2022-10-03

docs/meteor/concepts.md

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 # 流星探测原理（1）
 
+常见的流星体尺寸在厘米、毫米量级，是行星际尘埃尺寸连续谱中的一部分。1米以上的小行星通过地面望远镜可以提前发现，但一米以下就很难了。尺寸在几十厘米、几厘米的流星体，只有在进入地球大气时才可以被观测到。
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+![](image/20221003174633.png)  
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+除了之前说的探测长周期彗星之外，流星在其他几个方面也有独特的科学价值。
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+* 研究太阳系中尘埃的尺寸、分布、演化，从而可以解答一些关于小天体、太阳系形成与演化的问题；
+* 已知轨道的陨石非常稀少，目前只有几十颗[^1]，轨道和成分相互对照有很高的科学价值；
+* 流星体对空间安全也有一定的威胁，例如曾有通信卫星在英仙座流星雨期间失效，就推测与流星雨活动有关。
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 流星是一类非常独特的天文现象，对流星的观测自然也是独辟蹊径，非常迥异于其他天象。流星的观测大致可以分为射电观测和可见光观测。两个观测手段都有爱好者和专业研究人员参与。
 
 ## 射电观测
 
-在射电波段，主要观测的是流星和余迹反射的无线电波。无线电波可以是观测者主动发射的（通常称作“流星雷达”），也可以是远处的其他发射源发射的，通常是广播电台或者其他的信标台。而靠流星余迹反射，甚至可以进行远距离通信，有其特定的应用场景。
+在射电波段，主要观测流星和余迹反射的无线电波。无线电波可以是观测者主动发射的（通常称作“流星雷达”），也可以是远处其他发射源发射的，通常是广播电台或者其他信标台。而靠流星余迹反射，甚至可以进行远距离通信，有其特定的应用场景。
 
-射电观测的突出优点是可以昼夜运行。很多流星群的辐射点接近太阳，只在白天升起，不可能在光学波段观测到。也就是说，这些流星雨只发生在白天。雷达观测就发现了很多这样的流星群。另外，射电波段能观测到很暗的流星。例如2012年天龙座流星雨，雷达观测到了ZHR达到9000的爆发，而可见光的观测到的流星ZHR只有200左右[^1]。
+射电观测的突出优点是可以昼夜运行。很多流星群的辐射点接近太阳，只在白天升起，不可能在光学波段观测到。也就是说，这些流星雨只发生在白天。雷达观测就发现了很多这样的流星群。另外，射电波段能观测到很暗的流星。例如2012年天龙座流星雨，雷达观测到了ZHR达到9000的爆发，而可见光观测到的流星ZHR只有200左右[^2]。
 
 ![雷达数据绘制的流星雨辐射点](https://fireballs.ndc.nasa.gov/cmor-radiants/skymap-activity.png)  
 
-* 上图是实时的[^2]
+* 上图是实时的[^3]
 
-但是，流星雷达对流星的测量不如光学观测精确。由于波长较长等原因，流星雷达只能将流星的位置精确到千米量级，而光学波段可以达到10米。而依赖广播电台的“听”流星，就完全无法测量流星的方位，只能进行计数。此外，根据一些研究[^3]，射电流星和光学流星的对应关系也并不是很确切。并不是所有光学流星都有无线电回波，这可能与流星轨迹得到朝向有关系；同时，流星的亮度与雷达反射面积（RCS）有正相关的关系，但残差比较大。
+但是，流星雷达对流星的测量不如光学观测精确。由于波长较长等原因，流星雷达只能将流星的位置精确到千米量级，而光学波段可以达到10米。而依赖广播电台的“听”流星，就完全无法测量流星的方位，只能进行计数。此外，根据一些研究[^4]，射电流星和光学流星的对应关系也并不是很确切。并不是所有光学流星都有无线电回波，这可能与流星轨迹的朝向有关系；同时，流星的亮度与雷达反射面积（RCS）有正相关的关系，但误差比较大。
 
