丽江天文观测站全天相机介绍*

彭焕文，辛玉新，和寿圣，王传军，伦宝利，范玉峰

( 1. 中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011;2. 中国科学院大学，北京 100049;3. 中国科学院天体结构与演化重点实验室，云南 昆明 650011)

丽江天文观测站全天相机介绍*

彭焕文1,2,3，辛玉新1,3，和寿圣1,3，王传军1,3，伦宝利1,3，范玉峰1,3

( 1. 中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011;2. 中国科学院大学，北京 100049;3. 中国科学院天体结构与演化重点实验室，云南 昆明 650011)

全天相机作为一个对天文观测台站全天云量信息进行监视的工具，对天文观测的正常进行发挥着重要的作用，目前世界上主要天文台均配备有全天相机，为了满足对全天云量信息进行实时监视的需求，丽江天文观测站正式安装架设了一套全天相机系统。从硬件安装架设、软件调试到实际测试等方面，详细介绍了全天相机系统的设计方案以及遇到的问题，讨论了对问题的解决措施，重点介绍了根据天光亮度数值调整相机曝光时间的方法，这也是主要创新与特色之处。

全天相机；云量信息；实时；天光亮度；曝光时间

天文观测站址监测系统是天文台的重要组成部分，主要分为监测和监视两部分，其中监测系统包括大气视宁度监测、温湿度监测、风速风向监测等等；监视系统包括全天云量监视、站址环境监视、圆顶与望远镜监视等等。全天相机(All-Sky Camera)作为实现全天云量监视的一种方式，是站址监测系统重要的组成部分，其获取的全天云图信息全面，初期可以目测全天云图以便了解云量多少、云量分布等信息，后期可以利用目前的数字图像处理软件处理和分析图像，获取有效信息，并结合计算机编程技术，实现云量信息的半自动获取[1]。

丽江天文观测站目前配备了云量传感器，可以向观测人员提供全天云量，但它的缺点是无法提供全天云量的分布信息。为了弥补上述不足，丽江天文观测站决定配置一套全天相机系统，充分利用全天相机的优势与特点，为观测人员实时地传达全天云量、分布等信息。

1 自主设计全天相机的优势

目前世界上主要天文台均配备了全天相机，如位于美国亚利桑那州图森市霍普金斯山顶的弗雷德·劳伦斯·惠普尔天文台(Fred Lawrence Whipple Observatory)，位于基特峰顶的基特峰国家天文台(Kitt Peak National Observatory)，位于智利的拉斯坎帕纳斯天文台(Las Campanas Observatory)，以及欧洲南方天文台(ESO)在世界上的多个观测基地。这些大型天文台配备的全天相机或为商业的或为自主设计的，如基特峰国家天文台自主设计的全天相机，使用了FLI-CCD相机以及尼康8 mm f2.8鱼眼镜头。此外这些天文台的全天相机系统均提供了网络访问接口，并在网页上提供了近几个月的历史云图信息，以及当前全天云量分析与历史走势曲线。

目前已经出现了多款商业化的全天相机，比较著名的有Moonglow Technologies 设计的全天相机、SBIG全天相机(All Sky 340 Cameras)等等。这些商业产品的特点是功能集成比较完善，客户购买后仅需要做少量的工作，比如安装、连接输出设备后，就可以使用相机拍照并查看全天图像，但由于软硬件开发等细节不公开，导致观测站址的技术人员对其日后的问题解决、维护管理等很不方便，于是丽江天文观测站决定自主设计一套全天相机系统。自主设计全天相机系统，不仅能够节省科研资金，更可以充分发挥天文观测台站技术人员的专业优势，获得技术上的锻炼和宝贵的实践经验，此外，技术人员可以自由地选择硬件搭配，发挥创新性，设计和实现具有台站自主特色的全天相机系统。由于是自主设计的软硬件，很清楚整个系统的开发细节，所以非常便于日后的维护管理，也可以方便地和整个站址监测系统集成，后期的开发可以实现云量、分布等信息的自动获取，为台站望远镜的自动运行与观测提供技术支持。

2 硬件选择

丽江天文观测站全天相机系统的硬件配置选择，本着能够完成相关工作，并且价格低廉实惠、工作稳定的原则进行。最基本的硬件配置需要一台相机、一个广角镜头、一台控制计算机，另外还需要交流适配器、遮雨罩、网络接入设备等。经过对多个可选配置方案的全方面综合比较，最终的基本硬件配置如下：相机采用佳能EOS 600D，广角镜头采用适马4.5 mm f2.8鱼眼镜头，控制计算机只需要基本的配置，并安装windows7系统，相机交流适配器采用ACK-E8交流适配器，遮雨罩自主制作，其中全天相机及鱼眼镜头的选择主要参考了国家天文台兴隆观测站的成功案例。

3 安装架设

3.1 选择安装地点

要实现完整的全天相机系统，第1步就是选取安装地点。全天相机安装地点的选择需要满足一定的地面高度，这样不仅能够拍到全天图像，还能在相机视场边缘处拍摄地面特征建筑物，比如2.4 m望远镜圆顶。为了便于全天相机功能的调试与后期维护，需要把安装地点设在具有较近的电力、网络接口的地方，经过全方面综合多个因素的权衡，最终选择安装在台湾自动望远镜(TAT)控制室外西侧屋顶，一方面能够方便给全天相机供电、接入网络，另一方面又能够方便日后的维护管理。

