采用云量仪提高光电望远镜观测效率的探索∗

樊亮 雷成明

(1中国科学院紫金山天文台 南京 210008) (2中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室 南京 210008) (3中国科学院大学 北京 100049)

采用云量仪提高光电望远镜观测
效率的探索∗

樊亮1,2,3†雷成明1,2‡

(1中国科学院紫金山天文台 南京 210008) (2中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室 南京 210008) (3中国科学院大学 北京 100049)

光电望远镜按编目次序对空间碎片进行跟踪,对于有云层分布的夜空,不能根据云量分布情况实时调整观测次序,造成望远镜资源浪费,影响探测目标数量.云量仪用于实时采集全天空的红外云量图像,测定云量分布与定位的同时,可以对望远镜的观测调度策略进行优化.实验测试表明云量仪优化的观测调度策略有效可行,能够充分利用现有资源,在多云条件下使望远镜实现见缝插针式的工作,显著提高观测设备效率.

天体测量,仪器:云量仪,望远镜,技术:图像处理,方法:观测,数据分析

1 引言

随着可测空间碎片数量的日益增多,大量的目标弧段存在冲突,高效灵活的望远镜观测调度策略显得越发重要.空间碎片的光电跟踪调度策略按照编目次序进行[1],并没有考虑当前目标所在区域是否被云层覆盖,不能根据云量分布情况实时调整观测次序.对于有云层分布的夜空,会导致测量资源浪费,影响探测目标数量.若能测定当前时刻的云量分布,对望远镜的观测调度策略进行优化,将有效提高望远镜的观测效率.

目前,红外云量仪可以实现昼夜连续的实时观测,获取全天空的云量分布及定位,可以应用于望远镜观测指导.本文结合中国科学院空间目标与碎片光电观测网跟踪调度的具体情况,对云量仪用于提高光电望远镜的观测效率进行探索.

2 云对观测的影响以及云量仪应用情况

2.1 云对观测的影响

云是常见的天气现象,云量的变化标志着大气的运动状况,对天文观测有重要影响.地基光电望远镜对空间碎片进行探测和跟踪时,云层会直接遮挡观测目标,或间接影响目标的天文定位.

一台望远镜任意时刻只能对单个目标按编目次序进行观测,当指向被云层遮挡的目标时,造成望远镜的无效摆位,浪费观测其他目标的时间.当观测天区的云量分布较多时,会造成测量资源的严重浪费,显著影响探测目标数量.

2.2 云量仪应用情况

地基全天空云量仪主要有可见光波段测云仪器、双(多)波段测云仪器、红外辐射测云仪器,是一种大视场云层定位的光电测量系统,可实现全天空云的自动化观测[2−4].对于夜空图像,可见光波段相机难以获得高质量图像,很难分辨天空的云层分布.红外辐射测云可以实现夜间观测,通过测量云的红外辐射强度得到云层的厚度[5−6],时间分辨率高,能对云量变化进行实时观测,对天文观测指导具有重要意义.

美国空间测控网的地基光电深空探测系统(GEODSS)[7−8],已经集成了红外云量仪的功能模块,用于获取云量的空间分布与定位,实时指导望远镜观测,实现GEODSS在多云条件下见缝插针式的工作1A GEODSS sou rcebook w ritten by A llen T hom son,version of 2008-10-19..目前,国内的云量仪主要用于野外台站气象资料采集,还未应用于望远镜的观测系统.

3 云量仪图像的采集与处理

3.1 图像采集和预处理

3.1.1 图像采集

位于中国科学院紫金山天文台姚安天文观测站的云量仪,是由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制的非制冷面阵列式红外测云系统,具有可靠性高、环境适应性强和昼夜测量准确的特性.系统采用凸面反射镜及校正镜的大视场光学系统,来自空间8–12µm的红外辐射经双曲面集光反射镜反射后,以较小的视场进入透视成像系统,由CCD在像面上记录红外辐射信息,实现云图的空间成像[9].图1为云量仪系统原理图.

