樊亮 雷成明

(1中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái) 南京 210008) (2中國科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210008) (3中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

采用云量儀提高光電望遠(yuǎn)鏡觀測
效率的探索?

樊亮1,2,3?雷成明1,2?

(1中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái) 南京 210008) (2中國科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210008) (3中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

光電望遠(yuǎn)鏡按編目次序?qū)臻g碎片進(jìn)行跟蹤,對于有云層分布的夜空,不能根據(jù)云量分布情況實(shí)時(shí)調(diào)整觀測次序,造成望遠(yuǎn)鏡資源浪費(fèi),影響探測目標(biāo)數(shù)量.云量儀用于實(shí)時(shí)采集全天空的紅外云量圖像,測定云量分布與定位的同時(shí),可以對望遠(yuǎn)鏡的觀測調(diào)度策略進(jìn)行優(yōu)化.實(shí)驗(yàn)測試表明云量儀優(yōu)化的觀測調(diào)度策略有效可行,能夠充分利用現(xiàn)有資源,在多云條件下使望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)見縫插針式的工作,顯著提高觀測設(shè)備效率.

天體測量,儀器:云量儀,望遠(yuǎn)鏡,技術(shù):圖像處理,方法:觀測,數(shù)據(jù)分析

1 引言

隨著可測空間碎片數(shù)量的日益增多,大量的目標(biāo)弧段存在沖突,高效靈活的望遠(yuǎn)鏡觀測調(diào)度策略顯得越發(fā)重要.空間碎片的光電跟蹤調(diào)度策略按照編目次序進(jìn)行[1],并沒有考慮當(dāng)前目標(biāo)所在區(qū)域是否被云層覆蓋,不能根據(jù)云量分布情況實(shí)時(shí)調(diào)整觀測次序.對于有云層分布的夜空,會(huì)導(dǎo)致測量資源浪費(fèi),影響探測目標(biāo)數(shù)量.若能測定當(dāng)前時(shí)刻的云量分布,對望遠(yuǎn)鏡的觀測調(diào)度策略進(jìn)行優(yōu)化,將有效提高望遠(yuǎn)鏡的觀測效率.

目前,紅外云量儀可以實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)的實(shí)時(shí)觀測,獲取全天空的云量分布及定位,可以應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡觀測指導(dǎo).本文結(jié)合中國科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片光電觀測網(wǎng)跟蹤調(diào)度的具體情況,對云量儀用于提高光電望遠(yuǎn)鏡的觀測效率進(jìn)行探索.

2 云對觀測的影響以及云量儀應(yīng)用情況

2.1 云對觀測的影響

云是常見的天氣現(xiàn)象,云量的變化標(biāo)志著大氣的運(yùn)動(dòng)狀況,對天文觀測有重要影響.地基光電望遠(yuǎn)鏡對空間碎片進(jìn)行探測和跟蹤時(shí),云層會(huì)直接遮擋觀測目標(biāo),或間接影響目標(biāo)的天文定位.

一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡任意時(shí)刻只能對單個(gè)目標(biāo)按編目次序進(jìn)行觀測,當(dāng)指向被云層遮擋的目標(biāo)時(shí),造成望遠(yuǎn)鏡的無效擺位,浪費(fèi)觀測其他目標(biāo)的時(shí)間.當(dāng)觀測天區(qū)的云量分布較多時(shí),會(huì)造成測量資源的嚴(yán)重浪費(fèi),顯著影響探測目標(biāo)數(shù)量.

2.2 云量儀應(yīng)用情況

地基全天空云量儀主要有可見光波段測云儀器、雙(多)波段測云儀器、紅外輻射測云儀器,是一種大視場云層定位的光電測量系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)全天空云的自動(dòng)化觀測[2?4].對于夜空圖像,可見光波段相機(jī)難以獲得高質(zhì)量圖像,很難分辨天空的云層分布.紅外輻射測云可以實(shí)現(xiàn)夜間觀測,通過測量云的紅外輻射強(qiáng)度得到云層的厚度[5?6],時(shí)間分辨率高,能對云量變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測,對天文觀測指導(dǎo)具有重要意義.

