Video Beobachtung

Foto: Thomas Becker

Automatische Meteorbeobachtung mit bildverstärkten Videokameras

Die Meteorbeobachtung hat eine lange Tradition in der Amateurastronomie. Es ist eines der wenigen Gebiete, wo Amateure auch heute noch zum wissenschaftlichen Fortschritt in der Astronomie beitragen können. Das liegt zunächst einmal an der Natur der Meteore, die quasi unvorhersagbar sind. Man kann zwar ganz gut abschätzen, wie viele Meteore in einer bestimmten Nacht zu beobachten sein werden, aber wann und wo ein Meteor am Himmel aufleuchtet ist völlig zufällig. Zudem benötigt man Beobachter auf verschiedenen Längen- und Breitengraden um die Meteoraktivität vollständig abzudecken. Beobachtungen von einem einzelnen Ort sind (zumindest im optischen Bereich) auf die Nachtstunden beschränkt. Zudem ist ein Meteorstrom nur dann beobachtbar, wenn sein Radiant über dem Horizont steht. Schließlich gibt es weltweit nur eine verschwindend geringe Zahl an Astronomen, die sich professionell mit Meteoren befassen. Sie können sich oftmals nur mit der Auswertung der Beobachtungen und der Modellierung von Meteorströmen befassen, ohne selbst zu beobachten.

Unter den Amateurastronomen gibt es hunderte von Meteorbeobachtern in einer Vielzahl von Ländern weltweit. Sie können das ganze Jahr über und rund um die Uhr Daten sammeln. Vor fast 15 Jahren wurde die International Meteor Organization (IMO) gegründet. Sie hat Beobachtungsstandards definiert die es ermöglichen, die Beobachtungen verschiedener Beobachter im Rahmen von globalen Meteorstromanalysen zu kombinieren . Seit dieser Zeit sammelt die IMO die Daten der nationalen Meteorbeobachtergruppen und einzelner Beobachter, vermittelt und unterhält Kontakte zu den einzelnen Gruppen und fördert die verschiedenen Beobachtungsmethoden.

Für jemanden der sich noch nicht genauer mit der Meteorbeobachtung befaßt hat mag es verblüffend sein, daß sich die grundlegende Beobachtungsmethode in den letzten hundert Jahren kaum geändert hat. Die Mehrheit aller Daten werden noch immer von visuellen Meteorbeobachtern gesammelt. Dabei wird der Nachthimmel an einem dunklen Beobachtungsort mit den bloßen Augen durchmustert. Die einzelnen Meteore werden entweder nur gezählt (counting) oder in spezielle gnomonische Sternkarten eingetragen (plotting), um sie später genauer zu vermessen. Der Erfolg dieser Beobachtungsmethode rührt nicht nur daher, daß keinerlei technisches Gerät oder spezielle Voraussetzungen erforderlich sind, sondern auch von den Eigenschaften des menschlichen Auges, das ein sehr effektiver Meteordetektor ist. Wir können ein großes Gesichtsfeld bei gleichzeitig guter Grenzgröße überwachen. Andere Beobachtungsmethoden haben (noch) nicht diese Bedeutung erlangt. Die Meteorphotographie, zum Beispiel, kann nur die hellsten Meteore erfassen. Mit einem lichtstarken Objektiv und empfindlichen Film erreicht man nur Meteore der Helligkeit 0 oder +1 mag, und selbst die großen Super-Schmidt-Kameras der Fünfziger Jahre konnten nur Meteore bis zur dritten Größenklasse aufzeichnen. Das sind noch immer drei Größenklassen weniger als das menschliche Auge bei deutlich größerem Gesichtsfeld leistet!

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts ist die Radarbeobachtung von Meteoren zur ersten Wahl für viele Berufsastronomen geworden. Ein aktives backscatter-Radarsystem, daß die ionisierten Meteorspuren registriert, ist zwar teuer, ermöglicht dafür jedoch automatisierte Beobachtungen Tag und Nacht rund um die Uhr. Zudem registrieren Radars viel schwäche Meteorspuren als visuelle Beobachter und damit auch um Größenordnungen mehr Meteore. Dafür ist es sehr kompliziert, aus den Radardaten die wichtigsten Parameter eines Meteors wie dessen Richtung, Geschwindigkeit und Helligkeit mit großer Präzision zu bestimmen. Bei der Amateur-Variante der Radarbeobachtung, der passiven forward-scatter-Beobachtung ist die Datenauswertung noch komplizierter. Aus diesem Grund sind die Radiometeorbeobachtungen der Amateure auch nur dazu geeignet, daß allgemeine Aktivitätslevel zu überwachen und Ausbrüche zu registrieren.

