Dithern, Artefakte und Flats

Dithern ist eine erprobte Methode um Artefakte in Summenbildern. zu vermeiden. Solche Artefakte tauchen in meinen Bildern gelegentlich z.B. als kleine Kreisbögen auf, die offensichtlich durch die Bildfelddrehung bei meiner azimuthalen Montierung beim Stacken entstehen.

In SharpCap kann man AltAz-Dithering aktivieren unter Datei/Sharpcap Einstellungen/Tab Führung als "Nur Dithern (kein Guiding) mit ASCOM Mount Pulse Guiding. Die Einstellung wirkt aber nicht beim Menü Aufnahme/Aufnahme starten, sondern nur bei Aufnahmen über Werkzeuge/Liveaddition oder über den Sequencer.

Am Abend des 12. August 2022 konnte ich das Dithering mit Sharcap testen, Objektiv war das Samyang 135 mm f/2, der Sensor war auf -10°C gekühlt bei 400 gain. Das star alignment startete mit einer ungefähren home position auf die Giebelspitze des Nachbarhauses. Dazu machte ich ein 1star alignment auf alpha Oph. Schon bald wanderte alpha erkennbar von der Bildmitte weg, aber die Einzelbilder von 10 Sekunden Belichtungszeit zeigten keine Drift.

Nun konnte ich die Liveaddition starten (Ohne Dark und Flat). Beim Start erscheint ein Menü mit dem man das Dithering konfigurieren kann (Häufigkeit des Ditherns, Ausschwingzeit der Montierung, Belichtungszeit der Kontrollaufnahmen). Ich habe eingestellt: Dithern alle zwei Minute, Belichtungszeit für Kontrollaufnahmen verkürzen. Auch die Stärke des Dithern kann eingestellt werden. Allerdings wurden hier nur maximal 30 Bogensekunden angeboten. Das führte zu einem mittleren Dithern von etwa 15 Bogensekunden, Bei einer Brennweite von 135 mm ist ein Pixel der ASI 294MC Pro 7,4 Bogensekunden groß. Das ergibt ein mittleres Dithern von nur zwei Pixeln [eine Anfrage an Robin Glover ergab, dass er den Code von Sharpcap entsprechend anpassen wird. Am 29.08.2022 hat er eine neue Version von SharpCap veröffentlicht mit einem Max Dither Step von 100 Bogensekunden. Das mittlere Dithern liegt nun bei 50 Bogensekunden oder etwa 7 Pixeln.].

Einen weiteren Effekt hatte das ungenaue Himmelsmodell. In 30 Minuten wanderte die Bildmitte um 190 Bogensekunden. Das sind in zwei Minuten 13 Bogensekunden, also wieder zwei Pixel.

Für 160 Bilder mit je 10 Sekunden Belichtungszeit wurden 1826 Sekunden gebraucht. Das Dithern brauchte demnach etwa 1826-1600 = 226 Sekunden, also etwa 226/1600 = 14% zusätzliche Zeit Die 160 Einzelbilder wurden nur debayert und ohne Dark und Flat mit sigma clipping addiert. Das Summenbild sieht so aus:

Ausschnitt vom Summenbild 160 x 10 sec nahe der Bildmitte in Originalgröße, grüner Farbkanal, ohne Dark und Flat

Das sieht soweit schon gut aus, aber der Himmelshintergrund ist recht ungleichmäßig. Mit einem passenden Flat sollte das besser werden. Mit einem frischen Flat sieht das Summenbild so aus:

Ausschnitt vom Summenbild 160 x 10 sec nahe der Bildmitte in Originalgröße, grüner Farbkanal, ohne Dark mit frischem Flat

Das hat für den Hintergrund nichts gebracht. Stattdessen sind hier nun kreisbogenförmige Artefakte sichtbar. Sie entstehen offenbar durch das Flat und werden durch das Dithern nicht beseitigt. Das neue Flat ist offenbar nicht gut genug. Da meine Flatfieldbox nicht dimmbar ist kommt es bei 400 gain zu extrem kurzen Belichtungszeiten. Deshalb habe ich 10 Blatt Schreibpapier zwischen Box und Sonnenblende der Kamera gelegt. Damit lag die Belichtungszeit für die Flats bei 0,030 sec. Vermutlich wurden kleine Unregelmäßigkeiten im Papier oder Staubkörner in den Flats abgebildet.
[Die Flatboxen sind so hell, weil sie auch Flats mit Narrow Band Filtern möglich machen sollen.]

