彭煥文，辛玉新，和壽圣，王傳軍，倫寶利，范玉峰

( 1. 中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3. 中國(guó)科學(xué)院天體結(jié)構(gòu)與演化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650011)

麗江天文觀測(cè)站全天相機(jī)介紹*

彭煥文1,2,3，辛玉新1,3，和壽圣1,3，王傳軍1,3，倫寶利1,3，范玉峰1,3

( 1. 中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3. 中國(guó)科學(xué)院天體結(jié)構(gòu)與演化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650011)

全天相機(jī)作為一個(gè)對(duì)天文觀測(cè)臺(tái)站全天云量信息進(jìn)行監(jiān)視的工具，對(duì)天文觀測(cè)的正常進(jìn)行發(fā)揮著重要的作用，目前世界上主要天文臺(tái)均配備有全天相機(jī)，為了滿足對(duì)全天云量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視的需求，麗江天文觀測(cè)站正式安裝架設(shè)了一套全天相機(jī)系統(tǒng)。從硬件安裝架設(shè)、軟件調(diào)試到實(shí)際測(cè)試等方面，詳細(xì)介紹了全天相機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案以及遇到的問題，討論了對(duì)問題的解決措施，重點(diǎn)介紹了根據(jù)天光亮度數(shù)值調(diào)整相機(jī)曝光時(shí)間的方法，這也是主要?jiǎng)?chuàng)新與特色之處。

全天相機(jī)；云量信息；實(shí)時(shí)；天光亮度；曝光時(shí)間

天文觀測(cè)站址監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是天文臺(tái)的重要組成部分，主要分為監(jiān)測(cè)和監(jiān)視兩部分，其中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括大氣視寧度監(jiān)測(cè)、溫濕度監(jiān)測(cè)、風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)等等；監(jiān)視系統(tǒng)包括全天云量監(jiān)視、站址環(huán)境監(jiān)視、圓頂與望遠(yuǎn)鏡監(jiān)視等等。全天相機(jī)(All-Sky Camera)作為實(shí)現(xiàn)全天云量監(jiān)視的一種方式，是站址監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要的組成部分，其獲取的全天云圖信息全面，初期可以目測(cè)全天云圖以便了解云量多少、云量分布等信息，后期可以利用目前的數(shù)字圖像處理軟件處理和分析圖像，獲取有效信息，并結(jié)合計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云量信息的半自動(dòng)獲取[1]。

麗江天文觀測(cè)站目前配備了云量傳感器，可以向觀測(cè)人員提供全天云量，但它的缺點(diǎn)是無法提供全天云量的分布信息。為了彌補(bǔ)上述不足，麗江天文觀測(cè)站決定配置一套全天相機(jī)系統(tǒng)，充分利用全天相機(jī)的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，為觀測(cè)人員實(shí)時(shí)地傳達(dá)全天云量、分布等信息。

1 自主設(shè)計(jì)全天相機(jī)的優(yōu)勢(shì)

目前世界上主要天文臺(tái)均配備了全天相機(jī)，如位于美國(guó)亞利桑那州圖森市霍普金斯山頂?shù)母ダ椎隆趥愃埂せ萜諣柼煳呐_(tái)(Fred Lawrence Whipple Observatory)，位于基特峰頂?shù)幕胤鍑?guó)家天文臺(tái)(Kitt Peak National Observatory)，位于智利的拉斯坎帕納斯天文臺(tái)(Las Campanas Observatory)，以及歐洲南方天文臺(tái)(ESO)在世界上的多個(gè)觀測(cè)基地。這些大型天文臺(tái)配備的全天相機(jī)或?yàn)樯虡I(yè)的或?yàn)樽灾髟O(shè)計(jì)的，如基特峰國(guó)家天文臺(tái)自主設(shè)計(jì)的全天相機(jī)，使用了FLI-CCD相機(jī)以及尼康8 mm f2.8魚眼鏡頭。此外這些天文臺(tái)的全天相機(jī)系統(tǒng)均提供了網(wǎng)絡(luò)訪問接口，并在網(wǎng)頁上提供了近幾個(gè)月的歷史云圖信息，以及當(dāng)前全天云量分析與歷史走勢(shì)曲線。