Die Videobeobachtung ist die jüngste Meteorbeobachtungsmethode. Bildverstärkte Videokameras wurden zum ersten Mal in den sechziger Jahren zur Meteorbeobachtung eingesetzt. Unter den Amateuren waren japanische und holländische Beobachter die ersten, die Videosysteme ab den späten achtziger Jahren einsetzen. Will man es auf den Punkt bringen, dann vereinigt die Videobeobachtung viele Vorteile der anderen Beobachtungsmethoden im optischen Bereich. Dafür ist die Technik auch recht teuer und abhängig vom Strom. Eine Videokameras kann genauso effektiv Meteore registrieren wie ein visueller Beobachter, indem sie ein großes Gesichtsfeld mit guter Grenzgröße überwacht. Zudem ist sie objektiver und nicht anfällig für Beobachtungsfehler. Ein Videosystem kann die Position, Helligkeit und die Winkelgeschwindigkeit eines Meteors mit hoher Präzision bestimmen, ohne dabei müde zu werden oder einzuschlafen. Videosysteme sind auch für Beobachtsorte interessant, die keinen perfekt Nachthimmel aufweisen können, weil sie deutlich weniger anfällig gegen Streulicht sind als ein visueller Beobachter.

Die wichtigste Komponente einer Videometeorkamera ist der Bildverstärker, üblicherweise einer der zweiten oder dritten Generation mit Mikrokanalplatte (MCP). Selbst die besten heutigen CCD-Kameras sind ohne Bildverstärker deutlich unterlegen, da sie unempfindlicher als bildverstärkte Kameras sind und nur die hellsten Meteore aufzeichnen können. Üblicher Weise wird ein lichtstarkes Photoobjektiv vor den Bildverstärker montiert. Die Brennweite des Objektivs bestimmt dabei wesentlich die Eigenschaften der Meteorkamera: Mit einem 50mm-Standardobjektiv (Blende 1.8) erzielt man zum Beispiel ein Gesichtsfeld von etwa 30 Grad Durchmesser bei einer stellaren Grenzgröße von 7 bis 8 Größenklassen. Ein Weitwinkelobjektiv (z.B. 1.8/28 mm) liefert ein größeres Gesichtsfeld (etwa 50 Grad) bei geringerer Grenzgröße (ca. 6 mag), wohingegen ein Teleobjektiv 1.5/100 mm Sterne jenseits der 9. Größe bei einem Gesichtsfeld von nur noch etwa 15 Grad aufzeichnet. Für die Überwachung der allgemeinen Meteorstromaktivität bevorzugt man üblicher Weise ein großes Gesichtsfeld, während für Mehrstationsbeobachtungen der Meteore Teleobjektive bevorzugt werden, die eine größere räumliche Auflösung und Positionsgenauigkeit liefern.

An der Rückseite des Bildverstärkers sitzt eine normale CCD-Videokamera, deren Aufnahmen auf Videokassetten aufgezeichnet werden, um sie später genauer zu analysieren.

Was benötigt man zur automatischen Videometeorbeobachtung?

Eine bildverstärkte Videometeorkamera besteht aus drei Teilen. Am wichtigsten ist der Bildverstärker, der ausreichend Verstärkung (5,000), eine große Photokathode (am besten 25 mm) und möglichst wenig Rauschen und Bildverzeichnung aufweisen sollte. Bildverstärker der zweiten Generation oder höher sind meistens gut geeignet. Manchmal werden gebrauchte militärische Bildverstärker zu vertretbaren Preisen angeboten. Oftmals wird der Bildverstärker gleich zusammen mit einem lichtstarken Objektiv geliefert, ansonsten kann man auch normale Kleinbild-Photoobjektive verwenden. Die Videokamera zum Aufzeichnen des Bildschirms muß nicht besonders empfindlich sein. Wichtiger ist, daß wirklich der komplette Phosphorschirm des Verstärkers scharf abgebildet wird, was meistens einw Koppeloptik etwas längerer Brennweite erfordert. In jüngster Zeit erobern neue CCD-Videokameras den Astromarkt, die deutlich empfindlicher als ihre Vorgänger sind. Dank einer höheren Lichtausbeute, dem über einen großen Wellenlängenbereich hochempfindlichen CCD-Chip (z.B. Sony ExView HAD) und der extrem rauscharmen Ausleseelektronik kann man diese Kameras auch ohne Bildverstärker zur Meteorbeobachtung einsetzen. Zwar sind sie einem bildverstärkten System noch immer unterlegen, aber dafür auch deutlich preiswerter, robuster (z.B. unempfindlich gegen Mond und Dämmerung) und von langer Lebensdauer. Zur automatischen Datenanalyse mit MetRec wird ein PC mit Dos (oder Win95/98) benötigt. Ein Pentium-PC mit 200 MHz und 16 MB RAM ist die untere Grenze, mit 500 MHz und 32 MB RAM ist man bereits auf der sicheren Seite. MetRec unterstützt die Framegrabberfamilie der kanadischen Firma Matrox (http://www.matrox.com) und ist speziell auf den Meteor-II-Framegrabber zugeschnitten, der neu knapp 700 Euro kostet. Die Software kann von der MetRec-Homepage www.metrec.org heruntergeladen werden. Amateure können die Software kostenlos nutzen, während professionelle oder kommerzielle Nutzer zunächst eine Registrierungsgebühr bezahlen müssen. Auf Nachfrage wird auch der Quelltext von MetRec zur Verfügung gestellt.

