中国SONG项目节点全天云量监测方案∗

田健峰 邓李才 闫正洲 王 坤 兀 颖

(1中国科学院光学天文重点实验室北京100012)

(2中国科学院大学北京100049)

(3中国科学院国家天文台北京100012)

中国SONG项目节点全天云量监测方案∗

田健峰1,2,3†邓李才1,3‡闫正洲1,2,3王 坤1,2,3兀 颖1,3

(1中国科学院光学天文重点实验室北京100012)

(2中国科学院大学北京100049)

(3中国科学院国家天文台北京100012)

为实现中国SONG(Stellar Observations Network Group)项目在青海观测站云量信息的无人值守全自动监测,在国家天文台兴隆观测基地提供的全天相机基础上,对其硬件和软件做了相应的升级改造:将原来基于PC机的控制系统改为基于ARM(Advanced Reduced Instruction Set Computer Machine)单片机(MCU)的自动控制系统,提升了系统的可靠性;依据站点配属的夜天光监测仪,计算分析全天相机曝光参数与夜天光的数学关系,完成了曝光参数的自适应设置和图像采集;实现了采集图片的格式转换与数据库自动存储,达到了全天相机的无人值守全自动运行目标.

选址,仪器：探测器,技术:图像处理,技术:其他诸多方面

1 引言

每年可观测夜(包括全晴夜和有薄云的部分晴夜)的数量是以恒星时域科学为主的SONG项目最为关键的台址参数.监视并累积可供定量分析的光学波段全天图像,是SONG实现高占空比(duty cycle)网络数据采集的基本保障.而实时、准确的全天云量分布图像是实现站点设备自动运行的基本条件.为了实现对SONG项目在青海观测站云量信息的自动监测,2013年中国SONG项目组从国家天文台兴隆观测基地引进了全天相机.该全天相机系统由兴隆观测基地工作人员提出创意、设计并实现完成.系统采用成熟商用产品集成并开发专用控制软件,实现了低成本的全天云量监测.在硬件上由佳能EOS 600D单反相机、电源适配器、适马4.5 mm f/2.8镜头、散热保护罩组成;软件由兴隆观测基地自主开发基于Windows平台的控制程序.程序能根据太阳高度、月亮高度及月相计算曝光时间,保证全天相机白天和黑夜都能正常曝光.全天相机与控制计算机之间通过USB数据线通信,所拍摄的图片由程序按日期保存在控制计算机上.

兴隆观测基地全天相机的功能基本能满足中国SONG项目对云量信息监测的需要.在使用过程中发现可以进行适当改进,以更好地满足中国SONG项目云量信息的全自动监测需求:

(1)控制程序运行在Windows下,需要一台专门的控制计算机完成.由于Windows平台可靠性较差、控制计算机与相机间的USB数据线过长,使相机常出现死机的情况;同时控制计算机价格较高,不利于成本控制.

(2)由于每天云量实际是变化的,依据太阳高度、月亮高度及月相计算所得的曝光参数不能自动适应这种变化,使所拍图片出现曝光过度或曝光不足的情况.

(3)图片保存在控制计算机上不便于通过网页访问,保存格式为JPEG也不便于通过天文软件完成数据处理.

经过分析、调研和测试,可以从以下几方面对其进行改进:

(1)平均1周1次的故障率影响了对站点云量的持续监测.这样得到的云量信息不完整,同时增加了基地工作人员的工作量.经多次测试确定:缩短USB数据线的长度,能够显著延长全天相机的连续工作时间.调研发现许多天文台在可靠性要求高的地方,多采用ARM单片机来控制全天相机,如南极冰穹A的全天相机[1]和帕拉茨基大学光学联合实验室开发的全天相机[2].ARM单片机体积小,可与相机同时放在保护罩中,从而缩短了USB数据线的长度.采用ARM单片机控制全天相机,还可摆脱对PC机的依赖,使其成为一个相对独立的模块.

(2)计算所得的曝光参数不能适应云量的变化,导致所拍的图片常出现曝光过度或曝光不足的现象,如图1.这影响了对全天云量的判断.需要采用新的方法来计算曝光参数.环境的亮度信息真实地反映了当时环境的亮暗程度.根据环境亮度确定曝光参数,应与实际情况相符.文献[1]中提到采用夜天光来控制相机曝光,但并未说明如何实现.需要进一步研究夜天光与曝光参数间的关系.

