南极中山站全天信息采集系统*

王 宇，辛玉新，姜 鹏，杨 勇，伦宝利，王传军，余晓光，常 亮，范玉峰

(1. 中国科学院云南天文台，云南 昆明 650216；2. 中国极地研究中心，上海 200136；3. 安徽省黄山市休宁县气象局，安徽 黄山 245400；4. 中国科学院大学，北京 100049；5. 中国科学院天体结构与演化重点实验室，云南 昆明 650216)

理论和观测研究表明，南极大陆可能存在地球上最好的天文台址资源[1]，主要体现在：(1)南极大气稀薄，空气干燥，气温极低，适合进行红外和太赫兹波段的观测；(2)极夜期间可以开展不间断的时序观测，对时域天文学有重要意义；(3)大气边界层低，具备极好的视宁度条件[2]。中国先后在南极建立了长城站、中山站、昆仑站和泰山站，昆仑站位于地球上最好的观测点之一的冰穹A(Dome A)地区[3]，天文学家先后在昆仑站安装了高原天文台(Plateau Observatory, PLATO)、中国之星小望远镜阵列(Chinese Small Telescope Array, CSTAR)、非多普勒声雷达(Surface layer NOn-Doppler Acoustic Radar, SNODAR)和南极巡天望远镜(Antarctic Survey Telescope, AST3)等多台设备[4]。昆仑站位于南极大陆最高点，海拔4 087 m，气候条件极其恶劣，仅可供科考队员度夏。中山站位于南极大陆边缘,平均海拔11 m，距离昆仑站1 250 km，站上生活设施齐备，可供考察人员度夏及越冬，常年气温低、温差大、湿度小、风力强，具有明显的大陆性特征[5]，2015年最低气温-40 ℃，年平均相对湿度59.8%[6]。中山站有极昼和极夜现象，极昼和极夜持续约55天和58天[7]。中山站主要开展极区高空大气物理、冰雪和大气、海洋、地质、地球化学(陨石)、地理、环境监测等科学观测和研究。为适应未来南极天文发展的需求以及内陆科考的发展趋势，有必要在中山站筹划建设南极天文运行保障和测试基地。全天信息采集系统作为首批运行在中山站的夜天文观测设备之一，将为南极中山站的规划设计提供重要的实测依据。

全天信息采集系统集成了天文观测的全天信息，如全天云量、天光背景、全天图像等，对开展天文观测和台址信息监测有重要作用，同时系统拍摄的全天图像也可以提供如云量、极光形态特征等信息。

1 中山站全天信息采集系统简介

南极中山站全天信息采集系统于2015年7月开始研制，8月底组装完成，随后经过多次耐低温实验及整体测试，10月10日成功交付中国极地研究中心天文研究室，并随第32次南极科学考察运至南极，最终于2016年3月20日在中山站红色房顶安装完毕(图1)，正式开始采集数据。

图1 设备安装在中山站红色房顶Fig.1 Equipment installed on the red roof of Zhongshan Station

全天信息采集系统可以对中山站全天云量和天光背景进行实时监控，并拍摄实时全天图像，实现全天信息监视功能，采集的数据保存到本地硬盘，同时推送到网页显示。该系统实现了完全无人值守，具有自动除雪、除霜等功能，可以很好地适应南极气候条件。设备安装在中山站后，运行状况良好，运行期间未出现严重故障。

1.1 系统设计

全天信息采集系统由工控机集中控制、数据采集、存储和发布，外部通过两根电缆供电和供网。系统内部硬件有电源、云量计、全天相机、天光计和双温度采集模块，系统框图[8]如图2。

图2 全天信息采集系统框图[8]Fig.2 Architecture of all-sky information system[8]

全天云量采集使用云南天文台自主研制的云量计[9]，设计原理是云在红外波段的辐射特性相同，而大气的增温主要依靠吸收地面的长波辐射，天空中的云量越多，吸收的长波辐射越多，温度越高，和地面温度的差值就越小。利用MLX90614(±0.5 ℃，-70 ℃～+380 ℃)红外温度计得到天空温度Ts，地表环境温度Ta，两者之差Td=Ta-Ts，根据云晴公式C=b-kTd计算云量成数，其中，Td为晴朗度；C为云量成数，将云量计探测到的天空面积计为10，若10%的面积有云，则C=1，若30%面积有云，则C=3；b和k为常数，与安装地点的地理环境和地形地貌有关，确定方法是根据已采集的全天图像，人为确定与云量计相同探测范围的云量成数，统计相同时刻的晴朗度，得到云量和晴朗度的对应关系(见表1)，然后通过最小二乘法进行拟合，得出b和k的值。图3为云晴公式拟合图，在拟合过程中发现白天和晚上适用的云晴公式有明显差别，因此对白天和夜晚分别拟合。