Die Datenanalyse war für lange Zeit der Flaschenhals bei der Videometeorbeobachtung. Wenn man eine Meteorkamera hat, kann man den Nachthimmel stundenlang aufzeichnen und dabei viele Meteore erfassen. Die Meteore jedoch aufzufinden und zu vermessen ist eine komplizierte Angelegenheit. Als die Amateurastronomen mit der Videobeobachtung begannen, steckte die PCs noch in den Kinderschuhen. Sie konnten bestenfalls die Positionsmessung und Koordinatentransformation unterstützen, aber das Auffinden der Meteore auf den Videobändern erforderte Beobachter, die sich die Videobänder ansahen. Auch die Positionsmessung musste manuell erfolgen, da Framegrabber noch nicht zur Verfügung standen. Viele interessante Fragestellungen hätte man bearbeiten können, wenn die Auswertung der Videodaten effektiver wäre: Die Überwachung der Meteorstromaktivität während eines ganzen Jahres unabhängig vom Mond, der Temperatur und der Durchsicht, die Untersuchung von kleinen und großen Meteorströmen, das Registrieren von Meteorausbrüchen und das detaillierte Studium der Eigenschaften bestimmter Meteorströme (Helligkeitsverteilungen, Lichtkurven, Nachleuchten, usw.), die Feuerkugelüberwachung, die Untersuchung teleskopischer Meteorströme, die nur aus sehr schwachen Meteoren bestehen, und vieles andere mehr.

Die ersten Versuche, eine Software zur automatischen Meteorerkennung zu schreiben, reichen in das Jahr 1993 zurück. Damals entwickelte der Autor ein Programm das in der Lage war, den Videodatenstrom in vier Durchläufen nach Meteoren zu durchsuchen. Am Ende waren die Bemühungen aufgrund der begrenzten Rechenkapazität der PCs und der geringen Datentransferrate der Framegrabber jedoch nur teilweise erfolgreich. Problematisch waren auch die stark verrauschten Bildverstärker der ersten Generation, die zunächst zum Einsatz kamen. Drei Jahre später schrieb ein amerikanischer Amateur ein Programm, dass Meteore in Echtzeit erkennen konnte. Er verband den Computer mit seiner Meteorkamera und konnte damit im Laufe der Nacht Meteorbilder live aufzeichnen. Obwohl sein System niemals regelmäßig zum Einsatz kam zeigte es doch, dass die PC-gestützte Datenanalyse in Echtzeit nicht mehr unmöglich war. Inzwischen kamen auch bei uns mehr und bessere Meteorkameras zum Einsatz, was den Bedarf an effizienter Auswertesoftware noch erhöhte. Aus diesem Grund wurde das alte Softwarepaket vom Autor noch einmal komplett neu geschrieben. Mitte 1998 war dann die erste Version der neuen Software MetRec fertig.

Am Anfang ging es nur darum, dass MetRec die Meteore im Videosignal in Echtzeit registriert und ihre Aufleuchtzeiten speichert. Es konnte gezeigt werden, dass die Software diese Aufgabe gut bewältigt. In qualitativ hochwertigen Aufnahmen registriert MetRec etwa 80% der Meteore und übersieht nur die Schwächsten. Das ist vergleichbar mit der Erkennungsleistung eines Beobachters, der das Videoband in einem Durchlauf am Fernseher inspiziert.

Als diese Aufgabe gelöst war, wurde die Software weiter verbessert und ergänzt. Der Schwerpunkt verschob sich von einem reinen Meteordetektor zu einem Softwarepaket, dass die komplette Datenanalyse effizient online durchführt. Es wurden Routinen zur Koordinatentransformation und zur Messung der Helligkeit und Winkelgeschwindigkeit geschrieben. Die automatische Identifizierung des Meteorstroms und das Abspeichern der Meteorbilder und kurzer Bildsequenzen wurde ergänzt. Da am Ende der Entwicklung eine automatische Meteorkamera stehen sollte war das Hauptkriterium, dass alles mit möglichst wenig menschlicher Interaktion bei einem nur geringen Verlust an Genauigkeit verglichen mit der manuellen Vermessung einhergehen sollte.