图1 曝光参数与实际情况不符(左:曝光不足;右:曝光过度)Fig.1 The exposure parameter does not match with the actual situation (right:underexposure;left:overexposure)

(3)为了便于通过网页来访问图片,同时方便查找、管理,图片最好保存到数据库中.全天相机所拍图片不但可以用来判断全天云量,还可以用来做天文研究.如Colin Little field利用佳能EOS 20Da发现transit[3].为了方便用天文上常用的软件进行数据处理,图片应采用RAW格式拍摄并能保存成FITS格式文件.

本文主要介绍了对全天相机硬件和软件的改进.第2章介绍了采用ARM单片机控制全天相机,第3章介绍了夜天光与曝光参数的关系,第4章介绍了对所拍图片的处理过程,第5章介绍了软件处理流程,第6章是小结.

2 采用ARM单片机控制全天相机

ARM单片机自身的特点决定了其在相机控制方面有以下优点:相对于PC机有更低的功耗、更低廉的价格;体积小,可与相机同时放在保护罩当中;可定制嵌入式操作系统,只保留所需要的功能,可靠性相对较高;接口丰富,便于以后功能扩展.

在选择ARM单片机时,主要考虑体积和性能两个方面.一方面体积要足够小,以便能放入全天相机保护罩内.另一方面性能要足够高,以便完成相应的图像处理工作.经过调研和实际测试,最终选择了一款以Exynos 4412 4核1.5 GHz处理器为核心、配备1 GB DDR3内存的单片机开发板.单片机开发板的大小为100 mm×60 mm,拥有USB、GPIO(General Purpose Input/Output)、以太网及SD卡等接口.单片机通过USB数据线与相机相连并完成对相机的控制,经过处理后的数据通过网络实时上传到服务器上.单片机上的SD卡可在网络出现故障时,临时存储数据.改造后全天相机的硬件组成如图2所示.单片机及电源是新增加的硬件,原来放在外面的电源适配器也放到了单片机电源旁.这样全天相机的所有部件全都放在保护罩内,缩短了USB数据线的长度.经过近两年的实际测试,改用ARM单片机后,全天相机的故障率降为一年1到2次.ARM单片机的使用,使系统的可靠性得到提高.

图2 全天相机硬件组成Fig.2 The hardware of the all sky camera

3 根据夜天光值确定相机曝光参数

青海观测站已安装Unihedron生产的夜天光监测仪SQM-LE(Sky Quality Meter-LE).SQM-LE具备网络接口,所测数据可通过网络获得,单位为mag/arcsec2.

全天相机的曝光参数主要有曝光时间、光圈大小、感光度这3项,寻找这3项与夜天光的关系就成为能否正确曝光的关键.如云南天文台丽江天文观测站的全天相机,虽然采用天光亮度来控制全天相机曝光,但并没有给出这个关系[4].在实际应用中还是经常出现曝光过度或曝光不足的情况.为了研究这3个参数在摄影中的作用,提出了曝光值(Exposure Value)这个概念.曝光值代表能够给出同样曝光的所有光圈和快门的组合,用以简化在等价拍摄参数之间进行选择的过程,用符号EV来表示.曝光值是一个以2为底的对数刻度系统[5],由下式给出:

其中N是光圈(f值);t是曝光时间(快门),单位为s.不同感光度之间曝光值的关系如下:

其中EV100是感光度为100时的曝光值,EVS是感光度为S时的曝光值.在给定的照明条件和感光度下,光圈(f值)与曝光时间(快门)可由下式给出[5]

其中L是亮度,单位cd/m2;K是反射式测光表校正常数.由(1)式和(3)式可得曝光值与亮度的关系

由SQM-LE用户手册可知,SQM所测夜天光值与亮度的转换关系如下式:

其中µ是夜天光值,单位mag/arcsec2.由(4)–(5)式可得夜天光与曝光值的关系如下:

在计算过程中可取感光度为定值,如100,K值根据实际情况测定.这样夜天光与曝光值之间就是简单的线性关系.根据青海观测站实地测试的结果,K值定为3.4148.在感光度为100时,(6)式简化为

根据(7)式得到曝光值EV后,再根据(1)–(2)式即可确定具体的曝光参数.图3展示了晴天日落时的实测结果.由夜天光计算所得的曝光参数,不但有效避免了图像出现曝光过度或曝光不足的现象,而且实现了所拍图像从白天到黑夜的平滑过渡.图4展示了日出多云及月夜多云时的实测结果.从图中可以看出,由夜天光计算所得的曝光参数能自动适应天空中云量的变化.采用夜天光计算所得的曝光参数有效地提高了曝光质量,避免了图像出现曝光过度或曝光不足的现象.