云量仪进行方位等参数的定标后,放置于四周没有建筑物等遮挡的楼顶,进行全天候的图像采集.云量仪输出的原始图像为Bm p格式的8位深度灰度图,设置云图的输出频率为每分钟一张.云量仪的主要数据参数见表1.

图1 云量仪系统原理图.(a)系统框图,(b)光学分系统Fig.1 The system schem atic of cloud im ager.(a)The b lock d iagram of system,and(b)the op tica l subsystem

表1 云量仪的数据参数Tab le 1 T he d ata p aram eters of c lou d im ager

3.1.2 支架去除

在采集的原始云量图像中,测量设备的机械支撑结构留下较大的遮挡,会对云量信息的统计造成不便,需要对其进行预处理去除支架.

支架区域固定,结合云层连续性较强的特征,利用邻近像素点修复图像.通过双线性插值算法计算当前像素的灰度值,从支架区域的两侧向内进行修复[10].实验表明:双线性插值的运算量适中,能较好地保证图像质量,满足实时处理要求.

3.2 云层分类

云层分类的判断标准是依据云层对观测影响程度的大小,将云层分为无云区、云区两种类型,便于对观测进行指导.云量图像是灰度图像,每个像素点P(x,y)的RGB颜色分量相等,我们选取R分量PR,利用固定阈值法对云层进行分类.光电望远镜工作在可见光波段,针对云在可见光波段与红外波段中表现出的细微特性差异[11],可以通过调节阈值来消除.参照云量仪实测标定的云层分类标准,实验中我们选取的阈值T(T∈[0,255])为70,根据阈值T将云图二值化,其中黑色表征为无云,白色表征为云层.数学表达式如下:

原始红外云图和经过支架去除及云层分类处理的二值化图像如图2所示,其中圆圈内部为有效的云图,圆圈的边界即为15°仰角处.

图2 云图.(a)原始红外云图,(b)二值化云图Fig.2 One cloud im age.(a)The origina l in frared cloud im age,and(b)the b inarized cloud im age

3.3 云层定位

经过云层的分类,需要对云层的分布进行定位,确定云层在天空中的具体位置.建立图像中像素点P(x,y)与云层定位信息P0(Az,El)的函数模型,即可根据图像中像素点来获得云层的定位信息[12].在地面仰视云层,其定位信息模型如图3所示.

图3 云层定位模型Fig.3 The determ ination m odel for cloud position

假设云层中的n+1个点T0,T1,···,Ti,···,Tn位于空间中某条直线T0Tn上,在水平面实际投影点为,,···,,···,,在焦平面xoy对应像素点为P0,P1,···,Pi,···, Pn.建立图像中像素点P(x,y)与云层上的点T的仰角El之间的函数关系如下式:

通过实验获得离散点集{(Eli,ri)},拟合函数g∗(r)来逼近g(r),即可求解出El.方位角定义为从正北方向顺时针转向目标位置时所转过的角度.在图3中,x轴正向为正东方向,y轴正向为正北方向,点P(x,y)所对应的方位角Az由下式给出:

3.4 云量计算

3.4.1 全天空云量计算

云量定义为云遮蔽天空视野的成数[13−15].云在天空中的面积越大,对光电望远镜观测的威胁就越大,计算全天空的云量,可以评估云层对观测的威胁程度[16].在云层分类时,已经将灰度的云图转化为黑白二值化图像Ibw,其中白色部分即为不可观测区域,这里不再考虑云层的厚度问题.图像尺寸为m×l,其中m=640 pixel,l=480 pixel,在以中心为原点的笛卡尔坐标系下,有效区域Csky为:

目前地基测云仪器得到的云量f用下式进行计算:

式中,Ncloud表示天空中云点的像素个数,Nclean表示非云点的像素个数.在计算的过程中,忽略了天空的球面特性,将其近似为平面进行处理.

这里引入整夜云量用于描述整夜中云层覆盖的大致情况.结合空间碎片的光电跟踪时长,每隔3 m in采集一张云图进行云量统计,然后取成数的平均值作为整夜云量.

结合实际的观测经验,云层威胁程度可按照表2进行判断.

