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Tool zum Berechnen des Signal zu Rausch Verhältnis

Hier könnt ihr euch eine Abschätzung der optimalen Parameter für eine Aufnahmesituation am Himmel berechnen.
An der Stelle möchte ich mich bei Norbert aus dem astrotreff Forum bedanken (Spitzname nobbi), er hat mir insbesondere bei der Theorie wirklich sehr weiter geholfen.

Auf der X-Achse der Diagramme finde ihr immer die Einzelbelichtungszeit für das Stacken, die Gesamtbelichtungszeit bleibt natürlich erhalten. Also z.B. bei einer Gesamtbelichtungszeit von 10min, bedeuten 60sec auf der X-Achse: 10x60sec.

Signal zu Rausch Verhältnis berechnen:
Durchmesser Teleskopöffnung in mm
Durchmesser Teleskopobstruktion (Fangspiegel) in mm
Effektive Brennweite in mm
Scheinbare Helligkeit des Objekts [mag]
Winkelausdehnung des Objekts [Bogenminuten] /
Gesamtbelichtungszeit [Minuten]
Sensortemperatur [°C]
Fotografischer Filter
Lichtverschmutzung
Kamera





 

 
Folgende Dinge werden nicht beachtet oder sollte man wissen:

  • Bei höheren ISO Zahlen sinkt der Dynamikumfang der Kamera erheblich. Also sollte man bei ähnlichem S/N Verhältnis eher zu niedrigeren ISO Zahlen tendieren. Die maximale Sättigung ist allerdings berücksichtigt und wird mit Full angezeigt.
  • „Verstärkerleuchten“ bei hohen ISO Zahlen ist hier auch unberücksichtigt.
  • CLS Filter ist nur eine Abschätzung, genauso wie der Himmelshintergrund. Ich muss hier abschätzen, wie viele Photonen im Schnitt durch den Hintergrund auf den Sensor fallen, bzw. wie viele Hintergrund Photonen der CLS abblockt. Man kann sich vorstellen, dass das nicht so einfach ist ^^
  • Dark- und Bias Frames werden nicht berücksichtigt
  • Hat ein Sensor sehr kleine Pixel, so ist das hier eher unvorteilhaft. Man muss allerdings bedenken, dass man bei sehr hohen Auflösungen die Bilder später meist runter skaliert. Dabei erhöht sich das S/N nochmals. Das wird hier nicht berücksichtigt.
  • Bei den Werten für den Himmelshintergrund bin ich leider noch relativ unsicher, falls ihr da Erfahrungswerte habt: Immer her damit 🙂
  • Viele der Parameter ändern sich natürlich über eine nächtliche Foto Session, das kann und soll hier auch gar nicht berücksichtigt werden.
  • Das Tool gibt sicher nicht 100%ig die Realität wieder, wie schon gesagt werden viele Dinge nicht berücksichtigt. Aber es kann euch Parameter wie ISO Zahl und Belichtungszeit für die nächste Foto Session schon deutlich eingrenzen. Auch ob eine Kühlung nötig ist oder nicht, denn in vielen Fällen bringt eine Kühlung weniger als man denkt.

Hier einige Erklärungen und Beispiele für Anfänger, hier gibt es auch einige Beispiele was diverse Hardware Upgrades eigentlich bringen:
Signal zu Rausch Verhältnis einige Beispiele und welche Upgrades treiben mein S/N in die Höhe

Die Theorie hinter dem Tool könnt ihr in folgender PDF nachlesen:
Rauschen

Falls eure Kamera nicht dabei sein sollte, dann schreibt mich einfach an. Wenn ihr mir folgende Bilder zuschickt, dann füge ich die Kamera mit ein:
4-6 Darkframes ( jeweils 2 bei einer Temperatur, also z.B. 2 Darks bei 10°C + 2 Darks bei 20°C )
2 Biasframes
2 Flats
Die Bilder müssen alle bei einer ISO Zahl eurer Wahl gemacht sein. Nehmt am besten eine „mittlere“ ISO Zahl die bei eurer Kamera gut funktioniert, z.B. 800 war bei meiner EOS 1200D immer eine gute Wahl. Schickt mir die Bilder dann an:
a.schmitz@gns-net.de

Signal zu Rauschverhältnis einige Beispiele und welche Upgrades treiben mein S/N in die Höhe

In diesem Beitrag möchte ich einen kleinen Einblick in die Ergebnisse des Signal zu Rauschverhältnis Tools geben. Hauptsächlich geht es mir hierbei um die Interpretation der Ergebnisse mit einigen Beispielen.