图3 云晴公式拟合图Fig.3 The fitting diagram of cloudy formula

表1 云量和晴朗度对应表Table 1 Cloud cover and clearness correspondence table

全天相机[10]由佳能700D单反相机和适马4.5 mm F2.8鱼眼镜头组成，通过MiniUSB线将相机与工控机相连，实现控制与数据传输，并配备7.4 V的相机电源。全天相机对天顶距90°范围进行监控，每5 min拍摄一幅全天空图像(360°×180°全天空视场)，原图存储在控制计算机中，并生成一张缩略图，添加文字水印和时间后发送到网页显示。全天相机可以根据天光亮度调整曝光参数，使得拍摄图像更清晰。佳能700D快门次数在10万次左右，附有单反相机备件可供更换。

天光背景计采用加拿大Unihedron公司生产的SQM-LE夜天光检测仪器作为采集设备，可以不断探测天顶附近可见光波段的天光背景，该仪器已经被国际暗夜协会定为天文夜天光背景的标准仪器之一，测量数据可以同世界上绝大多数天文台站的数据进行比较。

全天信息采集系统参数如表2，该系统使用DS18B20(±0.5 ℃，-10～+85 ℃)数字温度传感器作为双温度采集模块，可对设备内部和外部温度实时监控，内部温度计嵌入箱体，探测外部温度的探头完全裸露在箱体外侧。系统全部硬件固定在PELI-1500防水箱内部(防水箱外部尺寸47 cm×35.7 cm×17.6 cm，内部尺寸42.5 cm×28.4 cm×15.5 cm)，如图4。设备内部还安装了两个加热器、一个散热风扇，其中100 W的加热器后端带有风扇，放在工控机上，对着相机镜头吹风，风扇一直运转，加热器由加热控制器控制；另一个150 W的加热器固定在箱体上盖天光计旁，加热器型号为HV031，该加热器使用热敏电阻(Positive Temperature Coefficient, PTC)加热片，具有热阻小、换热效率高的优点，寿命可达10年以上。

表2 系统参数Table 2 All-sky information system parameters

图4 设备内部示意图Fig.4 Schematic diagram inner device

箱体顶部开一个圆孔和矩形孔，圆孔处固定具备防水、防结露、防结霜功能的半球形亚克力透明罩，相机可通过透明罩拍摄全天图像，矩形孔固定透明玻璃罩，天光计可以透过玻璃罩采集天光背景数据。底部开有小孔安装12 V散热风扇，由风扇控制器进行控制。侧面4个孔固定传感器和连接线缆，如图5，侧面从左到右依次是温度传感器、云量传感器、220 V供电电缆和RJ45网线。防水箱本身具有良好的密封性能，表面不易结露、结霜，所有硬件通过螺丝固定在防水箱内部，易于维护、拆卸和更换，并对防水箱所有开孔位置使用耐低温胶固定。设备在交付时附有维护说明以及部分故障解决办法，并提供了云量计、温度计、单反相机、单反相机电源模块、开关电源模块、220 V和12 V风扇、固定螺丝等的备用件以供更换。

图5 全天信息采集设备Fig.5 All-sky information acquisition equipment

1.2 耐低温实验

为适应南极气候，全天信息采集系统各元件选用耐低温硬件，并经过耐低温检测。低温检测选用上海品顿公司的GDW-165高低温试验箱(图6(a)) ，在丽江天文观测站精密仪器实验室进行，检测结果表明，系统所有原件和电缆可以在-45 ℃时正常工作。在系统封装完成后，同样对设备整体进行耐低温实验，实验过程中将设备放入高低温试验箱(图6(b)) ，通过远程桌面与设备内部工控机连接，运行采集程序，实时观察双温度采集模块采集的设备内外温度，通过全天相机拍摄的图像判定亚克力透明罩是否有结露、结霜现象。实验过程中，不断对设备进行调整，在设备内部放置干燥剂，调节加热器和散热扇的启动温度来控制设备内部温度，避免结露、结霜。最后确定将设备内加热器控制器温度设为15 ℃，设备内部温度低于15 ℃时控制加热器对设备内部加热，风扇控制器控制温度设定在20 ℃，设备内部温度高于20 ℃时散热扇工作。

图6(a)GDW-165高低温试验箱；(b)设备放置在实验箱中Fig.6(a) GDW-165 high and low temperature test chamber; (b) The device is placed in the test chamber

1.3 数据存储与发布

全天信息采集系统按照软件设定的参数自动采集全天云量、天光背景、双温度数据，保存到TXT文档，每天分别生成一个文档存储在工控机硬盘中，每5 min拍摄一幅全天图像，每幅图像1.2 M左右，以拍摄时间为文件名进行存储，一天数据量在346 M左右，并通过网络服务器将站址信息和全天图像推送到网页实时显示，如图7，图片左栏是中山站当前全天信息，右侧是全天相机采集的实时全天图像，实现了本地和局域网访问、查看以及对全天信息的实时监控。

图7 中山站全天信息采集系统网页Fig.7 Zhongshan Station all-sky information acquisition system webpage

2 中山站全天信息分析

全天信息采集系统于2016年3月20日在中山站安装后持续采集数据，积累了大量的全天信息数据，本文利用2016～2017年的全天云量、天光背景、极光和温度数据，结合休宁县气象局提供的2016年中山站相对湿度资料进行了统计分析，初步得到中山站的可观测时间、可观测夜数以及天光背景、全年极光情况和温湿度数据。中山站位于南极圈内，存在极昼极夜现象，2016～2017年极夜期为5月27日至7月15日，极昼期为11月21日至次年1月21日。

