/подобные системы - несколько другое дело. SST/LSST - тоже. Но у нас на них и не замахиваются всерьёз, т.к. мозаики делать дорого и трудновоспроизводимо.

Ассиметричный ответ Китая на LSST - создание массива из десятков метровых Шмидтов, оптимизированных на конкретные фильтры, с матрицей 90х90, китайской. Разумное решение, возможно и мы придём к чему-то сопоставимому. В частности, системы метрового класса по схеме Чуриловского-2 с матрицами GSENSE9090, либо всё-таки недорогие мозаики из матриц типа 811, как разреженные фокальные, так и, возможно, с перепроекцией, типа Flyeye.

По проницающей 20m за секунду был ответ:

Чем тогда плох вариант RASA36 + QHY811?
Согласно калькулятору он вполне может выдать с субсекундным разрешением 20м на горном небе за 1 сек. На поле Ø 4.4°.

Вопрос, конечно, какие SNR и остальные параметры закладывались в калькулятор, чтобы сравнивать с другими. Обычно SNR не менее 3 по классике.

300 1:1 на матрице IMX811 даст в одном канале 18,6m при таких параметрах:

Filter:     none
Tel_diam:   30 (cm)
Overall QE: 0.35
Pixsize:    1.9 (arcsec/pixel)
Readnoise   2 (electrons)
Sky mag:    21 (mag/sq.arcsec)
Airmass:    1.2
Ext_coeff:  0.2
Exptime:    1 (sec)
FWHM:       2 (arcsec)
Aper_rad:   2 (arcsec)

Это предельная проницающая на благоприятном пике алиасинга, с апертурой 2", с апертурой 4"(2х2 пикселя) имеем 18m. В квантовую 0,35 заложены 70% интеграл матрицы и 50% светопропускание системы с учётом всех факторов.

Масштабирование проницающей силы при кластерном сложении для таких низких шумов идёт практически по площади светосбора, так что 4 телескопа дадут 18,9m для апертуры 4", 8 - 19,3, 16 - 19,7, 24 - 19,9, 36 - 20,2. Предельная проницающая для 2" фотометрической апертуры будет 19,5/19,9/20,3/20,6/20,8 соответственно.

И да, если говорить о требовании 10 тыс. кв. град./ночь, то для обсуждаемой 300-ки это всего-навсего 141 кадр, для ночи 10ч имеем экспозицию 255с, при ней проницающая FWHM2"/PAP4" 21,2m - уже одна труба закроет требования непрерывного обзора. Но это, конечно, для дальних объектов, движущихся медленно.

[Клевцов Юрий Андреевич]

Ассиметричный ответ Китая на LSST - создание массива из десятков метровых Шмидтов, оптимизированных на конкретные фильтры, с матрицей 90х90, китайской. Разумное решение, возможно и мы придём к чему-то сопоставимому. В частности, системы метрового класса по схеме Чуриловского-2 с матрицами GSENSE9090, либо всё-таки недорогие мозаики из матриц типа 811, как разреженные фокальные, так и, возможно, с перепроекцией, типа Flyeye.

В целом изложено понятно, только масса нерасшифрованных специальных аббревиатур. Кстати, в своей статье я предлагал нечто подобное, только со своими 1 м системами. А мозаики рано или поздно научатся делать. Вот только специалисты почему-то считают диаметр телескопа 1 м нижним пределом обеспечения 20m за секунду и хотят иметь запас апертуры порядка 1,5 м.

Это предельная проницающая на благоприятном пике алиасинга, с апертурой 2", с апертурой 4"(2х2 пикселя) имеем 18m. В квантовую 0,35 заложены 70% интеграл матрицы и 50% светопропускание системы с учётом всех факторов.

А вот тут мне непонятно (выделено красным), какого диаметра апертура имеется в виду (50 - 100 мм?). Мне кажется, этого маловато для получения предельной величины 18m по одному кадру и за какое время экспозиции? Или это после сложения многих кадров с короткой экспозицией? Как бы там ни было, а масса малых телескопов вряд ли заменит один большой. Впрочем, это
моё личное мнение.

[Алексей Юдин]

А вот тут мне непонятно (выделено красным), какого диаметра апертура имеется в виду (50 - 100 мм?).

Это виртуальная диафрагма в фокальной плоскости, закладываемая при обработке и в калькулятор по ссылке.

[art-xrom]

Ну размер пикселя зачем и почему понятно, но я Леш не понимаю, на кой ты все время стоимость приплетаешь?

[Алексей Юдин]

Ну размер пикселя зачем и почему понятно, но я Леш не понимаю, на кой ты все время стоимость приплетаешь?