3.2 自制改装遮雨罩，安装相机

第2步需要把作为全天相机系统主体的相机和镜头安装到带有底座的遮雨罩内，并固定到墙面上。为了节约资金，决定自制一个遮雨罩，一方面可以增强动手能力，另一方面也可以把旧物重复利用，即经济又节约。用来制作改装遮雨罩的物品是一个通用的监视摄像头遮罩，在遮雨罩里面安装了一个相机底座，并用螺钉把相机固定在相机底座上，遮雨罩的底座可以固定在墙面上，调整好位置使得遮雨罩顶部和相机镜头正对着天顶。遮雨罩底座是中空的，相机电源线和数据线可以通过这个中空的孔穿过墙面到达控制室内，并与控制计算机相连。在半球形透明遮雨罩与底座接缝处用密封胶进行密封，防止雨水进入遮雨罩内部，影响相机正常工作。图1为自制改装遮雨罩展示，左图中相机安装在内部的底座上，右图中安装了透明遮雨罩以及把遮雨罩底座固定在墙面上。

图1 改装遮雨罩
Fig.1 A picture showing our refit rain shield

3.3 控制计算机与网络接入

第3步需要在控制室内放置一台控制计算机并接入网络。由于对全天相机控制和数据传输存储的要求不高，放置一台普通的具有基本配置的控制计算机即可，考虑到长时间工作的稳定性，采用台式机，并安装windows7系统，控制计算机通过USB数据线与相机相连进行控制和数据传输。为了能通过网页访问全天图像，需要将控制计算机接入网络，在控制室内放置一部光纤转换器，一端通过网线与控制计算机相连，另一端通过光纤接入本地局域网，并给控制计算机配置映射端口作为网络访问的地址。3.4 加热器和温控器

基本的硬件安装完毕后，经过几天的测试观察，发现透明遮雨罩内壁结露严重，非常影响拍摄的全天图像质量，为了解决这个问题，在遮雨罩内部放入了适量的干燥剂，但后来发现水汽结露的改善效果并不明显，于是加装了一个控温加热装置。这个装置由一个加热器和一个温控器组成，两个器件都由上海斯普威尔电器有限公司生产，加热器功率为10 W，温控器可在0～60 ℃范围内调节。通过对温控器设置监测临界温度，当遮雨罩内部温度低于该临界温度时，启动加热器进行加热，以此防止遮雨罩内壁结露。实验表明，保持遮雨罩内部温度始终高于外界温度，能有效防止遮雨罩内壁结露。图2左图为透明遮雨罩内壁的结露情况，右图为制作的控温加热装置。

图2 左：遮雨罩内壁结露；右：加热器和温控器

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

遮雨罩底座内壁和干燥剂包装都为白色，当在晴朗的白天用全天相机试拍一组照片时，发现太阳光照射到白色干燥剂包装上会反射至透明遮雨罩，最终成像在全天图像里，导致图像不清楚。为了解决这个问题，在遮雨罩内底部的干燥剂上盖上一块黑色消光布，防止太阳光的反射，从而有效地消除了反射导致图像不清楚的问题。图3左图为加消光布前的图像，右图为加消光布后的图像。

图3 消光前(左)后(右)的对比图

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 软件调试

在Windows7系统中VC环境下对相机控制软件进行开发调试[2]，以满足设置相机参数、控制相机曝光、图像采集与存储等功能，开发了一个基于MFC的用户界面[3]，交互式地对各功能进行控制，实现了定时拍摄。为了实现通过网页访问全天图像的功能，给控制计算机连接网络，并配置好网络映射端口后，在基于超文本预处理器语言(PHP)的环境下开发了一个主页，实现对全天图像的访问。图4为全天相机软件流程图，图5为软件界面。

图4 全天相机控制软件流程图
Fig.4 A flowchart of the control software system of the all-sky camera

图5 全天相机控制软件
Fig.5 A display of the interface of the control software system of the all-sky camera

最初的开发结果为对原始图片进行访问，但经过测试后发现，原始图片过大，每幅5兆字节左右，通过网络访问时不仅下载图片很费时，而且占用网络带宽，并且在计算机显示器分辨率的限制下，原始图片中的大部分高分辨率细节不能显示。经过修正后的方案为对每幅原始图片，在存储到硬盘后自动生成一幅缩略图，缩略图字节数较原始图大大减小，这样通过网络访问缩略图不仅下载快速，而且显示的细节与访问原始图片时相差不大，很好地满足了高效顺畅地浏览与查看全天图像的功能。为了使通过网页访问全天图像缩略图的功能更加人性化，又在缩略图中添加了文字水印和司南图片水印，达到了解图片信息和南北方位的目的，此外在网页中自动定时刷新最近拍摄的图像缩略图，并支持查看3天内的历史图像。图6展示了白天和黑夜的完整全天图像。