Deshalb habe ich neue Flats gemacht, diesmal mit 20 Blatt frischem Schreibpapier. Die Belichtungszeit lag nun bei 0,600 sec, das neue Papier schluckt also mehr Licht.

Ausschnitt vom Summenbild 160 x 10 sec nahe der Bildmitte in Originalgröße, grüner Farbkanal, ohne Dark mit neuem, frischem Flat

Das überzeugt auch nicht. Immerhin sehen die kreisbogenförmigen Artefakte anders aus. Das spricht für ihren Ursprung in dem benutzten Papier. Da muß wohl ein richtiger Dimmer her. Ausprobiert habe ich den Lacerta-Dimmer. Der dimmt zwar ganz ordentlich, aber bei 400 gain ist die Belichtungszeit für die Flats immer noch bei nur 0,001 sec auf der kleinsten Dimm-Stufe. Das Ergebnis kann sich aber sehen lassen;

Ausschnitt vom Summenbild 160 x 10 sec nahe der Bildmitte in Originalgröße, grüner Farbkanal, ohne Dark, mit Flat ohne Papier gedimmt

Da gibt es keine kreisbogenförmigen Artefakte mehr und der Himmelshintergrund ist gleichmäßiger als ohne Flat.

Ergänzungen:
Die Flats habe ich abends mit der Lacerta Flatfieldbox FFB15 gemacht. Als ich die ausgeschaltete Box auf die Sonnenblende der Kamera legte fiel mir auf, dass das Bild bei 0,600 sec Belichtungszeit gesättigt war. Wo kam dieses Licht her? Nach dem Ausschalten der Deckenlampe sank die Bildhelligkeit. Offenbar ist die Rückseite der Box lichtdurchlässig! Eine weitere Lichtquelle war das Fenster. Erst mit dem Ende der Nautischen Dämmerung wurde das Bild der Kamera ganz dunkel und gute Flats wurden möglich.

Um kleine Unregelmäßigkeiten in der Leuchtfläche der Flatbox auszugleichen, kann man mehrere Masterflats mit jeweils gedrehter Flatbox machen und die Ergenisse mitteln. Das habe ich mal mit den Flats für 120 gain probiert und dazu vier Masterflats mit jeweils um 90 Grad gedrehter Flatbox gemacht. Damit könnte die Photometrie verbessert werden. Als Testobjekt habe ich HD 189733 genommen. Wie im letzten Jahr habe ich seine Helligkeit in Summenbildern von 10 x 4 sec gemessen und davon gleitende 5er-Mittel gemacht. Elf solche 5er-Mittel geben als Mittelwert V = 7,676 ± 0,004 mag, der Tycho-Katalog hat 7,678 ± 0,018 mag. Das sieht ganz gut aus, ist aber nicht besser als vorher. Aus 16 solcher 5er-Mittel ergab sich vor einem Jahr als Mittelwert 7,688 ± 0,004 mag. Immerhin unterscheiden sich die beiden Mittelwerte nur um 0,012 mag.