Так бесплатно же ничего не строится! В проекте ATLAS, чья способность открывать кометы, в т.ч. межзвёздные, в представлении не нуждается, деньги явно не безлимитные, поэтому они отказались даже от средних телескопов с большими матрицами, переходят на кластеры малых.

У остальных проектов, понятное дело, ситуация ничем не отличается.

Ну и, как говорил покойный В.Ф. Бондарь:"Матрицы с большим пикселем никогда не будут такими хорошими, как матрицы с мелким!" и "Этот приёмник я ждал десятилетие!(про Andor Neo sCMOS)"

В целом, не надо иллюзий, что прикладная астрономия, да и вообще оборонка получат вдруг какую-то индульгенцию "безлимитно жрать". Этого не будет, как тут фантазируют некоторые, как раз наоборот, и к нам придут известные глобальные выводы "по осуществлённым практическим этапам". "Мероприятия" и прочие "красивые карнавалы" в прошлом, настало время эффективных, взвешенных решений.

[библиограф]

Каждый коммунист должен учиться торговать!
 Более известна в сокращенной форме
Учитесь торговать!
 В.И. Ленин

[Алексей Юдин]

Учитесь торговать!
 В.И. Ленин

Ага, и "...победит тот, у кого лучшие машины." - он же.

[Клевцов Юрий Андреевич]

"Мероприятия" и прочие "красивые карнавалы" в прошлом, настало время эффективных, взвешенных решений.

С учётом собственного опыта меня терзают смутные сомнения, что-то на практике я этих взвешенных решений
не наблюдаю. Всюду старые штампы и перейти на что-то новое, прогрессивное крайне сложно. Как правило,
на это нет средств и возможностей.

[ysdanko]

Как бы там ни было, а масса малых телескопов вряд ли заменит один большой.

Вы совершенно правы. Сыр в мышеловке не бывает бесплатным. За все надо платить. В данном случае, временем накопления сигнала. И если сплошная апертура способна зафиксировать сигнал за секунду, то такая же по площади из ста каналов, будет копить сигнал в несколько, а то и сотню раз дольше.

[Алексей Юдин]

Всюду старые штампы и перейти на что-то новое, прогрессивное крайне сложно. Как правило, на это нет средств и возможностей.

Известное дело, по выражению астронома, науковеда и президента АГО Г.С. Хромова - "институциональная ловушка". У более молодых поколений выражения куда прямее:

Механика ступора и импотенции советских НИИ и КБ периферийной зоны

https://topwar.ru/202901-mehanika-stupora-i-impotencii-sovetskih-nii-i-kb-periferijnoj-zony-chast-i.html

Для начала, просто стоит перестать воспринимать находящиеся в ступоре неповоротливые структуры как данность, которая что-то определяет в своей теме. Достаточно глянуть на отечественные прикладные обзоры космоса последних 20 лет. Системы малых телескопов, такие как ПУЛКОН и МАСТЕР, очень быстро превзошли по своим возможностям комплекс "Окно" и то немногое развитие, что происходило по линии "большой оборонки" в этой области, шло уже в их русле - предок "Прицела", ТШП-35, представляет собой брата-близнеца первого МАСТЕРа, второй комплект оптики от Геннадия Борисова.

На Западе тоже есть и EXO-Analytics в частности, и Anduril вообще.

[Алексей Юдин]

И если сплошная апертура способна зафиксировать сигнал за секунду, то такая же по площади из ста каналов, будет копить сигнал в несколько, а то и сотню раз дольше.

Как раз она за тоже время и накопит, поскольку единственная её издержка - суммируемый по каналам шум считывания, пренебрежимо мала по сравнению с фотонным шумом практических величин  сигнала.

[e+]

Поставим вопрос другим образом - для чего и насколько большие телескопы нужны современной астрономии?

Ну размер пикселя зачем и почему понятно, но я Леш не понимаю, на кой ты все время стоимость приплетаешь?

Если у нас есть несколько вариантов инструментов, дающих один и тот же результат на выходе, то логично выбрать тот, что будет дешевле, так как на сэкономленные средства (т.е., в итоге, ресурсы, рабочие силы, время и т.д.) можно сделать ещё что-нибудь полезное. "Результат" правда, может быть понятием очень многогранным и выражаться не только в объёме данных.

[Алексей Юдин]

Поставим вопрос другим образом - для чего и насколько большие телескопы нужны современной астрономии?

Тут надо прежде всего чётко понимать, что такое "апертура".

С радиооптической точки зрения "апертура" - характерный пространственный параметр системы, определяющий сопряжённую с ним предельную частоту. Апертура, как и частота, бывает и пространственная, и временная (временное окно обработки сигнала, определяющее полосу пропускания тракта).