目前已經(jīng)出現(xiàn)了多款商業(yè)化的全天相機(jī)，比較著名的有Moonglow Technologies 設(shè)計(jì)的全天相機(jī)、SBIG全天相機(jī)(All Sky 340 Cameras)等等。這些商業(yè)產(chǎn)品的特點(diǎn)是功能集成比較完善，客戶購(gòu)買后僅需要做少量的工作，比如安裝、連接輸出設(shè)備后，就可以使用相機(jī)拍照并查看全天圖像，但由于軟硬件開發(fā)等細(xì)節(jié)不公開，導(dǎo)致觀測(cè)站址的技術(shù)人員對(duì)其日后的問題解決、維護(hù)管理等很不方便，于是麗江天文觀測(cè)站決定自主設(shè)計(jì)一套全天相機(jī)系統(tǒng)。自主設(shè)計(jì)全天相機(jī)系統(tǒng)，不僅能夠節(jié)省科研資金，更可以充分發(fā)揮天文觀測(cè)臺(tái)站技術(shù)人員的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，獲得技術(shù)上的鍛煉和寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，此外，技術(shù)人員可以自由地選擇硬件搭配，發(fā)揮創(chuàng)新性，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有臺(tái)站自主特色的全天相機(jī)系統(tǒng)。由于是自主設(shè)計(jì)的軟硬件，很清楚整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)細(xì)節(jié)，所以非常便于日后的維護(hù)管理，也可以方便地和整個(gè)站址監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成，后期的開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)云量、分布等信息的自動(dòng)獲取，為臺(tái)站望遠(yuǎn)鏡的自動(dòng)運(yùn)行與觀測(cè)提供技術(shù)支持。

2 硬件選擇

麗江天文觀測(cè)站全天相機(jī)系統(tǒng)的硬件配置選擇，本著能夠完成相關(guān)工作，并且價(jià)格低廉實(shí)惠、工作穩(wěn)定的原則進(jìn)行。最基本的硬件配置需要一臺(tái)相機(jī)、一個(gè)廣角鏡頭、一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)，另外還需要交流適配器、遮雨罩、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備等。經(jīng)過對(duì)多個(gè)可選配置方案的全方面綜合比較，最終的基本硬件配置如下：相機(jī)采用佳能EOS 600D，廣角鏡頭采用適馬4.5 mm f2.8魚眼鏡頭，控制計(jì)算機(jī)只需要基本的配置，并安裝windows7系統(tǒng)，相機(jī)交流適配器采用ACK-E8交流適配器，遮雨罩自主制作，其中全天相機(jī)及魚眼鏡頭的選擇主要參考了國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站的成功案例。

3 安裝架設(shè)

3.1 選擇安裝地點(diǎn)

要實(shí)現(xiàn)完整的全天相機(jī)系統(tǒng)，第1步就是選取安裝地點(diǎn)。全天相機(jī)安裝地點(diǎn)的選擇需要滿足一定的地面高度，這樣不僅能夠拍到全天圖像，還能在相機(jī)視場(chǎng)邊緣處拍攝地面特征建筑物，比如2.4 m望遠(yuǎn)鏡圓頂。為了便于全天相機(jī)功能的調(diào)試與后期維護(hù)，需要把安裝地點(diǎn)設(shè)在具有較近的電力、網(wǎng)絡(luò)接口的地方，經(jīng)過全方面綜合多個(gè)因素的權(quán)衡，最終選擇安裝在臺(tái)灣自動(dòng)望遠(yuǎn)鏡(TAT)控制室外西側(cè)屋頂，一方面能夠方便給全天相機(jī)供電、接入網(wǎng)絡(luò)，另一方面又能夠方便日后的維護(hù)管理。

3.2 自制改裝遮雨罩，安裝相機(jī)

第2步需要把作為全天相機(jī)系統(tǒng)主體的相機(jī)和鏡頭安裝到帶有底座的遮雨罩內(nèi)，并固定到墻面上。為了節(jié)約資金，決定自制一個(gè)遮雨罩，一方面可以增強(qiáng)動(dòng)手能力，另一方面也可以把舊物重復(fù)利用，即經(jīng)濟(jì)又節(jié)約。用來制作改裝遮雨罩的物品是一個(gè)通用的監(jiān)視攝像頭遮罩，在遮雨罩里面安裝了一個(gè)相機(jī)底座，并用螺釘把相機(jī)固定在相機(jī)底座上，遮雨罩的底座可以固定在墻面上，調(diào)整好位置使得遮雨罩頂部和相機(jī)鏡頭正對(duì)著天頂。遮雨罩底座是中空的，相機(jī)電源線和數(shù)據(jù)線可以通過這個(gè)中空的孔穿過墻面到達(dá)控制室內(nèi)，并與控制計(jì)算機(jī)相連。在半球形透明遮雨罩與底座接縫處用密封膠進(jìn)行密封，防止雨水進(jìn)入遮雨罩內(nèi)部，影響相機(jī)正常工作。圖1為自制改裝遮雨罩展示，左圖中相機(jī)安裝在內(nèi)部的底座上，右圖中安裝了透明遮雨罩以及把遮雨罩底座固定在墻面上。

