田健峰 鄧?yán)畈?閆正洲 王 坤 兀 穎

(1中國(guó)科學(xué)院光學(xué)天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100012)

(2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049)

(3中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)北京100012)

中國(guó)SONG項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)全天云量監(jiān)測(cè)方案?

田健峰1,2,3?鄧?yán)畈?,3?閆正洲1,2,3王 坤1,2,3兀 穎1,3

(1中國(guó)科學(xué)院光學(xué)天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100012)

(2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049)

(3中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)北京100012)

為實(shí)現(xiàn)中國(guó)SONG(Stellar Observations Network Group)項(xiàng)目在青海觀測(cè)站云量信息的無(wú)人值守全自動(dòng)監(jiān)測(cè),在國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地提供的全天相機(jī)基礎(chǔ)上,對(duì)其硬件和軟件做了相應(yīng)的升級(jí)改造:將原來(lái)基于PC機(jī)的控制系統(tǒng)改為基于ARM(Advanced Reduced Instruction Set Computer Machine)單片機(jī)(MCU)的自動(dòng)控制系統(tǒng),提升了系統(tǒng)的可靠性;依據(jù)站點(diǎn)配屬的夜天光監(jiān)測(cè)儀,計(jì)算分析全天相機(jī)曝光參數(shù)與夜天光的數(shù)學(xué)關(guān)系,完成了曝光參數(shù)的自適應(yīng)設(shè)置和圖像采集;實(shí)現(xiàn)了采集圖片的格式轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)存儲(chǔ),達(dá)到了全天相機(jī)的無(wú)人值守全自動(dòng)運(yùn)行目標(biāo).

選址,儀器：探測(cè)器,技術(shù):圖像處理,技術(shù):其他諸多方面

1 引言

每年可觀測(cè)夜(包括全晴夜和有薄云的部分晴夜)的數(shù)量是以恒星時(shí)域科學(xué)為主的SONG項(xiàng)目最為關(guān)鍵的臺(tái)址參數(shù).監(jiān)視并累積可供定量分析的光學(xué)波段全天圖像,是SONG實(shí)現(xiàn)高占空比(duty cycle)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的基本保障.而實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的全天云量分布圖像是實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行的基本條件.為了實(shí)現(xiàn)對(duì)SONG項(xiàng)目在青海觀測(cè)站云量信息的自動(dòng)監(jiān)測(cè),2013年中國(guó)SONG項(xiàng)目組從國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地引進(jìn)了全天相機(jī).該全天相機(jī)系統(tǒng)由興隆觀測(cè)基地工作人員提出創(chuàng)意、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)完成.系統(tǒng)采用成熟商用產(chǎn)品集成并開(kāi)發(fā)專用控制軟件,實(shí)現(xiàn)了低成本的全天云量監(jiān)測(cè).在硬件上由佳能EOS 600D單反相機(jī)、電源適配器、適馬4.5 mm f/2.8鏡頭、散熱保護(hù)罩組成;軟件由興隆觀測(cè)基地自主開(kāi)發(fā)基于Windows平臺(tái)的控制程序.程序能根據(jù)太陽(yáng)高度、月亮高度及月相計(jì)算曝光時(shí)間,保證全天相機(jī)白天和黑夜都能正常曝光.全天相機(jī)與控制計(jì)算機(jī)之間通過(guò)USB數(shù)據(jù)線通信,所拍攝的圖片由程序按日期保存在控制計(jì)算機(jī)上.

興隆觀測(cè)基地全天相機(jī)的功能基本能滿足中國(guó)SONG項(xiàng)目對(duì)云量信息監(jiān)測(cè)的需要.在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)可以進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn),以更好地滿足中國(guó)SONG項(xiàng)目云量信息的全自動(dòng)監(jiān)測(cè)需求:

(1)控制程序運(yùn)行在Windows下,需要一臺(tái)專門的控制計(jì)算機(jī)完成.由于Windows平臺(tái)可靠性較差、控制計(jì)算機(jī)與相機(jī)間的USB數(shù)據(jù)線過(guò)長(zhǎng),使相機(jī)常出現(xiàn)死機(jī)的情況;同時(shí)控制計(jì)算機(jī)價(jià)格較高,不利于成本控制.

