Superauflösung ? – Geht das ?
Superauflösung heißt Bildauflösung deutlich über die Beugungsgrenze hinaus. Bei kleinen Radioteleskopen ist die Einschränkung der Bildauflösung durch die unvermeidlichen Beugungseffekte enorm. Ein 3-Meter-Spiegel hat bei der 21cm-Linie des Wasserstoffs eine Auflösung von gerade mal 5°. Das ist so gut wie unbrauchbar – flapsig gesagt: kann man vergessen …
Der folgende Abschnitt zeigt kurz, dass man das Problem bis zu einem gewissen Grad umgehen kann, ohne dass man den Aufwand mit Interferometrie und mehreren Spiegeln zu Hilfe nehmen muss. So mancher gut ausgebildete Physiker wird da erstmal die Stirn runzeln und sich denken: „Will da einer gegen ein Naturgesetz antüfteln ? Das weiß man doch schon seit über 200 Jahren, dass das nicht gehen kann“ …
Aber es geht tatsächlich ! – Rein mit digitaler Bildverarbeitung und mehreren Empfangsköpfen, die beim Abscannen des Himmels einige fast gleiche, aber seitlich leicht verschobene Bilder liefern. Vielleicht wie mit dem in der Astrofotografie üblichen ’stacking‘ ? – Nein und Ja. Beim reinen ’stacking‘ gewinnt man z.B. nur etwas für die Reduktion des Rauschens, aber keine Schärfe.
Wie soll das dann gehen ? – Man braucht eben noch Zusatzinformationen, die man z.B. durch eine genaue Betrachtung der gering aufgelösten Einzelbilder und deren gegenseitigen Verschiebungen gewinnen kann. Auch statistisches Vorwissen über das gesuchte Hochauflösungsbild spielt dabei eine Rolle. Außer den Verschiebungen werden beim ’stacking‘ solcherlei weitergehende Informationen schlicht nicht verwertet. Ein „Multi-frame super-resolution„-Algorithmus nutzt gleich drei von solcherlei Zusatzinformationen und sogar auch noch das ’stacking‘.
Zu den verwertbaren Zusatzinformationen gehört z.B. in welcher Weise der Messwert eines Grobpixels zustandekommt. Es wird mithilfe eines Abbildungsmodells für jedes Grobpixel berechnet, welche Teile der hochaufgelösten Information am Himmel vom Airy-Scheibchen genau ausgeschnitten werden und mit welcher Gewichtung sie in das Grobpixel eingehen (dies geht sogar auch, wenn das Airy-Scheibchen durch Aberrationen, z.B. Koma, verzerrt ist). Auf diese Weise können alle gemessenen Bilder der 7 ineinander steckenden Teleskope künstlich nachgebaut und dann mit den echt gemessenen verglichen werden. Aber man bräuchte dazu natürlich eigentlich schon das gesuchte hochaufgelöste Himmelsbild – also Unsinn, oder ? – Nein, es geht doch, indem man erstmal mit einem vorläufigen Hochauflösungsbild beginnt, das man leicht mit ’stacking‘ aus den gemessenen Daten gewinnen kann. Naturgemäß ist das gestackte Bild aber genauso schlecht aufgelöst wie die einzelnen Rohbilder. Es hat aber schon weniger Rauschen und es ist im Rahmen der groben Auflösung schon authentisch.
Danach geht’s aber erst richtig los, mit einer trickreichen statistischen Analyse der Unterschiede zwischen den künstlich erzeugten und den gemessenen grob aufgelösten Bildern. Diese wird etliche Male durchlaufen, wobei die Kenngrößen der Analyse jedesmal gezielte Anhaltspunkte für eine weitere „Vertrimmung“ der Feinpixel im vorläufigen Hochauflösungsbild liefern. Der Algorithmus „lernt“ bei jedem Durchlauf immer noch etwas über die Statistik des Hochauflösungsbildes dazu, bis eine Stabilisierung eintritt und das vorläufige Hochauflösungsbild nicht mehr besser wird. Es gelingt damit ein überraschend gutes, ca. 15-20x höher aufgelöstes Bild zu errechnen, das so aussieht, als käme es mindestens von einem 30-Meter-Spiegel. Am Ende meines Yutube-Videos (https://www.youtube.com/watch?v=SOCKwmtV3hs) kann man anhand der Abfolge der Zwischenbilder sehen, wie sich das vorläufige Hochauflösungsbild im Laufe der Rechnung immer weiter verfeinert bis sich das hochaufgelöste Endbild herausbildet (siehe auch [25]).