Так вот, когда мы находимся не в дифракционно-ограниченной области, т.е., например, фотографируем небо телескопом диаметр 1м и с пиксельным масштабом 0,7", то наша "апертура" - в лучшем случае пиксельный масштаб, а в худшем - атмосфера.

А метровое входное отверстие телескопа - совсем не апертура в пространственно-частотном смысле, а всего лишь площадь светосбора, определяющая статистику фотонного потока. Поэтому, пока сохраняется эффективный пространственный масштаб по разрешению, и нет разницы, на сколько каналов разделять накопление в этом масштабе. Впрочем, обычно она как раз в плюс большому количеству малых телескопов, поскольку, как общеизвестно, чем меньше телескоп, тем качественнее его изображение!

[Клевцов Юрий Андреевич]

Поставим вопрос другим образом - для чего и насколько большие телескопы нужны современной астрономии?

Тут надо прежде всего чётко понимать, что такое "апертура".

С радиооптической точки зрения "апертура" - характерный пространственный параметр системы, определяющий сопряжённую с ним предельную частоту. Апертура, как и частота, бывает и пространственная, и временная (временное окно обработки сигнала, определяющее полосу пропускания тракта).

Так вот, когда мы находимся не в дифракционно-ограниченной области, т.е., например, фотографируем небо телескопом диаметр 1м и с пиксельным масштабом 0,7", то наша "апертура" - в лучшем случае пиксельный масштаб, а в худшем - атмосфера.

А метровое входное отверстие телескопа - совсем не апертура в пространственно-частотном смысле, а всего лишь площадь светосбора, определяющая статистику фотонного потока. Поэтому, пока сохраняется эффективный пространственный масштаб по разрешению, и нет разницы, на сколько каналов разделять накопление в этом масштабе. Впрочем, обычно она как раз в плюс большому количеству малых телескопов, поскольку, как общеизвестно, чем меньше телескоп, тем качественнее его изображение!

Так ведь масштаб определяется фокусным расстоянием, а разрешающая способность диаметром телескопа. Если вы ставите
ряд малых телескопов одинакового фокуса (для сохранения масштаба), то изображение звезды растянется дифракцией на ряд пикселей и вы потеряете в чувствительности относительно одного телескопа с эквивалентным по площади зрачком.

[e+]

То есть, поскольку, сейчас у нас есть малошумящие приёмники, позволяющие не только хранить, но и затем считывать и преобразовывать сигнал самым разным образом, то от большой оптической системы, накапливающей сигнал за счёт одной поверхности более-менее близкой к "дифракционной", мы переходим к его накоплению за счёт обработки информации о нём.

Находим место с удобной атмосферой и, относительно простой техникой, за стоимость на 1-2 порядка меньшую, завозим туда целый массив телескопов с апертурой в "десятки сантиметров - метр". Так?

P.S. И, только если на инструмент добавляется активная и адаптивная оптика, позволяющая заглянуть за "атмосферный предел разрешения" - то большой инструмент будет иметь смысл?

[ysdanko]

Как раз она за тоже время и накопит, поскольку единственная её издержка - суммируемый по каналам шум считывания, пренебрежимо мала по сравнению с фотонным шумом практических величин  сигнала.

В 1-метровом телескопе сигнал собирается на одну матрицу, и шум считывания добавляется один раз. В массиве из 100 телескопов шум считывания добавляется от каждой из 100 матриц.При суммировании \(N\) кадров полезный сигнал растет как \(N\), а случайный шум — как \(\sqrt{N}\).Для \(N=100\): Шум считывания итогового изображения будет в \(\sqrt{100}=10\) раз выше, чем у одного большого телескопа.

Кроме того для канала с мелким телескопом, существует "дефицит" фотонов. Для предельно малых освещенностей, может сложиться ситуация, когда и складывать от каналов нечего, кроме шума. За время короткой экспозиции отдельный канал, просто не успеет собрать достаточное количество информативных фотонов.

[Алексей Юдин]

Если вы ставите
ряд малых телескопов одинакового фокуса (для сохранения масштаба)

Так пиксель уменьшается, а самое главное - растёт мегапиксель, т.е. поле зрения, темп обзора.

При переходе в ATLAS от 500 1:2 9 мкм к 280 1:2,2 3,76 мкм масштаб уменьшается с 1,88" до 1,25", разрешение тоже растёт.

Если мы заменяем Сову-75О 750 1:1,9, 13,5 мкм кластером объективов 300 1:1, масштаб сохраняется, 2". Если по мере выбывания мозаик E2V 42-90 "Прицелы" будут переходить на GSENSE1081, как на единственную доступную замену, то масштаб будет 1,5", для замены такого варианта уже освоен Зоннефельд Сантел 400/500, с камерой QHY411Pro он даст 1,55" и 28 кв. град.