Für Photometrie ist auch ein gleichmäßiger Himmelshintergrund wichtig. Bei konstanter Extinktion sollte auch der ZeroPoint (ZP) konstant sein. Für die 15 Summenbilder von diesem Jahr (27.08.2022) ergibt sich ein mittlerer ZP von 19,601 ± 0,020 mag (die gleitenden 5er-Mittel geben 19,598 ± 0,009 mag). Die Ursache für diese Schwankungen des ZP ist unbekannt. Eine einfache Erklärung wäre, dass die Belichtungszeiten im Mittel um 2% variieren. 0,020 mag entsprechen 2%, bei einer Belichtungszeit von hier 4 Sekunden sind das mittlere Fehler von 0,08 Sekunden. Aber wie soll man herausfinden ob es solche Fehler gibt?

Eine Möglichkeit wäre es Flats mit 4 Sekunden Belichtungszeit zu vergleichen.10 Flats von 4 Sekunden bei 400 gain haben in einem Test ein mittleres ADU von 6533 ± 4, Da gibt es nur einen mittleren Fehler von 0,06% oder 0,003 sec. in der Belichtungszeit. Damit scheiden Schwankungen der Belichtungszeit als Ursache für die 2% Schwankungen des ZP aus. Es scheint der Himmel selbst zu sein, der die Schwankungen des ZP verursacht.

Möglicherweise spielt das große Gesichtsfeld (8,3° x 5,5°) der Kamera eine Rolle. Für die Photometrie habe ich bisher nur das zentrale Viertel (4,15° x 2,75°) benutzt, aber auch da können dünne, durchziehende Wolken oder andere Änderungen der Transparenz in verschiedenen Bildteillen unterschiedlich sein und so die Messungen beeinflußen. Eine Reduktion der Ausschnitte auf 2,1° x 1,4° ergibt für die 15 Summenbilder vom 27.08. eine mittlere Streuung von ± 0,018 mag, das ist nur wenig besser als vorher (± 0,020 mag). Die Schwankungen des ZP zeigen sich (sogar verstärkt) auch in den Messungen der Himmelshelligkeit:

Himmelshelligkeit in mag/arcsec² (oben) und ZP in mag (unten) in den 15 kleinen (2,1° x 1,4°) Summenbildern

Auffällig ist, dass von Summenbild 10 zu 11 die Himmelshelligkeit um 0,03 mag dunkler wird, aber der ZP um 0,02 mag heller wird. Das zeigt, dass die Messungen in den Summenbildern um mindestens 0,02 -0,03 mag unsicher sind. Damit können die Schwankungen des ZP erklärt werden. Aber woher kommen die Meßfehler?

Im Forum der AAVSO findet man als Mindestwert für die standard deviation (Standardabweichung) der gemessenen Helligkeit 1/SNR mag. Die ZPs wurden bestimmt mit einer Auswahl von Sternen mit 11,0 - 12,0 mag. Die SNR-Werte aus dem PhotReport.txt zeigen im ersten Summenbild für einen Stern von 11,0 mag ein SNR von 53,71 und für einen Stern von 12,0 mag ein SNR von 29,41. Daraus ergeben sich Standardabweichungen von mindestens 0,019 mag und 0,034 mag. Das erklärt die Meßfehler. Für Fehler von nur 0,01 mag werden SNRs von mindestens 100 gebraucht.

Wenn der Himmel heller wird dann sinkt das nutzbare Signal der Sterne. Es werden also weniger ADU pro Stern gemessen und die instrumentelle Magnituden werden kleiner. Die Kataloghelligkeiten der Sterne bleiben aber gleich. Dadurch werden auch die ZPs kleiner.Es gilt ja ZP = mag(Katalog) - mag(instr). Die Differenz ZP - Sky sollte also konstant sein auch wenn die Himmelshelligkeit schwankt. Diese Differenz beträgt hier 0,582 ± 0,023 mag.

Größere SNRs söllten die Standardfehler verkleinern. Mit einer Auswahl von Sternen 9,0 - 11,0 mag und einem SNR von 100 für die 9,0 mag Sterne ergibt sich aus den 15 Summenbildern für die Differen ZP-Sky aber praktisch das gleiche Ergebnis wie vorher: 0,583 ± 0,023 mag.