图3 根据夜天光调整曝光参数(晴天日落时)Fig.3 The exposure parameters adjusted according to the night sky brightness(the sunny sunset)

图4 根据夜天光调整曝光参数(左:日出多云时;右:月夜多云时)Fig.4 The exposure parameters adjusted according to the night sky brightness(left:the cloudy sunrise; right:the cloudy moonlight)

4 图片处理

改进前全天相机采用JPEG格式存储图像.采用JPEG格式的优点是:压缩率高、占用磁盘空间小、适合通过网络传输、所拍图片可不用处理直接用于网页等.如采用SmallNormal JPEG画质所拍的图像只有大约500 K大小,可快速显示于网页上.但用JPEG格式存储全天相机图像也有明显的缺点:首先,JPEG是一种有损压缩格式,压缩过程中会丢掉一些图像细节,造成图像数据的损伤;其次,JPEG格式的文件单通道是8位图像,只有256级灰阶,这不利于后期图像的处理.而采用RAW格式拍摄则没有以上缺点.RAW格式储存了数码相机感光元件中每个感光单元的原始数据,没有经过任何处理.RAW格式文件通常是12或14位图像.佳能600D的RAW格式文件是14位图像,拥有16384级灰阶,这是JPEG格式文件不能相比的.但RAW格式的文件没法直接显示在网页上,需要进行相应的后期处理.

从相机内图像的产生过程也可以看出RAW格式文件与JPEG格式文件的差别.为了获得图像的彩色信息,相机的图像传感器前会加装彩色滤波阵列(Color Filter Array, CFA).但这样每个像素位置上只能获得一种颜色分量,另外两种颜色分量要通过CFA插值由邻近像素计算得出.和大多数相机一样,佳能EOS 600D采用Bayer彩色滤波阵列,该阵列由50%的G、25%的R、25%的B组成[6].RAW格式记录的就是光线通过彩色滤波阵列后,图像传感器所得的直接数据.这些原始数据在经过CFA插值及其他一些处理、压缩后就可生成相应的JPEG文件.

采用RAW格式来存储后,需要把RAW格式文件转换为JPEG格式文件,以便图像能实时显示于网页上.佳能相机以CR2(Canon RAW version 2)的形式来保存RAW文件.由CR2文件的结构可知,其内部嵌入了JPEG格式的预览图1http://lclevy.free.fr/cr2/.RAW文件生成JPEG文件可考虑直接采用内嵌的JPEG格式的预览图.也可以由RAW文件中的数据,通过CFA插值生成相应的JPEG文件.对比这两种方法生成的JPEG文件,可以发现内嵌JPEG文件的质量优于CFA插值生成的JPEG文件.这是因为佳能相机内部采用DIGIC(Digital Imaging Integrated Circuit)来完成图像处理.DIGIC内部采用的许多专利技术保证了图像处理的质量.从RAW文件中直接提取的JPEG文件大约有1.5 M大小,这还是太大,不利于图像快速显示在网页上.于是对提取出的JPEG文件进行了进一步压缩,使其大小在150 K左右.实际测试表明:这个大小可以满足快速浏览全天相机图像的要求.

RAW格式不是天文上通用的格式,需要转换为FITS文件,以方便采用天文上常用的软件完成数据处理.Bayer彩色滤波阵列相当于天文观测过程中使用的滤光片,不同的颜色对应不同的滤光片.在转换为FITS文件时,相同颜色的数据应该放到一块,如图5.转换时G与G′可看成不同的颜色.这是因为:(1)由Bayer彩色滤波阵列的排列方式(图5)可知,G的数量是R或B的两倍.这样做的原因是人眼对绿色更敏感,能分辨出更多的细节.因此RGB 3通道在Bayer彩色滤波阵列中实际上可认为是RGG′B 4通道. (2)由图5可知,G与G′在空间上处于不同的位置,对应CCD上不同的像素点.一般来说G与G′的数据并不相同.为了使RAW文件中的数据与FITS文件中的数据一一对应,G与G′应看成不同的颜色.这样每个通道的分辨率是原始分辨率的25%.(3)参考国外相关研究,如文献[1]和[7],在RAW文件转FITS文件的过程中都将G与G′看成不同的颜色来处理,这保证了RAW文件与FITS文件中数据的一一对应.在后期处理中如有必要,可以方便地将G与G′合并在一起.