 因为流星雷达技术难度较大，再加上无线电法规的限制，基本没有爱好者涉足。
 
 ## 光学观测
 
-光学观测是流星观测的重头戏。光学观测使用简单的设备就可以运行，也很容易达到比较高的精度；同时，观测到的结果也更符合人们心目中对于流星的期待，所以更受大家欢迎。因为较高的精度，使用光学观测的数据，还可以进行陨石落点预测、发现新流星群、寻找母体彗星等研究，具有很高的价值。
+光学观测是流星观测的重头戏。光学观测使用简单的设备就可以运行，也很容易达到比较高的精度；同时，观测到的结果也更符合人们心目中对于流星的期待，所以更受大家欢迎。因为较高的精度，使用光学观测数据还可以进行陨石落点预测、发现新流星群、寻找母体彗星等研究，具有很高的价值。
 
 在光学观测上，流星有如下特点：
 
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 * **随机性**：流星是随机出现的。流星基本来自于行星际空间中的小颗粒，这些颗粒进入地球大气之无法被观测到，自然也无法预测。这就造成我们很难使用望远镜去观测流星，因为望远镜的视场太小。
 * **距离近**：流星开始发光的位置一般在离地面100km左右。相较于其他天体，流星的距离是非常非常近的。在相隔几十千米的位置观测，流星的位置都会明显不同——这就是三角视差。
 
-我们对在对流星进行光学观测时主要就是围绕着三个特点。因为流星持续时间很短，为了在较短的时间内获取极可能多的数据，拍摄流星的视频是一个很自然的对策。每一帧视频都代表着流星在这个时间点上的位置，视频连起来就得到了轨迹，从中就可以得到流星的速度信息。
+我们对在对流星进行光学观测时主要就是围绕着三个特点。因为流星持续时间很短，为了在较短的时间内获取尽可能多的数据，拍摄流星的视频是一个很自然的对策。每一帧视频都代表着流星在这个时间点上的位置，视频连起来就得到了轨迹，从中就可以得到流星的速度信息。
 
 因为流星出现的随机性，为了尽可能多的探测流星，我们只能增加覆盖的天区面积。所以，大部分流星相机都采用的是鱼眼或广角镜头。
 
-而第三点，其实是流星光学观测的立身之本——通过三角视差，可以很方便的测量流星的三维位置。通常天文观测中，距离很远的天体是很难测距的。即使是离太阳较近的恒星，周年视差都小于1角秒，很难侧准，因此测出来的距离误差很大。对于流星来说，间隔几十公里就可以得到几十度的视差，因此我们就可以综合多个观测站测量到的流星坐标，计算出流星在三维空间中的位置，三个维度都精确到10m的量级。
+而第三点，其实是流星光学观测的立身之本——通过三角视差，可以很方便的测量流星的三维位置。通常天文观测中，距离很远的天体是很难测距的。即使是离太阳较近的恒星，周年视差都小于1角秒，很难测准，因此测出来的距离误差很大。对于流星来说，间隔几十公里就可以得到几十度的视差，因此我们就可以综合多个观测站测量到的流星坐标，计算出流星在三维空间中的位置，三个维度都精确到10m的量级。
 
 ![流星多站定位原理](image/20220927052745.png)  
 
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 有的人以为确定流星位置需要3个站点的数据，其实两个站点就够了。因为单站观测可以获取两个维度（比如赤经赤纬）的数据，两个站点就有4个已知量，因此可以解出空间位置的3个未知量。
 
-因此，对流星的光学观测主要方式就是：大视场、视频、多站。大视场可以确保尽可能多的拍到流星；视频观测可以获取流星的速度和光变信息；而多站观测才可以获取流星的三维轨迹。同时，观测站点越多，覆盖的范围越大，观测到的流星也就越多。这就要求我们以适当的间隔布置大量的流星相机，这是一个耗费时间精力的工作，所以爱好者在其中的参与至关重要。
+因此，流星光学观测的主要方式就是：大视场、视频、多站。大视场可以确保尽可能多的拍到流星；视频观测可以获取流星的速度和光变信息；而多站观测才可以获取流星的三维轨迹。同时，观测站点越多，覆盖的范围越大，观测到的流星也就越多。这就要求我们以适当的间隔布置大量的流星相机，这是一个耗费时间精力的工作，所以爱好者在其中的参与至关重要。
 
-[^1]:[The Unexpected 2012 Draconid Meteor Storm](https://arxiv.org/abs/1311.1733)
+[^1]:[Meteorites with photographic orbits](https://www.meteoriteorbits.info/)
 