表2 云层威胁程度Tab le 2 The th reat level of cloud

3.4.2 视场云量计算

为了将云量仪用于望远镜的观测指导,需要结合望远镜的视场进行局部云量统计,判断空间碎片的位置是否适合观测[17].大视场望远镜的视场一般为4°×4°,观测目标一般在视场中心位置附近.为了有效覆盖望远镜视场,并考虑到实际观测中的云层位移,选取以观测目标q0(Az0,El0)为中心、半径R=4°的小圆作为有效区域,云量计算的方法不变.q(Az,El)在小圆区域边界上,根据球面三角形中边的余弦公式,满足如下关系:

4 实时云量检测对提高观测效率的分析

4.1 云量仪优化的观测调度策略

对于光电望远镜的空间碎片跟踪,云量仪用于预先判断目标所在位置处的云量,选择当前时刻最适合观测的目标.若同一时刻存在多个观测目标或与后续时刻的多个目标存在弧段冲突[18−19],则统计所有目标的视场云量,依据云量排序选定优先观测的目标.对于独立无冲突弧段的目标,按编目次序观测即可,云量仪不影响观测结果.通常一个目标弧段要持续几分钟时间的追踪,目标的位置也在不断地变化,在追踪过程中也可能出现云层的遮挡,这时也可以加入云量的实时判断.这里仅考虑目标起始位置处的云量,不涉及追踪过程和目标中间位置的复杂解析,通过简化观测调度模型,在同等条件下对比观测效率的差异.用云量仪优化的观测调度策略,见表3.

表3中,目标1–3为同一时刻存在的3个弧段,目标4为独立无冲突的弧段,目标5–7、8–10中包含冲突.在全弧段跟踪的情况下,按原有的观测调度策略,观测顺序为弧段1–4–5–8.在实际观测中,若该4个目标弧段刚好被云层覆盖,此时观测到的目标数为0.对于云量仪优化的观测调度策略,一种观测顺序为3–4–6–9,除弧段4不能被观测外,其他3个目标弧段都可能被观测到.

4.2 仿真实验

我们在姚安天文观测站采集了数天的云量数据用于实验,使用的空间碎片编目数据库包含23万弧段.通过仿真实验来模拟望远镜在真实环境下的观测调度,分别在不同预报密度和不同云量分布下,对比原始调度策略和云量仪优化调度策略下的观测效率.

以世界时2015年8月13日的夜晚为例,云量为4.1,从编目数据库中按一定规律均匀地选取预报数据,进行不同预报密度下观测效率的对比.结果如表4,参数包括预报密度(Density)、无云情况下的理想观测量(Ideal)、调度策略下的观测量(Original)、云量仪优化调度策略下的观测量(Optim ized)、优化策略提高的观测量(Increase)及优化策略提高的观测率(Rate of increase).其中预报密度指每晚的空间碎片预报弧段数量(arcs per night),观测量指观测到的弧段数量.

表3 云量仪优化的观测调度策略Tab le 3 The op tim ization of observation schedu ling strategy with the c loud im ager

表4 不同预报密度下的观测效率对比Tab le 4 The com parison of observation efficien cy under d ifferen t forecast densities

表4中,随着预报密度的增加,原调度策略的观测量不是严格递增的,这是由于目标的排序具有随机性.而优化策略提高的观测率在不断增加,因为弧段的密度越大,处在云层空隙的可能性越大,优化效果也越明显.当预报密度达到60000弧段/晚时,提高率达到最高的41.63%,之后反而下降,由于优化量已经达到饱和,而原调度策略的观测量仍有增加.

以预报密度60000弧段/晚为参考,挑选10个不同云量分布的夜晚,对两种观测策略的效率进行对比,结果按云量增加进行排序,如表5.云量数据只表示云的多少,而无法表征云在天空中的具体分布,具有一定的随机性.表5中,随着云量的增加,原调度策略的观测量明显下降,优化策略的提高率不断增加.当云量达到7成时达到最大,云量继续增加,提高率反而下降,由于云量过多也会影响优化策略的观测量.