2.1 可观测时间和可观测夜

可观测时间和可观测夜是衡量光学天文台址的重要指标，全天云量覆盖可以很好地反映台址的可观测时间，全天信息采集系统可以对中山站云量进行实时监测。可观测时间和可观测夜的定义不完全相同，本文按照云量 ≤3的标准统计可观测时间，每晚的可观测时间如果是连续且超过3 h，记为一个可观测夜，并且还必须满足风速 ≤15 m/s，相对湿度 <90%[11]，本文仅考虑云量和湿度因素。图8和图9为中山站2016～2017年可观测时间和可观测夜数，2016年可观测时间为772.2 h，可观测夜数为93；2017年可观测时间为437.38 h，可观测夜数为51。本文统计的是天文昏影终至天文晨光始时间段的可观测时间，即太阳地平高度 ≤-18°，中山站每年10月至次年2月太阳地平高度均大于等于-18°，所以图中10月至2月的可观测时间为0。从图8和图9可以看出，中山站2016年和2017年4、5、8月的可观测时间和可观测夜数有明显差异，通过对比两个年度相应月份的云量及全天图像发现设备并无故障，属客观情况，图10给出了中山站2016～2017年月均云量的统计情况。

图8 中山站2016～2017年可观测时间Fig.8 Observable hours of Zhongshan Station in 2016～2017

图9 中山站2016～2017年可观测夜数Fig.9 Observable days of Zhongshan Station in 2016～2017

图10 中山站2016～2017年月均云量Fig.10 Monthly average cloud cover of Zhongshan Station in 2016～2017

2.2 天光背景

天光背景也称为夜天光亮度，是衡量光学天文台址好坏的重要指标，主要影响天文观测的极限星等和信噪比。天光背景通常用每平方角秒的星等(Mag/arcsec2)表示，背景越暗值越大，优秀的天文台址V波段的天光背景亮度应达到21.5～22.0 Mag/arcsec2[12]。全天信息采集系统使用的天光背景计SQM-LE的中心波长为550 nm，即V波段，在南极中山站测量的天光背景最大值(无月、晴朗夜晚)为22.13 Mag/arcsec2，采集日期为2017年7月3日，如图11，其中16:10～08:00天光背景有抖动，对照全天图像发现是由于极光引起的。天光计安装于全天信息采集系统内部，传感器对准天顶，透过亚克力透明罩测量天顶附近的天光背景数值。由于透明罩有一定的挡光效应，导致天光背景计的测量结果偏暗，因此安装之初在不同暗度条件下测量了亚克力遮罩的偏差为-0.08，所以中山站天光背景最大真实值为22.05 Mag/arcsec2，并且两个年度的夜晚天光背景的均值和中值分别为17.02 Mag/arcsec2和18.6 Mag/arcsec2，均为改正偏差后的真实值。

图11 中山站2017年7月3日天光背景Fig.11 Sky darkness of Zhongshan Station on 2017-07-03

2.3 温度与相对湿度

全天信息采集系统配有双温度采集模块，可以实时采集设备内外的温度，其中，采集外部温度的探头在设备外部，其数值可以一定程度上反应中山站当前温度，本文根据设备外部温度数据简单分析中山站气温变化情况，同时中山站也设有符合中国气象局地面观测规范的气象站进行气象观测工作。图12是中山站2016年3月～2017年12月气温逐月变化情况，图13是中山站气温日变化情况，其中2016～2017年平均气温为-10.6 ℃，最高气温19.1 ℃，出现在2016年12月，极端最低气温-44 ℃，出现在2016年9月，月平均最低气温出现在2016年6月，为-19.99 ℃。

图12 2016～2017年中山站月气温变化Fig.12 Monthly temperature distribution at Zhongshan Station in 2016～2017

图13 2016～2017年中山站日气温变化Fig.13 Daily temperature distribution at Zhongshan Station in 2016～2017

图14是中山站2016年相对湿度月变化情况，可以看出中山站相对湿度较小，2016年平均相对湿度为55.2%，月最低平均相对湿度为46.6%，月平均相对湿度为46%～65%。

图14 2016～2017年中山站相对湿度Fig.14 Monthly relative humidity at Zhongshan Station in 2016～2017

3 总结与展望

南极中山站全天信息采集系统集成了全天图像、云量、天光背景、设备内外温度采集功能，易于安装和携带，并具有自动运行、除雪除霜等功能，对光学天文台址全天信息的实时监测有重要意义。设备安装在中山站，传回的数据显示，设备可以适应南极极端的气候条件，并为中山站积累了大量实测数据，上述仅分析了2016～2017年的数据，初步得出中山站的可观测时间、可观测夜数、天光背景和气温情况，为后续在中山站开展天文观测提供了实测依据，同时系统拍摄了大量的全天图像，后续可以通过图像处理得到更多信息。