-[^2]:[Radar meteor radiants](https://fireballs.ndc.nasa.gov/cmor-radiants/)
+[^2]:[The Unexpected 2012 Draconid Meteor Storm](https://arxiv.org/abs/1311.1733)
 
-[^3]:[FRIPON: A worldwide network to track incoming meteoroids](https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2020/12/aa38649-20/aa38649-20.html)
+[^3]:[Radar meteor radiants](https://fireballs.ndc.nasa.gov/cmor-radiants/)
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+[^4]:[FRIPON: A worldwide network to track incoming meteoroids](https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2020/12/aa38649-20/aa38649-20.html)

docs/meteor/noise.md

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+# 如影随形的噪声
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+电影里偶尔会出现这样的桥段：街道上的摄像头拍到一张车辆的照片，这时候大佬对着小喽啰喊，放大！增强！然后小喽啰一通操作，画面越放越大，车的车牌号、驾驶员就都变得清清楚楚了。
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+在现实中这种操作显然是不存在的，我们都知道望远镜的分辨率受口径限制，而极限星等也跟口径有关。所以，我们在拍摄流星的时候，必然会撞到这些物理定律设置的障碍。
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+不过有意思的是，本来用于安保的网络摄像头很早就提供了“降噪”功能。只要打开降噪功能，晚上的画面立刻就变得清晰了许多，本来噪声密布的夜空瞬间安静了下来，很多本来看不到的暗星也浮现了出来。但是不知道你有没有注意到这一点：拍到的流星好像并没有增多。实际上，“降噪”也并不是没有代价的。
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+关于这项功能，以及其他功能的滥用，我们会在后面的文章中逐步分析。在这之前，我们先来了解一下相机的基本原理。
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+## 测量“光子”
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+光从各种光源发出来，经过遥远的距离，再经过镜头或者人眼的折射，落在传感器或者视网膜上。我们的眼睛和摄像头的目的都是一样的：测量来自这束光的亮度。尤其是摄像头，它会把光的亮度转化成数字，而显示器把数字再转化成亮度，这我们就能在屏幕上见到摄像头拍到的画面了。所以摄像头的好坏，基本相当于他能多么准确地测量光的亮度；而任何偏离光本身亮度的测量结果，就是我们所说的噪声。有个概念就是信噪比，顾名思义，信噪比就是信号/噪声。只要尽力降低噪声，信噪比就越高，泽亮结果就越好。
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+但还有一个基本问题：对一束光的测量并不是连续的。我们知道光子的概念，光的能量是一份一份传播的，而相机传感器也是对落在上面的光子进行计数。而对光子的数量，本身就带有随机性，而随机性就会带来噪声。平时我们不会注意到这种随机性，因为白天或者灯光下光子的数量是很多的，随机性被抹掉了，而在拍摄星空时，光子的数量很少，这种效应就很明显。我们进行一点计算就会发现，对于我们用肉眼观察6等的恒星，每秒钟进入我们眼中的光子数量只有10个左右！对于跟人眼尺寸差不多的摄像头，这个数字也差不多。可见人眼还是一台很不错的相机。
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+关于“光子”为什么会带有这种天然的噪声，我们用一个日常生活中的场景来类比。我们在公交站等公交车，对于10分钟一班的车，有时候两辆车的间隔会是15分钟，有时候又是10分钟。而如果一班车我们不知道发车间隔，我们在公交车边等边算时间，用这个时间间隔来估算。
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+如果我们在公交站等了10分钟，这10分钟一共来了1辆车，那这辆车的发车间隔可能是多少？当然最佳估计就是10分钟一辆（每小时6班），但完全有可能是15分钟1辆（每小时4班，也很有可能是5分钟一辆（每小时12班）。这种时候非常你就非常拿不准这个时间间隔。
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+而如果你在站台上等了两个小时，等到了12辆车，那你说这趟车是每小时6辆的把握就大得多了。每小时8班、每小时5班的概率都大大降低。如果你等的时间更久，等了整整一天，你对发车间隔的测量就更有把握了。
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+这个例子就表明，“一个一个”随机出现的事件，对出现概率的测量是随着出现次数增加逐渐变精确的。在数学上，这就是所谓的“泊松噪声”。它的大小等于光子的平方根，比如100个光子，泊松噪声时10个光子，此时信噪比是10，而10000个光子，泊松噪声是100个光子，信噪比是100。