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

一些现有软件可完成RAW文件到FITS文件的转换,如Windows下的iris、Maxim DL,Linux下的dcRAW、cr2 fits.除Maxim DL外,以上3种软件在转换过程中都对RAW文件中的数据做了不必要的处理:(1)直接用dcRAW命令转换成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,但单通道分辨率与RAW文件相当,这说明转换过程中进行了CFA插值.(2)采用cr2 fits转换成FITS文件.FITS文件是16位的,按RGB 3通道保存成3个独立文件.由于分辨率与RAW文件相同,转换过程中同样进行了CFA插值.(3)采用iris转换成FITS文件. FITS文件能保持RAW文件本身的14位不变.将RGB 3通道保存到同一个FITS文件中,但单通道分辨率与RAW文件相同,转换过程中还是进行了CFA插值.(4)采用Maxim DL转换成FITS文件.FITS文件保持RAW文件本身的14位不变,3通道数据在FITS文件中的排列方式也与RAW文件中一样.这相当于把RAW文件中的数据原封不动地转化为FITS文件.但因没有把相同通道的数据保存到一块,这给后期数据处理带来了不便.

为了使RAW文件中的数据在不被处理的情况下保存成FITS文件,同时使处理过程在ARM单片机上进行,于是自主开发格式转换程序.新的格式转换程序在不改变RAW文件中数据的前提下把相同颜色的数据放到一块,并保存到FITS文件中.如图6,可在Cube对话框中选择要查看的通道.同时FITS头中也保存了拍摄参数.保存成FITS文件后,可用天文上常用的软件如IRAF等完成数据处理.

图6 全天相机所拍的FITS图Fig.6 The FITS file taken by the all sky camera

5 软件开发

在嵌入式Linux系统中,使用C语言完成了对相机控制及数据处理程序的开发调试.采用C语言作为编程语言,是为了提高程序的执行效率,更有效地使用ARM单片机有限的系统资源.并且数据的采集和处理过程全部在内存中完成,这也加快了程序的执行速度.图7为全天相机软件的流程图.

白天天光背景太亮,超出了SQM-LE的测量范围.白天SQM-LE的读数始终是零,这无法反映天光亮度的变化.根据(7)式所计算的曝光值并不正确.这时全天相机采用固定的曝光参数:曝光时间1/3200 s、光圈f/2.8、感光度100.每次曝光时,程序首先读取夜天光数据.如果夜天光值为零,则采用固定的曝光参数,如果夜天光值不为零,则根据夜天光计算曝光参数.然后程序控制相机完成曝光.曝光完成后,数据被采集到单片机内存中.在单片机的内存中完成RAW文件到FITS文件的转换和从RAW文件中提取JPEG文件的工作.转换完成后FITS文件通过网络传到服务器的指定目标下. JPEG文件则进一步压缩后,被插入数据库.如果遇到网络问题无法上传到服务器,数据会先存储在本地.网络恢复后本地数据会自动上传到服务器上.

图7 全天相机控制软件流程图Fig.7 A fl owchart of the control software system of the all sky camera

6 总结

采用ARM单片机控制全天相机,使平均一周1次的故障率降为平均一年1到2次.不但提高了系统的可靠性,而且提高了系统的集成度.通过理论计算确立了曝光参数与夜天光间的数学关系.实际测试表明这一关系的确立有效提高了相机的曝光质量,解决了所拍图片出现曝光过度或曝光不足的情况.但在白天时天光背景太亮,超出了SQM-LE的测量范围,无法计算出正确的曝光参数.RAW文件到FITS文件的在线转换,方便了后期数据处理.在后期开发中,可完成对全天相机的定标[1]、云量计算[2,8−9],还可以用全天相机所获得的数据进行天文学的相关研究[7,10−12].

致谢感谢国家天文台兴隆观测基地和紫金山天文台青海观测站的大力支持,在此深表谢意.

[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]彭焕文,辛玉新,和寿圣,等.天文研究与技术,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,姚永强,王红帅,等.天文学报,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]王丽丽,胡中文,季杭馨.天文学报,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

∗国家自然科学基金项目(11473037)资助

†jftian@bao.ac.cn

‡licai@bao.ac.cn