(2)由于每天云量實(shí)際是變化的,依據(jù)太陽(yáng)高度、月亮高度及月相計(jì)算所得的曝光參數(shù)不能自動(dòng)適應(yīng)這種變化,使所拍圖片出現(xiàn)曝光過(guò)度或曝光不足的情況.

(3)圖片保存在控制計(jì)算機(jī)上不便于通過(guò)網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn),保存格式為JPEG也不便于通過(guò)天文軟件完成數(shù)據(jù)處理.

經(jīng)過(guò)分析、調(diào)研和測(cè)試,可以從以下幾方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn):

(1)平均1周1次的故障率影響了對(duì)站點(diǎn)云量的持續(xù)監(jiān)測(cè).這樣得到的云量信息不完整,同時(shí)增加了基地工作人員的工作量.經(jīng)多次測(cè)試確定:縮短USB數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度,能夠顯著延長(zhǎng)全天相機(jī)的連續(xù)工作時(shí)間.調(diào)研發(fā)現(xiàn)許多天文臺(tái)在可靠性要求高的地方,多采用ARM單片機(jī)來(lái)控制全天相機(jī),如南極冰穹A的全天相機(jī)[1]和帕拉茨基大學(xué)光學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的全天相機(jī)[2].ARM單片機(jī)體積小,可與相機(jī)同時(shí)放在保護(hù)罩中,從而縮短了USB數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度.采用ARM單片機(jī)控制全天相機(jī),還可擺脫對(duì)PC機(jī)的依賴,使其成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊.

(2)計(jì)算所得的曝光參數(shù)不能適應(yīng)云量的變化,導(dǎo)致所拍的圖片常出現(xiàn)曝光過(guò)度或曝光不足的現(xiàn)象,如圖1.這影響了對(duì)全天云量的判斷.需要采用新的方法來(lái)計(jì)算曝光參數(shù).環(huán)境的亮度信息真實(shí)地反映了當(dāng)時(shí)環(huán)境的亮暗程度.根據(jù)環(huán)境亮度確定曝光參數(shù),應(yīng)與實(shí)際情況相符.文獻(xiàn)[1]中提到采用夜天光來(lái)控制相機(jī)曝光,但并未說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn).需要進(jìn)一步研究夜天光與曝光參數(shù)間的關(guān)系.

圖1 曝光參數(shù)與實(shí)際情況不符(左:曝光不足;右:曝光過(guò)度)Fig.1 The exposure parameter does not match with the actual situation (right:underexposure;left:overexposure)

(3)為了便于通過(guò)網(wǎng)頁(yè)來(lái)訪問(wèn)圖片,同時(shí)方便查找、管理,圖片最好保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中.全天相機(jī)所拍圖片不但可以用來(lái)判斷全天云量,還可以用來(lái)做天文研究.如Colin Little field利用佳能EOS 20Da發(fā)現(xiàn)transit[3].為了方便用天文上常用的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,圖片應(yīng)采用RAW格式拍攝并能保存成FITS格式文件.

本文主要介紹了對(duì)全天相機(jī)硬件和軟件的改進(jìn).第2章介紹了采用ARM單片機(jī)控制全天相機(jī),第3章介紹了夜天光與曝光參數(shù)的關(guān)系,第4章介紹了對(duì)所拍圖片的處理過(guò)程,第5章介紹了軟件處理流程,第6章是小結(jié).

2 采用ARM單片機(jī)控制全天相機(jī)

ARM單片機(jī)自身的特點(diǎn)決定了其在相機(jī)控制方面有以下優(yōu)點(diǎn):相對(duì)于PC機(jī)有更低的功耗、更低廉的價(jià)格;體積小,可與相機(jī)同時(shí)放在保護(hù)罩當(dāng)中;可定制嵌入式操作系統(tǒng),只保留所需要的功能,可靠性相對(duì)較高;接口豐富,便于以后功能擴(kuò)展.