图6 完整的全天图像
Fig.6 Two result images taken by the all-sky camera

5 根据天光亮度数值调整相机曝光时间

全天相机拍摄参数的设置非常重要，比如曝光时间、快门大小、感光度等，如果设置不合适，就无法获得高清晰质量的全天图像。最初的方案是通过一系列实际测试将参数设置为指定的数值，不管白天还是晚上，任何时刻都采用这一组同样的参数对全天进行拍摄。但如此一来会导致白天所得的全天图像合适时，晚上的图像过暗；晚上所得的全天图像合适时，白天的图像过亮。

为了解决这个问题，在控制软件中加入计算太阳高度、月亮高度及月相的部分，通过对当前时刻太阳和月亮的信息进行计算，判断并设定拍摄参数，实验表明，在天气晴朗时，用此方法得到的全天图像，白天和晚上的都较为合适。但当天气不晴朗时，天空中的云量变化会导致天光亮度变化，而通过单纯计算太阳、月亮的高度及月相无法获得云量变化情况下的天光亮度信息，使得云量偏多时拍摄所得全天图像偏暗。于是，决定通过计算天光亮度数值调整设置全天相机拍摄参数，这种方案比通过计算太阳、月亮高度及月相来设定拍摄参数更加科学准确。例如，有云的情况下，天光亮度数值会实时变化，拍摄参数也跟着变化，而通过单纯计算太阳、月亮的高度和月相无法排除云的干扰造成的天光亮度数值的变化。考虑到台湾自动望远镜配备有一个天光亮度(LIGHT)传感器，并且在其网络主页上实时显示此数值，所以在控制软件中加入抓取PHP网页内容的部分，通过此技术实时抓取台湾自动望远镜主页上的天光亮度数值，并以此为依据实时设置全天相机的拍摄参数。

表1列出了各个天光亮度数值对应的曝光时间及拍摄参数，从中可看到，天光亮度传感器测得的天光亮度数值分布范围从0至几十，初始方案中将拍摄参数设置为定值很明显地使不同时段的全天图像明暗相差很大；而在采用计算太阳、月亮的高度和月相的方案后，也因为云存在的不确定性导致白天或者晚上天光亮度分布范围较广。从图7可以看到，根据天光亮度数值调整拍摄参数非常有效地解决了这些问题，获得了亮度非常合适的全天图像。

表1 天光亮度数值与曝光时间Table 1 LIGHT-value ranges and corresponding exposure times

图7 左：有云时曝光时间太短；右：有云时根据天光亮度调整曝光时间

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 结 语

全天相机作为天文观测站址监测系统的组成部分，在全天实时云量信息的监视上发挥着重要的作用，近年来世界主要天文观测台站中各式各样具有自主设计特点的全天相机相继运行，技术上的相互补足，使得该项技术稳步向前发展。

丽江天文观测站的全天相机自上线后工作稳定，采用实时天光亮度设置拍摄参数的方法具有更好的科学性，拍摄的全天图像清晰度好、质量高。在后期的开发中，可根据全天图像分析天空中云层的覆盖比例和分布情况，计算云的运动速度，进而可对天气状况做出快速准确的判断与预测[4]，也可对云点识别、云量计算、云高计算和云状识别等问题进行研究与实现[5]，还可对全天图像进行更加深入的研究，比如几何、光学等的定标研究，光学深度的研究等[6-7]。

致谢：感谢国家天文台兴隆观测站的姜晓军研究员和邱鹏的大力支持，在此深表谢意。

[1] 霍娟, 吕达仁. 全天空数字相机观测云量的初步研究 [J]. 南京气象学院学报, 2002, 25(2): 242-246. Huo Juan, Lv Daren. Preliminary study on cloud-cover using an all-sky digital camera[J]. Journal of Nanjing Institute of Meteorology, 2002, 25(2): 242-246.

[2] Prata S. C++ Primer Plus中文版[M]. 5thed. 孙建春, 韦强, 译. 北京: 人民邮电出版社, 2005.

[3] 姚领田. 精通MFC程序设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2006.

[4] 王健, 荆雷, 郭帮辉. 折反式红外全景天空相机光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(3): 648-652. Wang Jian, Jing Lei, Guo Banghui. Optical design of catadioptric infrared panoramic sky camera[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(3): 648-652.

[5] 高太长, 刘磊, 赵世军, 等. 全天空测云技术现状及进展[J]. 应用气象学报, 2010, 21(1): 101-109. Gao Taichang, Liu Lei, Zhao Shijun, et al. The actuality and progress of whole sky cloud sounding techniques[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2010, 21(1): 101-109.

[6] Huo Juan, Lv Daren. Calibration and validation of an all-sky imager[J]. Atmospheric and Oceanic Science Letters, 2009, 2(4): 220-223.

[7] Huo Juan, Lv Daren. Preliminary retrieval of aerosol optical depth from all-sky images[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2010, 27(2): 421-426.

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

国家自然科学基金 (11133006) 资助.

2014-03-05；修定日期：2014-03-20

彭焕文，男，硕士. 研究方向：天文仪器与方法. Email: hwpeng@ynao.ac.cn

P412.15

A

1672-7673(2015)01-0089-07