圖1 改裝遮雨罩
Fig.1 A picture showing our refit rain shield

3.3 控制計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)接入

第3步需要在控制室內(nèi)放置一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)并接入網(wǎng)絡(luò)。由于對(duì)全天相機(jī)控制和數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)的要求不高，放置一臺(tái)普通的具有基本配置的控制計(jì)算機(jī)即可，考慮到長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定性，采用臺(tái)式機(jī)，并安裝windows7系統(tǒng)，控制計(jì)算機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線與相機(jī)相連進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳輸。為了能通過網(wǎng)頁訪問全天圖像，需要將控制計(jì)算機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)，在控制室內(nèi)放置一部光纖轉(zhuǎn)換器，一端通過網(wǎng)線與控制計(jì)算機(jī)相連，另一端通過光纖接入本地局域網(wǎng)，并給控制計(jì)算機(jī)配置映射端口作為網(wǎng)絡(luò)訪問的地址。3.4 加熱器和溫控器

基本的硬件安裝完畢后，經(jīng)過幾天的測(cè)試觀察，發(fā)現(xiàn)透明遮雨罩內(nèi)壁結(jié)露嚴(yán)重，非常影響拍攝的全天圖像質(zhì)量，為了解決這個(gè)問題，在遮雨罩內(nèi)部放入了適量的干燥劑，但后來發(fā)現(xiàn)水汽結(jié)露的改善效果并不明顯，于是加裝了一個(gè)控溫加熱裝置。這個(gè)裝置由一個(gè)加熱器和一個(gè)溫控器組成，兩個(gè)器件都由上海斯普威爾電器有限公司生產(chǎn)，加熱器功率為10 W，溫控器可在0～60 ℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過對(duì)溫控器設(shè)置監(jiān)測(cè)臨界溫度，當(dāng)遮雨罩內(nèi)部溫度低于該臨界溫度時(shí)，啟動(dòng)加熱器進(jìn)行加熱，以此防止遮雨罩內(nèi)壁結(jié)露。實(shí)驗(yàn)表明，保持遮雨罩內(nèi)部溫度始終高于外界溫度，能有效防止遮雨罩內(nèi)壁結(jié)露。圖2左圖為透明遮雨罩內(nèi)壁的結(jié)露情況，右圖為制作的控溫加熱裝置。

圖2 左：遮雨罩內(nèi)壁結(jié)露；右：加熱器和溫控器

Fig.2 Left panel: A picture showing the dew on the inner side of the rain shield. Right panel: A picture showing the heater and the thermostat

3.5 消光布

遮雨罩底座內(nèi)壁和干燥劑包裝都為白色，當(dāng)在晴朗的白天用全天相機(jī)試拍一組照片時(shí)，發(fā)現(xiàn)太陽光照射到白色干燥劑包裝上會(huì)反射至透明遮雨罩，最終成像在全天圖像里，導(dǎo)致圖像不清楚。為了解決這個(gè)問題，在遮雨罩內(nèi)底部的干燥劑上蓋上一塊黑色消光布，防止太陽光的反射，從而有效地消除了反射導(dǎo)致圖像不清楚的問題。圖3左圖為加消光布前的圖像，右圖為加消光布后的圖像。

圖3 消光前(左)后(右)的對(duì)比圖

Fig.3 Images taken by the all-sky camera before and after using the black-cloth sheet to avoid light reflection (in the left and right panels, respectively)

4 軟件調(diào)試

在Windows7系統(tǒng)中VC環(huán)境下對(duì)相機(jī)控制軟件進(jìn)行開發(fā)調(diào)試[2]，以滿足設(shè)置相機(jī)參數(shù)、控制相機(jī)曝光、圖像采集與存儲(chǔ)等功能，開發(fā)了一個(gè)基于MFC的用戶界面[3]，交互式地對(duì)各功能進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)拍攝。為了實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)頁訪問全天圖像的功能，給控制計(jì)算機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)，并配置好網(wǎng)絡(luò)映射端口后，在基于超文本預(yù)處理器語言(PHP)的環(huán)境下開發(fā)了一個(gè)主頁，實(shí)現(xiàn)對(duì)全天圖像的訪問。圖4為全天相機(jī)軟件流程圖，圖5為軟件界面。