在選擇ARM單片機(jī)時(shí),主要考慮體積和性能兩個(gè)方面.一方面體積要足夠小,以便能放入全天相機(jī)保護(hù)罩內(nèi).另一方面性能要足夠高,以便完成相應(yīng)的圖像處理工作.經(jīng)過(guò)調(diào)研和實(shí)際測(cè)試,最終選擇了一款以Exynos 4412 4核1.5 GHz處理器為核心、配備1 GB DDR3內(nèi)存的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板.單片機(jī)開(kāi)發(fā)板的大小為100 mm×60 mm,擁有USB、GPIO(General Purpose Input/Output)、以太網(wǎng)及SD卡等接口.單片機(jī)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與相機(jī)相連并完成對(duì)相機(jī)的控制,經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器上.單片機(jī)上的SD卡可在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí),臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù).改造后全天相機(jī)的硬件組成如圖2所示.單片機(jī)及電源是新增加的硬件,原來(lái)放在外面的電源適配器也放到了單片機(jī)電源旁.這樣全天相機(jī)的所有部件全都放在保護(hù)罩內(nèi),縮短了USB數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度.經(jīng)過(guò)近兩年的實(shí)際測(cè)試,改用ARM單片機(jī)后,全天相機(jī)的故障率降為一年1到2次.ARM單片機(jī)的使用,使系統(tǒng)的可靠性得到提高.

圖2 全天相機(jī)硬件組成Fig.2 The hardware of the all sky camera

3 根據(jù)夜天光值確定相機(jī)曝光參數(shù)

青海觀測(cè)站已安裝Unihedron生產(chǎn)的夜天光監(jiān)測(cè)儀SQM-LE(Sky Quality Meter-LE).SQM-LE具備網(wǎng)絡(luò)接口,所測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲得,單位為mag/arcsec2.

全天相機(jī)的曝光參數(shù)主要有曝光時(shí)間、光圈大小、感光度這3項(xiàng),尋找這3項(xiàng)與夜天光的關(guān)系就成為能否正確曝光的關(guān)鍵.如云南天文臺(tái)麗江天文觀測(cè)站的全天相機(jī),雖然采用天光亮度來(lái)控制全天相機(jī)曝光,但并沒(méi)有給出這個(gè)關(guān)系[4].在實(shí)際應(yīng)用中還是經(jīng)常出現(xiàn)曝光過(guò)度或曝光不足的情況.為了研究這3個(gè)參數(shù)在攝影中的作用,提出了曝光值(Exposure Value)這個(gè)概念.曝光值代表能夠給出同樣曝光的所有光圈和快門的組合,用以簡(jiǎn)化在等價(jià)拍攝參數(shù)之間進(jìn)行選擇的過(guò)程,用符號(hào)EV來(lái)表示.曝光值是一個(gè)以2為底的對(duì)數(shù)刻度系統(tǒng)[5],由下式給出:

其中N是光圈(f值);t是曝光時(shí)間(快門),單位為s.不同感光度之間曝光值的關(guān)系如下:

其中EV100是感光度為100時(shí)的曝光值,EVS是感光度為S時(shí)的曝光值.在給定的照明條件和感光度下,光圈(f值)與曝光時(shí)間(快門)可由下式給出[5]

其中L是亮度,單位cd/m2;K是反射式測(cè)光表校正常數(shù).由(1)式和(3)式可得曝光值與亮度的關(guān)系

由SQM-LE用戶手冊(cè)可知,SQM所測(cè)夜天光值與亮度的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下式:

其中μ是夜天光值,單位mag/arcsec2.由(4)–(5)式可得夜天光與曝光值的關(guān)系如下:

在計(jì)算過(guò)程中可取感光度為定值,如100,K值根據(jù)實(shí)際情況測(cè)定.這樣夜天光與曝光值之間就是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系.根據(jù)青海觀測(cè)站實(shí)地測(cè)試的結(jié)果,K值定為3.4148.在感光度為100時(shí),(6)式簡(jiǎn)化為

根據(jù)(7)式得到曝光值EV后,再根據(jù)(1)–(2)式即可確定具體的曝光參數(shù).圖3展示了晴天日落時(shí)的實(shí)測(cè)結(jié)果.由夜天光計(jì)算所得的曝光參數(shù),不但有效避免了圖像出現(xiàn)曝光過(guò)度或曝光不足的現(xiàn)象,而且實(shí)現(xiàn)了所拍圖像從白天到黑夜的平滑過(guò)渡.圖4展示了日出多云及月夜多云時(shí)的實(shí)測(cè)結(jié)果.從圖中可以看出,由夜天光計(jì)算所得的曝光參數(shù)能自動(dòng)適應(yīng)天空中云量的變化.采用夜天光計(jì)算所得的曝光參數(shù)有效地提高了曝光質(zhì)量,避免了圖像出現(xiàn)曝光過(guò)度或曝光不足的現(xiàn)象.

圖3 根據(jù)夜天光調(diào)整曝光參數(shù)(晴天日落時(shí))Fig.3 The exposure parameters adjusted according to the night sky brightness(the sunny sunset)

圖4 根據(jù)夜天光調(diào)整曝光參數(shù)(左:日出多云時(shí);右:月夜多云時(shí))Fig.4 The exposure parameters adjusted according to the night sky brightness(left:the cloudy sunrise; right:the cloudy moonlight)

4 圖片處理

改進(jìn)前全天相機(jī)采用JPEG格式存儲(chǔ)圖像.采用JPEG格式的優(yōu)點(diǎn)是:壓縮率高、占用磁盤空間小、適合通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸、所拍圖片可不用處理直接用于網(wǎng)頁(yè)等.如采用SmallNormal JPEG畫質(zhì)所拍的圖像只有大約500 K大小,可快速顯示于網(wǎng)頁(yè)上.但用JPEG格式存儲(chǔ)全天相機(jī)圖像也有明顯的缺點(diǎn):首先,JPEG是一種有損壓縮格式,壓縮過(guò)程中會(huì)丟掉一些圖像細(xì)節(jié),造成圖像數(shù)據(jù)的損傷;其次,JPEG格式的文件單通道是8位圖像,只有256級(jí)灰階,這不利于后期圖像的處理.而采用RAW格式拍攝則沒(méi)有以上缺點(diǎn).RAW格式儲(chǔ)存了數(shù)碼相機(jī)感光元件中每個(gè)感光單元的原始數(shù)據(jù),沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何處理.RAW格式文件通常是12或14位圖像.佳能600D的RAW格式文件是14位圖像,擁有16384級(jí)灰階,這是JPEG格式文件不能相比的.但RAW格式的文件沒(méi)法直接顯示在網(wǎng)頁(yè)上,需要進(jìn)行相應(yīng)的后期處理.

從相機(jī)內(nèi)圖像的產(chǎn)生過(guò)程也可以看出RAW格式文件與JPEG格式文件的差別.為了獲得圖像的彩色信息,相機(jī)的圖像傳感器前會(huì)加裝彩色濾波陣列(Color Filter Array, CFA).但這樣每個(gè)像素位置上只能獲得一種顏色分量,另外兩種顏色分量要通過(guò)CFA插值由鄰近像素計(jì)算得出.和大多數(shù)相機(jī)一樣,佳能EOS 600D采用Bayer彩色濾波陣列,該陣列由50%的G、25%的R、25%的B組成[6].RAW格式記錄的就是光線通過(guò)彩色濾波陣列后,圖像傳感器所得的直接數(shù)據(jù).這些原始數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)CFA插值及其他一些處理、壓縮后就可生成相應(yīng)的JPEG文件.