Video aus Schmalbandaufnahmen
Das Bild ist eine Panoramaansicht des gesamten nördlichen Himmels bei der 21cm-Line des atomaren Wasserstoffs. Es zeigt links das Gebiet von Sternbild Jungfrau, links unterhalb der Mitte den Orion, rechts oberhalb der Mitte den Schwan und unten rechts den Schützen. Zur Orientierung wurden einige Sterne und Sternbilder künstlich eingeblendet, da die gewohnten Sterne im Radiobild unsichtbar sind. Die Zielkreuze zeigen die Positionen einiger bekannter Radioquellen. Die brodelnde blaue Fläche zeigt nur das Hintergrundrauschen und ein paar ganz schwache Funkstörungen. Als bunte Farberscheinung zeigt sich im Lauf des Videos die Wasserstoffstrahlung aus der Milchstraße. Störungen des Bildes durch Elektronikdrift, atmosphärischer Hintergrundstrahlung, Sonne, Mond, Wolken und anderen Kontinuumsquellen wurden mit einem simplen, aber trickreichen Kompensationsverfahren beseitigt. Die Aufnahme erfolgte mit meinem 2,65m-Parabolspiegel.
Farbkompositdarstellungen
a. Oben Pseudocolor-Bild der simplen Radiointensität in einem Frequenzband von 8 MHz um die 21cm-Linie des atomaren Wasserstoffs. Blau zeigt schwache Intesität, gelb und rot mittlere und schwarz bis weiß starke Radio-Intensität.
b. in der Mitte eine Farbkompositdarstellung der selben Daten, aber mit der reinen 21cm-Strahlung des atomaren Wasserstoffs im roten Kanal des Bildes und der Kontinuumsstrahlung im grünen Farbkanal. So lassen sich verschiedene Objekttypen schon anhand der Farbe im Bild unterscheiden. Also grün sind aktive Galaxienkerne und Supernovaüberreste und rot sind die interstellaren Wasserstoffwolken in der Milchstraße.
c. Farbkomposit mit Darstellung der Doppler-Verschiebung der 21cm-Linie des atomaren Wasserstoffs im Milchstraßenband. Rot heißt rotverschoben, also zu längeren Wellenlängen hin. Die Wellenzüge der Strahlung sind hier gedehnt. Der rote Bereich rechts im Bild zeigt einen inneren Spiralarm direkt neben dem Milchstraßenzentrum, der sich von uns wegbewegt. Grün heißt unverschoben und blau heißt blauverschoben, d.h. die blauen Stellen im Bild zeigen Milchstraßenbereiche, die sich auf uns zu bewegen, weil deren Wasserstoffstrahlung zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben ist, also deren Wellenzüge gestaucht sind.
Aufnahmedetails: 2.65m-Spiegel, Wellenlänge 21cm, Schmalbandaufnahme mit nur 12 kHz Bandbreite, Messzeit pro Bildpunkt: 8 sec, Gesamtaufnahmezeit: ca. 11 Std. Zur Orientierung sind Radioquellenpositionskreuze, Sterne und Sternbilder künstlich eingeblendet. Die Sonne, zum Aufnahmezeitpunkt im Stier nahe den Plejaden, wurde ausgeblendet. Die Aufnahme sieht wegen der geringen Bandbreite sehr übersichtlich aus. Es gibt wenig Überlagerungen mit anderen Objekten, weil die meisten anderen Wasserstoffwolken durch ihre Eigenbewegung und dem Doppler-Effekt eine etwas andere Rotverschiebung haben und dadurch nicht mehr im Frequenzbereich der Schmalbandaufnahme erscheinen. Auf diese Weise lassen sich einzelne Objekte herausisolieren.