表5 不同云量下的观测效率对比Tab le 5 Ob servation efficien cy com parison with d ifferen t c lou d covers

为了更好地说明云层威胁程度以及云量仪的优化效果,根据表5的实验数据,图4给出了空间碎片的模拟观测统计图.横轴为不同夜晚的整夜云量,纵轴为空间碎片的观测量,其中三角形表示原调度策略下的观测量,星号表示云量仪优化策略下的观测量.

图4 模拟观测统计图Fig.4 T he cartogram of sim u lated observations

图4显示,在原调度策略下,碎片观测量随云量增加(2.8–6.5)是线性下降的,多云时(6.5–8.2)仅维持很低的观测水平.在优化策略下,少云时(2.8–4.4)的碎片观测量能保持稳定;在云量4.4–6.5范围内,观测量会以较小的斜率线性下降;多云(6.5–8.2)条件下的观测量表现了该优化策略最有效果的部分,基本能够达到原调度策略下刚刚有云层威胁(2.8)的水平.

仿真实验表明:云量仪优化的观测调度策略能有效提高望远镜的观测效率.在预报密度达到60000弧段/晚、云量为7成时,可以达到观测效率的最优,最高可以使望远镜的观测效率提高57.50%.仿真实验仅是初步利用云图进行调度策略优化的结果,算法简便可靠且易于应用.

5 结论与展望

本文针对光电望远镜跟踪过程中的云层影响,采用云量仪测定全天空的云层分布及定位,建立云量仪优化的观测调度策略.仿真实验表明:对于云量较多的夜空、预报密度较大的观测,云量仪能指导望远镜避开云层,减少无效摆位,显著提高设备观测效率,实现现有测量资源的高效利用.

下一步工作的重点是在姚安天文观测站实现云量仪和望远镜的协同工作,在望远镜主控软件中嵌入云量仪控制模块,利用实时云图信息对观测调度进行优化.通过实际观测的效率对比,评估云量仪对望远镜观测的指导作用,并考虑后期在其他天文观测站的推广.云量仪可以辅助光电望远镜实现全天自动化工作,在空间搜索、目标追踪等方面都有指导帮助,对未来实现望远镜的智能化观测具有重要意义.

致谢感谢中国科学院长春光学精密机械与物理研究所提供的云量仪报告文档,感谢中国科学院紫金山天文台姚安天文观测站站长助理黄学海提供的云量仪实测数据,感谢张伟研究员和旃进伟老师在空间碎片预报数据方面提供的帮助.

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Exp loration for Im p roving the E fficiency of Photoelectric Telescope with the C loud Im ager

FAN Liang1,2,3LEICheng-m ing1,2

(1 Pu rp le M oun tain Observatory,Chinese Academ y of Scien ces,Nan jing 210008) (2 K ey Labo rato ry fo r Space O bjec t and D ebris O bserva tion,Pu rp le M oun tain O bserva to ry,Chinese Academ y of Scien ces,Nan jing 210008) (3 Un iversity of Chinese A cadem y of Scien ces,Beijing 100049)

The photoelectric telescope tracks space debriswith the catalog.But for the night sky under cloud cover,it can not ad just the observation sequence according to the real-time cloud distribution,which results in a waste of telescope resources,and a decrease in the quantity of detected ob jects.The cloud imager is used for the real-time acquisition of all-sky infrared cloud image,and the observational scheduling strategy of telescope is optim ized by determ ining the clouds’distribution and position.Optim ized scheduling strategy is benefit for the telescope to shoot through the smallest breaks under cloud cover,allow ing the observations to be carried out in theweather conditions previously thought to be too bad.Experimental tests show that the optim ized scheduling strategy is feasible.It can make full use of existing resources,and significantly im prove the efficiency of observation equipment.

astrometry,instrumentation:cloud imager,telescopes,techniques:image processing,methods:observational,data analysis

P111;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.04.007

2015-11-03收到原稿,2015-12-16收到修改稿

∗中国科学院国防科技创新基金(CXJJ-14-S106)资助

†fan liang@pmo.ac.cn

‡cm lei@pm o.ac.cn