采用RAW格式來(lái)存儲(chǔ)后,需要把RAW格式文件轉(zhuǎn)換為JPEG格式文件,以便圖像能實(shí)時(shí)顯示于網(wǎng)頁(yè)上.佳能相機(jī)以CR2(Canon RAW version 2)的形式來(lái)保存RAW文件.由CR2文件的結(jié)構(gòu)可知,其內(nèi)部嵌入了JPEG格式的預(yù)覽圖1http://lclevy.free.fr/cr2/.RAW文件生成JPEG文件可考慮直接采用內(nèi)嵌的JPEG格式的預(yù)覽圖.也可以由RAW文件中的數(shù)據(jù),通過(guò)CFA插值生成相應(yīng)的JPEG文件.對(duì)比這兩種方法生成的JPEG文件,可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)嵌JPEG文件的質(zhì)量?jī)?yōu)于CFA插值生成的JPEG文件.這是因?yàn)榧涯芟鄼C(jī)內(nèi)部采用DIGIC(Digital Imaging Integrated Circuit)來(lái)完成圖像處理.DIGIC內(nèi)部采用的許多專利技術(shù)保證了圖像處理的質(zhì)量.從RAW文件中直接提取的JPEG文件大約有1.5 M大小,這還是太大,不利于圖像快速顯示在網(wǎng)頁(yè)上.于是對(duì)提取出的JPEG文件進(jìn)行了進(jìn)一步壓縮,使其大小在150 K左右.實(shí)際測(cè)試表明:這個(gè)大小可以滿足快速瀏覽全天相機(jī)圖像的要求.

RAW格式不是天文上通用的格式,需要轉(zhuǎn)換為FITS文件,以方便采用天文上常用的軟件完成數(shù)據(jù)處理.Bayer彩色濾波陣列相當(dāng)于天文觀測(cè)過(guò)程中使用的濾光片,不同的顏色對(duì)應(yīng)不同的濾光片.在轉(zhuǎn)換為FITS文件時(shí),相同顏色的數(shù)據(jù)應(yīng)該放到一塊,如圖5.轉(zhuǎn)換時(shí)G與G′可看成不同的顏色.這是因?yàn)?(1)由Bayer彩色濾波陣列的排列方式(圖5)可知,G的數(shù)量是R或B的兩倍.這樣做的原因是人眼對(duì)綠色更敏感,能分辨出更多的細(xì)節(jié).因此RGB 3通道在Bayer彩色濾波陣列中實(shí)際上可認(rèn)為是RGG′B 4通道. (2)由圖5可知,G與G′在空間上處于不同的位置,對(duì)應(yīng)CCD上不同的像素點(diǎn).一般來(lái)說(shuō)G與G′的數(shù)據(jù)并不相同.為了使RAW文件中的數(shù)據(jù)與FITS文件中的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng),G與G′應(yīng)看成不同的顏色.這樣每個(gè)通道的分辨率是原始分辨率的25%.(3)參考國(guó)外相關(guān)研究,如文獻(xiàn)[1]和[7],在RAW文件轉(zhuǎn)FITS文件的過(guò)程中都將G與G′看成不同的顏色來(lái)處理,這保證了RAW文件與FITS文件中數(shù)據(jù)的一一對(duì)應(yīng).在后期處理中如有必要,可以方便地將G與G′合并在一起.