Nehmen wir mal folgendes Beispiel an:
Teleskop: 8″ f/4 Newton
Beobachtungsobjekt: Messier 33 (Dreiecksnebel)

Beispiel 1 (normale Aufnahme)

Parameter Wert
Kamera Canon EOS 1200D
Teleskop Durchmesser: 203mm
Teleskop Obstruktion: 70mm
Teleskop Brennweite 800mm
Scheinbare Helligkeit des Objekts: 5.7 mag
Größe des Objekts (M33) 70'x40'
Gesamtbelichtung: 240min
Lichtverschmutzung:  Kleinstadt
Sensortemperatur: 20°C
Signal zu Rausch Verhältnis Beispiel 1
Signal zu Rausch Verhältnis Beispiel 1

Ok fangen wir zuerst mal mit den Achsen an. Auf der X-Achse seht ihr die Belichtungszeit für eine einzelne Aufnahme. Die Gesamtbelichtungszeit bleibt aber erhalten !!! Also wenn auf der X-Achse 60sec steht, dann bedeutet das bei einer Gesamtbelichtungszeit von 240min (die wir oben ja eingegeben haben): 240x60sec
Also ein gestacktes Bild !!!!

Alles klar, die Y-Achse ist hier einfach nur das Signal zu Rauschverhältnis selbst. Das hat keine Einheit, aber es soll möglichst hoch werden. Grundsätzlich kann man sagen:
Je höher, desto besser wird unser Bild.

Als erstes sieht man auf dem Bild die verschiedenen ISO Zahlen jeweils als eine farbige Kurve angezeigt. Danach fällt auf, dass überall „Full“ steht. Diese Full bedeutet, dass die ersten Pixel des Sensors bereits gesättigt sind (Full-Well Kapazität des Pixels ist erreicht). In unserem Fall könnte bspw. der Kern der Galaxie also bereits komplett gesättigt sein. Das möchten wir vermeiden und halten uns deswegen an diese Full-Well Grenze. In diesem Fall wäre eine ISO Zahl von 800 bei einer Belichtung von 150sec eine gute Wahl, hier ist das S/N am höchsten und auch noch etwas von der Full Well Grenze entfernt. Alternativ wäre eine ISO von 400 bei 240sec Einzelbelichtung auch eine gute Wahl.

ISO 1600 + 60sec Belichtung wäre auch eine Möglichkeit, was für kurze Belichtungszeiten spricht ist Folgendes:

  • Die Nachführung muss bei 240sec schon gut funktionieren. Bei 60sec benötigt ihr unter Umständen nicht mal eine Nachführung.
  • Fliegt euch bei einem 240sec Bild mal eine Wolke davor, oder der Nachbar schaltet grade seine Flutlichter an oder ein Windstoß kommt und verwackelt das Bild, oder die Nachbarskatze pinkelt euch auf das Teleskop oder was weiß ich nicht was:
    Ein 240sec Bild ist dann im Eimer. Bei 60sec. wären dann halt nur 60sec weg.
  • Die Stacking Algorithmen im Deep Sky Stacker oder in PixInsight funktionieren bei vielen Bilder erheblich besser. Das alles sind statistische Tools, welche Ausreißer im Bild aussortieren sollen. Je mehr Bilder, desto besser klappt das !!!!! Also es dürfen schon 50 Bilder sein, besser mehr.
  • Nutzt ihr eine Nachführung und dazu Dithering (also nach jedem geschossenen Bild wird um 1-2 Pixel verschoben), dann funktioniert das bei vielen Bildern einfach phänomenal. Dithering soll es den Stacking Algorithmen einfacher machen. Ist z.B. ein Pixel komplett gesättigt (Hot Pixel z.B.) und das Bild verschiebt sich danach um einen Pixel, dann ist der Hot-Pixel später beim Stacken an einer anderen Stelle und kann sofort aussortiert werden. Auch hier gilt: Je mehr Bilder, desto besser klappt das.

Ich hoffe, das waren genug Gründe ^^

Beispiel 3 (H-Alpha Filter + Kühlung und ein extrem dunkles Objekt)

Parameter Wert
Kamera Canon EOS 1200D
Filter H-Alpha 12nm
Scheinbare Helligkeit des Objekts:  12 mag
Gesamtbelichtung: 240min
Lichtverschmutzung:  Kleinstadt
Sensortemperatur: 0C
Signal zu Rauschverhältnis Beispiel 2 - H-Alpha sehr dunkles Objekt
Signal zu Rauschverhältnis Beispiel 2 – H-Alpha sehr dunkles Objekt

Ok, ein merkwürdiges Beispiel, das könnte z.B. im Weltraum auftreten: Kalt und dunkel ^^
Nein im Ernst: Benutzen wir einen H-Alpha Filter und eine Kühlung für unsere Kamera (wie z.B. mit der Kühlbox die ich gebaut habe, siehe hier), dann haben wir tatsächlich ähnliche Verhältnisse. Der H-Alpha Filter sorgt wirklich für wahre Wunder was die Lichtverschmutzung angeht. Natürlich wird das eigentliche Lichtsignal geringer, wir sperren ja einiges an Licht aus. Aber was bedeutet nun diese Grafik?
So lange belichten wie du kannst, wie man sieht ist das Maximum selbst bei 900 sec. noch nicht erreicht. Also holt alles aus der Nachführung raus was geht und betet, dass euch nix die Belichtungen versaut.

Ein S/N unter 1.0, was soll denn das sein ?????