圖4 全天相機(jī)控制軟件流程圖
Fig.4 A flowchart of the control software system of the all-sky camera

圖5 全天相機(jī)控制軟件
Fig.5 A display of the interface of the control software system of the all-sky camera

最初的開發(fā)結(jié)果為對(duì)原始圖片進(jìn)行訪問，但經(jīng)過測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，原始圖片過大，每幅5兆字節(jié)左右，通過網(wǎng)絡(luò)訪問時(shí)不僅下載圖片很費(fèi)時(shí)，而且占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，并且在計(jì)算機(jī)顯示器分辨率的限制下，原始圖片中的大部分高分辨率細(xì)節(jié)不能顯示。經(jīng)過修正后的方案為對(duì)每幅原始圖片，在存儲(chǔ)到硬盤后自動(dòng)生成一幅縮略圖，縮略圖字節(jié)數(shù)較原始圖大大減小，這樣通過網(wǎng)絡(luò)訪問縮略圖不僅下載快速，而且顯示的細(xì)節(jié)與訪問原始圖片時(shí)相差不大，很好地滿足了高效順暢地瀏覽與查看全天圖像的功能。為了使通過網(wǎng)頁訪問全天圖像縮略圖的功能更加人性化，又在縮略圖中添加了文字水印和司南圖片水印，達(dá)到了解圖片信息和南北方位的目的，此外在網(wǎng)頁中自動(dòng)定時(shí)刷新最近拍攝的圖像縮略圖，并支持查看3天內(nèi)的歷史圖像。圖6展示了白天和黑夜的完整全天圖像。

圖6 完整的全天圖像
Fig.6 Two result images taken by the all-sky camera

5 根據(jù)天光亮度數(shù)值調(diào)整相機(jī)曝光時(shí)間

全天相機(jī)拍攝參數(shù)的設(shè)置非常重要，比如曝光時(shí)間、快門大小、感光度等，如果設(shè)置不合適，就無法獲得高清晰質(zhì)量的全天圖像。最初的方案是通過一系列實(shí)際測(cè)試將參數(shù)設(shè)置為指定的數(shù)值，不管白天還是晚上，任何時(shí)刻都采用這一組同樣的參數(shù)對(duì)全天進(jìn)行拍攝。但如此一來會(huì)導(dǎo)致白天所得的全天圖像合適時(shí)，晚上的圖像過暗；晚上所得的全天圖像合適時(shí)，白天的圖像過亮。

為了解決這個(gè)問題，在控制軟件中加入計(jì)算太陽高度、月亮高度及月相的部分，通過對(duì)當(dāng)前時(shí)刻太陽和月亮的信息進(jìn)行計(jì)算，判斷并設(shè)定拍攝參數(shù)，實(shí)驗(yàn)表明，在天氣晴朗時(shí)，用此方法得到的全天圖像，白天和晚上的都較為合適。但當(dāng)天氣不晴朗時(shí)，天空中的云量變化會(huì)導(dǎo)致天光亮度變化，而通過單純計(jì)算太陽、月亮的高度及月相無法獲得云量變化情況下的天光亮度信息，使得云量偏多時(shí)拍攝所得全天圖像偏暗。于是，決定通過計(jì)算天光亮度數(shù)值調(diào)整設(shè)置全天相機(jī)拍攝參數(shù)，這種方案比通過計(jì)算太陽、月亮高度及月相來設(shè)定拍攝參數(shù)更加科學(xué)準(zhǔn)確。例如，有云的情況下，天光亮度數(shù)值會(huì)實(shí)時(shí)變化，拍攝參數(shù)也跟著變化，而通過單純計(jì)算太陽、月亮的高度和月相無法排除云的干擾造成的天光亮度數(shù)值的變化?？紤]到臺(tái)灣自動(dòng)望遠(yuǎn)鏡配備有一個(gè)天光亮度(LIGHT)傳感器，并且在其網(wǎng)絡(luò)主頁上實(shí)時(shí)顯示此數(shù)值，所以在控制軟件中加入抓取PHP網(wǎng)頁內(nèi)容的部分，通過此技術(shù)實(shí)時(shí)抓取臺(tái)灣自動(dòng)望遠(yuǎn)鏡主頁上的天光亮度數(shù)值，并以此為依據(jù)實(shí)時(shí)設(shè)置全天相機(jī)的拍攝參數(shù)。