圖5 Bayer陣列及其在FITS文件中的排列Fig.5 The Bayer array and its position in FITS file

一些現(xiàn)有軟件可完成RAW文件到FITS文件的轉(zhuǎn)換,如Windows下的iris、Maxim DL,Linux下的dcRAW、cr2 fits.除Maxim DL外,以上3種軟件在轉(zhuǎn)換過(guò)程中都對(duì)RAW文件中的數(shù)據(jù)做了不必要的處理:(1)直接用dcRAW命令轉(zhuǎn)換成FITS文件.FITS文件只能是8位或16位的,而不是RAW文件本身的14位.FITS文件是RGB 3通道的,但單通道分辨率與RAW文件相當(dāng),這說(shuō)明轉(zhuǎn)換過(guò)程中進(jìn)行了CFA插值.(2)采用cr2 fits轉(zhuǎn)換成FITS文件.FITS文件是16位的,按RGB 3通道保存成3個(gè)獨(dú)立文件.由于分辨率與RAW文件相同,轉(zhuǎn)換過(guò)程中同樣進(jìn)行了CFA插值.(3)采用iris轉(zhuǎn)換成FITS文件. FITS文件能保持RAW文件本身的14位不變.將RGB 3通道保存到同一個(gè)FITS文件中,但單通道分辨率與RAW文件相同,轉(zhuǎn)換過(guò)程中還是進(jìn)行了CFA插值.(4)采用Maxim DL轉(zhuǎn)換成FITS文件.FITS文件保持RAW文件本身的14位不變,3通道數(shù)據(jù)在FITS文件中的排列方式也與RAW文件中一樣.這相當(dāng)于把RAW文件中的數(shù)據(jù)原封不動(dòng)地轉(zhuǎn)化為FITS文件.但因沒(méi)有把相同通道的數(shù)據(jù)保存到一塊,這給后期數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了不便.

為了使RAW文件中的數(shù)據(jù)在不被處理的情況下保存成FITS文件,同時(shí)使處理過(guò)程在ARM單片機(jī)上進(jìn)行,于是自主開(kāi)發(fā)格式轉(zhuǎn)換程序.新的格式轉(zhuǎn)換程序在不改變RAW文件中數(shù)據(jù)的前提下把相同顏色的數(shù)據(jù)放到一塊,并保存到FITS文件中.如圖6,可在Cube對(duì)話框中選擇要查看的通道.同時(shí)FITS頭中也保存了拍攝參數(shù).保存成FITS文件后,可用天文上常用的軟件如IRAF等完成數(shù)據(jù)處理.

圖6 全天相機(jī)所拍的FITS圖Fig.6 The FITS file taken by the all sky camera

5 軟件開(kāi)發(fā)

在嵌入式Linux系統(tǒng)中,使用C語(yǔ)言完成了對(duì)相機(jī)控制及數(shù)據(jù)處理程序的開(kāi)發(fā)調(diào)試.采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言,是為了提高程序的執(zhí)行效率,更有效地使用ARM單片機(jī)有限的系統(tǒng)資源.并且數(shù)據(jù)的采集和處理過(guò)程全部在內(nèi)存中完成,這也加快了程序的執(zhí)行速度.圖7為全天相機(jī)軟件的流程圖.

白天天光背景太亮,超出了SQM-LE的測(cè)量范圍.白天SQM-LE的讀數(shù)始終是零,這無(wú)法反映天光亮度的變化.根據(jù)(7)式所計(jì)算的曝光值并不正確.這時(shí)全天相機(jī)采用固定的曝光參數(shù):曝光時(shí)間1/3200 s、光圈f/2.8、感光度100.每次曝光時(shí),程序首先讀取夜天光數(shù)據(jù).如果夜天光值為零,則采用固定的曝光參數(shù),如果夜天光值不為零,則根據(jù)夜天光計(jì)算曝光參數(shù).然后程序控制相機(jī)完成曝光.曝光完成后,數(shù)據(jù)被采集到單片機(jī)內(nèi)存中.在單片機(jī)的內(nèi)存中完成RAW文件到FITS文件的轉(zhuǎn)換和從RAW文件中提取JPEG文件的工作.轉(zhuǎn)換完成后FITS文件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳到服務(wù)器的指定目標(biāo)下. JPEG文件則進(jìn)一步壓縮后,被插入數(shù)據(jù)庫(kù).如果遇到網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題無(wú)法上傳到服務(wù)器,數(shù)據(jù)會(huì)先存儲(chǔ)在本地.網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后本地?cái)?shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)上傳到服務(wù)器上.