Tja im Prinzip heißt das: Die Aufnahme macht keinen Sinn für euch.
Meine persönlich Erfahrung ist aber: Probiert es einfach aus.
Das hier ist nur eine relativ einfache Simulation, sehr viele Dinge werden hier nicht berücksichtigt. Mir sind auch schon Aufnahmen bei 12 mag Objekten gelungen. Allerdings habe ich da schon 10h Belichtung, den H-Alpha Filter und Kühlung (im Winter) benötigt.

 

Ich habe zuviel Geld und möchte mir irgendwas Neues kaufen, was ist denn jetzt am sinnvollsten?

Ok, probieren wir doch mal mit unserem Setup von Beispiel 1 ein paar Sachen aus. Dann liegt das maximale Signal zu Rauschverhältnis bei:
S/N = 6.205

Eine neue Nikon D5100
  • Kostenpunkt: ~250€  gebraucht
  • Quanteneffizienz von 50% !!!!! Wow, die Canon hatte nur 37%
  • S/N = 8.24
  • Fazit: Grunsätzlich super lohnenswert, aber falls man schon eine Canon hat und auch einiges an Zubehör dafür, dann sollte man sich das überlegen. Die meiste Software und auch Zubehör ist leider sehr auf Canon abgestimmt. Dennoch: Es ist eine gute und günstige Kamera.
Ein größeres Teleskop von 8″ auf 10″

Getrost nach dem Motto: Höher schneller weiter. Ein größeres Teleskop muss her. Aber was bringt das eigentlich?
Das Teleskop wirkt wie ein Photonensammler: Je größer die Öffnung, desto mehr Photonen presst dir das Teleskop auf den Sensor. Ok lassen wir mal das Tool zeigen was es bringt und nehmen mal das nächst größere.

  • Kostenpunkt: 600€ -1500€ je nach Ausstattung
  • 254mm Öffnung / 1000mm Brennweite
  • S/N =?
  • Fazit: Blöd, da wir hier ständig an unsere Full-Well Grenze stoßen. Aber man gewinnt mehr Auflösung und auch dunklere Objekte können so eingefangen werden, das ist auf jeden Fall so. Also ein größeres Teleskop ist schon eine nette Sache, nicht nur wegen des S/N
Ein CLS Filter

Tja was hört man da nicht alles für Mythen: Von zerstört dir alle Farben bis zu absoluten Wundern über bringt überhaupt nichts. Grundsätzlich frisst der CLS erstmal Signal, aber sperrt dafür auch eine Menge an Hintergrundrauschen aus und das ist ja wie wir wissen dominant. Lasst es uns ausprobieren:

  • Kostenpunkt: 150€
  • S/N = 8.418
  • Fazit: Aber Hallo, ein wahres Wunderwerk der Technik und das für den moderaten Preis. Glaubst du nicht? Na dann schau mal hier: Link
    Das Ding lohnt sich, aber die Farben werden tatsächlich verändert. Wenn ihr PixInsight verwendet: Einfach ColorCalibration/Background Neutralization und gut.
Ich gebs mir richtig: Eine Canon 1DX

Junge junge, das Teil kostet nur 4700€, da sollte man echt zuschlagen. Am besten direkt 2 kaufen.

  • Kostenpunkt: 4700€
  • S/N = 18
  • Fazit: Unglaublich, was ist denn hier passiert? Ganz einfach: Die Kamera hat sehr große Pixel und das bedeutet pro Pixel deutlich mehr Photonen. Zudem hat die Kiste auch noch einen hohen Wirksungsgrad. Also eine tolle Sache.
Eine Kühlbox für 80€

Nehmen wir mal eine einfach Kühlbox, wie ich sie hier gebaut habe, siehe hier

  • Kostenpunkt: 80€
  • S/N = 6.215
  • Fazit: Och man, das bringt ja gar nix. Aber: So einfach ist das leider nicht, bei Verwendung eines H-Alpha Filters bringt das enorm viel. Ansonsten würde das thermische Rauschen mir die langen Belichtungszeiten kaputt machen.
    Schaut euch dazu die nächsten beiden Beispiele an:
Ein H-Alpha Filter ohne Kühlung bei 20°C

Hmm na gut, so bei 900sec scheint es langsam nix mehr zu bringen. Das thermische Rauschen ist hier dominant !!!!

Signal zu Rauschverhältnis - H-Alpha ohne Kühlung
Signal zu Rauschverhältnis – H-Alpha ohne Kühlung

 

Ein H-Alpha Filter mit Kamera Kühlung bei 0°C

Die Kühlbox gibt alles was sie kann und kühlt um 20°C auf 0°C. Junge junge was ist denn hier los? Jetzt kann der H-Alpha mal so richtig Gas geben und man kann schön lange belichten. Das S/N steigt in diesem Fall um fast das Doppelte an !!!!! Also H-Alpha und ein dunkles Objekt nicht ohne Kühlung verwenden !!!!! Das thermische Rauschen macht in diesem Fall wirklich einiges aus.

Signal zu Rauschverhältnis - H-Alpha mit Kühlung
Signal zu Rauschverhältnis – H-Alpha mit Kühlung