表1列出了各個(gè)天光亮度數(shù)值對(duì)應(yīng)的曝光時(shí)間及拍攝參數(shù)，從中可看到，天光亮度傳感器測(cè)得的天光亮度數(shù)值分布范圍從0至幾十，初始方案中將拍攝參數(shù)設(shè)置為定值很明顯地使不同時(shí)段的全天圖像明暗相差很大；而在采用計(jì)算太陽、月亮的高度和月相的方案后，也因?yàn)樵拼嬖诘牟淮_定性導(dǎo)致白天或者晚上天光亮度分布范圍較廣。從圖7可以看到，根據(jù)天光亮度數(shù)值調(diào)整拍攝參數(shù)非常有效地解決了這些問題，獲得了亮度非常合適的全天圖像。

表1 天光亮度數(shù)值與曝光時(shí)間Table 1 LIGHT-value ranges and corresponding exposure times

圖7 左：有云時(shí)曝光時(shí)間太短；右：有云時(shí)根據(jù)天光亮度調(diào)整曝光時(shí)間

Fig.7 Left panel: An image taken in a too short exposure with clouds substantially present in the field of view. Right panel: An image taken in an exposure adjusted according to the LIGHT value also with clouds substantially present in the field of view

6 結(jié) 語

全天相機(jī)作為天文觀測(cè)站址監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成部分，在全天實(shí)時(shí)云量信息的監(jiān)視上發(fā)揮著重要的作用，近年來世界主要天文觀測(cè)臺(tái)站中各式各樣具有自主設(shè)計(jì)特點(diǎn)的全天相機(jī)相繼運(yùn)行，技術(shù)上的相互補(bǔ)足，使得該項(xiàng)技術(shù)穩(wěn)步向前發(fā)展。

麗江天文觀測(cè)站的全天相機(jī)自上線后工作穩(wěn)定，采用實(shí)時(shí)天光亮度設(shè)置拍攝參數(shù)的方法具有更好的科學(xué)性，拍攝的全天圖像清晰度好、質(zhì)量高。在后期的開發(fā)中，可根據(jù)全天圖像分析天空中云層的覆蓋比例和分布情況，計(jì)算云的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而可對(duì)天氣狀況做出快速準(zhǔn)確的判斷與預(yù)測(cè)[4]，也可對(duì)云點(diǎn)識(shí)別、云量計(jì)算、云高計(jì)算和云狀識(shí)別等問題進(jìn)行研究與實(shí)現(xiàn)[5]，還可對(duì)全天圖像進(jìn)行更加深入的研究，比如幾何、光學(xué)等的定標(biāo)研究，光學(xué)深度的研究等[6-7]。

致謝：感謝國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站的姜曉軍研究員和邱鵬的大力支持，在此深表謝意。

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CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

An Introduction to the All-Sky Camera at the YNAO Lijiang Astronomical Station

Peng Huanwen1,2,3, Xin Yuxin1,3, He Shousheng1,3, Wang Chuanjun1,3, Lun Baoli1,3, Fan Yufeng1,3

(1. Yunnan Observatories, Chinese Academy of Science, Kunming 650011, China; Email: hwpeng@ynao.ac.cn;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory for the Structure and Evolution of Celestial Objects, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650011, China)

An all-sky camera serves as a rather important tool for monitoring cloud distributions over an astronomical observation site. An all-sky camera can improve weather monitoring for astronomical observations, including outdoor observations in site selection. Major observatories in the world now have all-sky cameras. In order to meet the requirements on real-time monitoring of clouds for Yunnan Observatories, we have installed an all-sky camera system at the Lijiang astronomical station. In this paper we describe details of the design and implementation of the all-sky camera system. These include issues of installing hardware, debugging software, and practical tests. We list solutions of these issues. A particular issue is that sky-brightness values can vary dramatically with levels of cloud coverage. This makes it difficult to manually set proper exposures in using the camera. We have found a method to automatically adjust camera exposures according to sky-brightness values. The method sets camera exposures to decrease with sky-brightness values. With exposures correctly set with this method in either day or night, the camera can obtain high-quality all-sky images. This method is also the most innovative and characteristic part of our work with the all-sky camera.

All-sky camera; Cloud-amount information; Real-time monitoring; Sky brightness; Exposure time

國(guó)家自然科學(xué)基金 (11133006) 資助.

2014-03-05；修定日期：2014-03-20

彭煥文，男，碩士. 研究方向：天文儀器與方法. Email: hwpeng@ynao.ac.cn

P412.15

A

1672-7673(2015)01-0089-07