圖7 全天相機(jī)控制軟件流程圖Fig.7 A fl owchart of the control software system of the all sky camera

6 總結(jié)

采用ARM單片機(jī)控制全天相機(jī),使平均一周1次的故障率降為平均一年1到2次.不但提高了系統(tǒng)的可靠性,而且提高了系統(tǒng)的集成度.通過(guò)理論計(jì)算確立了曝光參數(shù)與夜天光間的數(shù)學(xué)關(guān)系.實(shí)際測(cè)試表明這一關(guān)系的確立有效提高了相機(jī)的曝光質(zhì)量,解決了所拍圖片出現(xiàn)曝光過(guò)度或曝光不足的情況.但在白天時(shí)天光背景太亮,超出了SQM-LE的測(cè)量范圍,無(wú)法計(jì)算出正確的曝光參數(shù).RAW文件到FITS文件的在線轉(zhuǎn)換,方便了后期數(shù)據(jù)處理.在后期開(kāi)發(fā)中,可完成對(duì)全天相機(jī)的定標(biāo)[1]、云量計(jì)算[2,8?9],還可以用全天相機(jī)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行天文學(xué)的相關(guān)研究[7,10?12].

致謝感謝國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地和紫金山天文臺(tái)青海觀測(cè)站的大力支持,在此深表謝意.

[1]Sims G,Ashley M C B,Cui X,et al.IAU Symposium,2013,288:38

[2]Mandat D,Pech M,Hrabovsky M,et al.2014,arXiv:1402.4762

[3]Little field C.JAVSO,2010,38:2

[4]彭煥文,辛玉新,和壽圣,等.天文研究與技術(shù),2015,12:89

[5]Jacobson R,Ray S,Attridge G G,et al.Manual of Photography.Great Britain:Taylor&Francis, 2000:317-318

[6]Bayer B E.US Patent No.3971065.Eastman Kodak Company,1976-7-20

[7]Fiacconi D,Tinelli L.OEJV,2009,114:1

[8]尹佳,姚永強(qiáng),王紅帥,等.天文學(xué)報(bào),2012,53:230

[9]Yin J,Yao Y Q,Wang H S,et al.ChA&A,2012,36:457

[10]Hoot J E.SASS,2007,26:67

[11]王麗麗,胡中文,季杭馨.天文學(xué)報(bào),2012,53:441

[12]Wang L L,Hu Z W,Ji H X.ChA&A,2013,37:230

All Sky Cloud Coverage Monitoring for SONG-China Project

TIAN Jian-feng1,2,3DENG Li-cai1,3YAN Zheng-zhou1,2,3WANG Kun1,2,3WU Ying1,3
(1 Key Laboratory of Optical Astronomy,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012)
(2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)
(3 National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012)

In order to monitor the cloud distributions at Qinghai station,a site selected for SONG(Stellar Observations Network Group)-China node,the design of the proto-type of all sky camera(ASC)applied in Xinglong station is adopted.Both hardware and software improvements have been made in order to be more precise and deliver quantitative measurements.The ARM(Advanced Reduced Instruction Set Computer Machine)MCU(Microcontroller Unit)instead of PC is used to control the upgraded version of ASC.A much higher reliability has been realized in the current scheme.Independent of the positions of the Sun and Moon,the weather conditions are constantly changing,therefore it is difficult to get proper exposure parameters using only the temporal information of the major light sources.A realistic exposure parameters for the ASC can actually be de fined using a real-time sky brightness monitor that is also installed at the same site.The night sky brightness value is a very sensitive function of the cloud coverage,and can be accurately measured by the sky quality monitor.We study the correlation between the exposure parameter and night sky brightness value, and give the mathematical relation.The images of the all sky camera are inserted into database directly.All sky quality images are archived in FITS format which can be used for further analysis.

site testing,instrumentation:detectors,techniques:image processing, techniques:miscellaneous

P111;

:A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.03.012

2015-10-21收到原稿,2015-12-03收到修改稿

?國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11473037)資助

?jftian@bao.ac.cn

?licai@bao.ac.cn