Anfang 1999 war MetRec in der Lage, vollautomatisch Meteore zu beobachten. Seit dem März dieses Jahres wurde in Aachen auf regulärer Basis eine Meteorkamera in jeder klaren Nacht betrieben. Im Juli 1999 kam nahe Potsdam eine zweite Station hinzu, und weitere Stationen lieferten zusätzliche Beobachtungen in ausgewählten Nächten. Mitte 2002 ist das AKM-Videokameranetz auf weltweit acht Stationen angewachsen, die den Nachthimmel regelmäßig überwachen, und weiteren fünf Stationen, die unregelmäßig Daten beisteuern. Zudem wird MetRec von verschiedenen astronomischen Instituten genutzt. Von besonders großer Hilfe war die Software bei der Auswertung der Leoniden 1999 und 2001, wo detaillierte Ergebnisse der Meteorstürme wie Aktivitätsprofile und Radiantenplots schon kurze Zeit nach der Beobachtung verfügbar wurden.

Eine typische automatische Meteorbeobachtung kostet etwa 15 Minuten an manueller Arbeit und ergibt zwischen ca. zwanzig (Frühjahr) und hundert (Herbst) Meteoren in einer klaren Nacht abseits größerer Meteorströme. Die Kamera wird an einen möglichst dunklen Ort aufgestellt, aber auch in Stadtrandgebieten ist die Beobachtung möglich. Wenn die Videokamera neu ausgerichtet wurde, muß zunächst ein Referenzbild digitalisiert und die darin vorhandenen Sterne vermessen werden, um später die Position der registrierten Meteore ausrechnen zu können. Mit einem Zusatzprogramm von MetRec benötigt man dazu etwa zehn Minuten. Wenn die Kamera seit der letzten Beobachtung nicht bewegt wurde, kann die Beobachtung sogar in weniger als einer Minute begonnen werden. Das Videosignal der Kamera wird direkt in den PC gespeist, der es digitalisiert, nach Meteoren durchsucht und alle wichtigen Parameters der gefundenen Meteore bestimmt du abspeichert. Nach der Beobachtung hilft ein zweites Programm bei der effizienten Nachverarbeitung der Beobachtung, d.h. bei der Beseitigung von Fehldetektionen, die üblicher Weise durch Flugzeuge, Vögel oder Insekten entstehen. Das kostet noch einmal fünf Minuten. Am Ende hat man ein Textfile, in dem alle Daten einer Nacht gespeichert sind, Bilder und Bildsequenzen von der registrierten Meteoren und Datenbankfiles in IMO's PosDat-Format. Diese können direkt von anderen Analyseprogrammen wie Radiant von Rainer Arlt eingelesen werden, um die Aktivität bekannter und unbekannter Meteorströme zu untersuchen.

MetRec wurde so geschrieben, dass es leicht an unterschiedliche Kameras und Aufgaben adaptiert werden kann. Die Benutzeroberfläche und die Dokumentation liegen in Englisch vor (es gibt auch eine japanische Dokumentation), das Programm läuft unter Dos (oder Win95/98) und viele Parameter können über ein Konfigurationsfile an ein bestimmtes PAL- oder NTSC-Kamerasystem angepaßt werden. Für Amateurastronomen steht die Software zum kostenlosen Download im Internet bereit.

Allein im Jahr 2001 konnte das Kameranetz des Arbeitskreises Meteore e.V. (AKM) nahezu 50.000 Meteore in mehr als 6.300 Stunden effektiver Beobachtungszeit aufzeichnen. Viele davon wurden während weder Leoniden und Perseiden registriert, aber auch viele kleine Meteorströme konnten gut abgedeckt werden. Bisher wurden die meisten Videodaten gesammelt und nur wenige Meteorströme genauer analysiert. Wir planen jedoch gründlichere Untersuchungen sobald mehr Daten zur Verfügung stehen. Zudem werden die Daten anderen Interessierten über das Internet kostenlos zur Verfügung gestellt. Wir hoffen, dass wir innerhalb der nächsten drei Jahre einen vollständigen Überblick über die Meteorströme der nördlichen und südlichen Hemisphäre erlangen können.

Zu den zukünftigen Aufgaben gehört die Fertigstellung einer Software zur Auswertung von Mehrstationsbeobachtungen. Die Idee ist vergleichbar: Es soll mit möglichst geringer manueller Interaktion eine große Zahl präziser Meteoroidenorbits während des ganzen Jahres gewonnen werden. Während sich der Radiant eines Meteorstroms durch Beobachtungen einer Station erst auf statistischem Wege anhand einer größerer Zahl an Strommeteoren nachweisen läßt, kann mit Parallelbeobachtungen von zwei oder mehreren Stationen für jedes einzelne Meteoroid ein zuverlässiger Orbit und Radiant bestimmen werden. Schließlich soll die Software in Zukunft einmal ohne Zusatzhardware wie Framegrabber auskommen und auch unter den aktuellen Versionen von Windows zur Verfügung stehen.