美國空間測控網(wǎng)的地基光電深空探測系統(tǒng)(GEODSS)[7?8],已經(jīng)集成了紅外云量儀的功能模塊,用于獲取云量的空間分布與定位,實(shí)時(shí)指導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡觀測,實(shí)現(xiàn)GEODSS在多云條件下見縫插針式的工作1A GEODSS sou rcebook w ritten by A llen T hom son,version of 2008-10-19..目前,國內(nèi)的云量儀主要用于野外臺(tái)站氣象資料采集,還未應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡的觀測系統(tǒng).

3 云量儀圖像的采集與處理

3.1 圖像采集和預(yù)處理

3.1.1 圖像采集

位于中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)姚安天文觀測站的云量儀,是由中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研制的非制冷面陣列式紅外測云系統(tǒng),具有可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和晝夜測量準(zhǔn)確的特性.系統(tǒng)采用凸面反射鏡及校正鏡的大視場光學(xué)系統(tǒng),來自空間8–12μm的紅外輻射經(jīng)雙曲面集光反射鏡反射后,以較小的視場進(jìn)入透視成像系統(tǒng),由CCD在像面上記錄紅外輻射信息,實(shí)現(xiàn)云圖的空間成像[9].圖1為云量儀系統(tǒng)原理圖.

云量儀進(jìn)行方位等參數(shù)的定標(biāo)后,放置于四周沒有建筑物等遮擋的樓頂,進(jìn)行全天候的圖像采集.云量儀輸出的原始圖像為Bm p格式的8位深度灰度圖,設(shè)置云圖的輸出頻率為每分鐘一張.云量儀的主要數(shù)據(jù)參數(shù)見表1.

圖1 云量儀系統(tǒng)原理圖.(a)系統(tǒng)框圖,(b)光學(xué)分系統(tǒng)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 云量儀的數(shù)據(jù)參數(shù)Tab le 1 T he d ata p aram eters of c lou d im ager

3.1.2 支架去除

在采集的原始云量圖像中,測量設(shè)備的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)留下較大的遮擋,會(huì)對云量信息的統(tǒng)計(jì)造成不便,需要對其進(jìn)行預(yù)處理去除支架.

支架區(qū)域固定,結(jié)合云層連續(xù)性較強(qiáng)的特征,利用鄰近像素點(diǎn)修復(fù)圖像.通過雙線性插值算法計(jì)算當(dāng)前像素的灰度值,從支架區(qū)域的兩側(cè)向內(nèi)進(jìn)行修復(fù)[10].實(shí)驗(yàn)表明:雙線性插值的運(yùn)算量適中,能較好地保證圖像質(zhì)量,滿足實(shí)時(shí)處理要求.

3.2 云層分類

云層分類的判斷標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)云層對觀測影響程度的大小,將云層分為無云區(qū)、云區(qū)兩種類型,便于對觀測進(jìn)行指導(dǎo).云量圖像是灰度圖像,每個(gè)像素點(diǎn)P(x,y)的RGB顏色分量相等,我們選取R分量PR,利用固定閾值法對云層進(jìn)行分類.光電望遠(yuǎn)鏡工作在可見光波段,針對云在可見光波段與紅外波段中表現(xiàn)出的細(xì)微特性差異[11],可以通過調(diào)節(jié)閾值來消除.參照云量儀實(shí)測標(biāo)定的云層分類標(biāo)準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)中我們選取的閾值T(T∈[0,255])為70,根據(jù)閾值T將云圖二值化,其中黑色表征為無云,白色表征為云層.數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

原始紅外云圖和經(jīng)過支架去除及云層分類處理的二值化圖像如圖2所示,其中圓圈內(nèi)部為有效的云圖,圓圈的邊界即為15°仰角處.

圖2 云圖.(a)原始紅外云圖,(b)二值化云圖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 云層定位

經(jīng)過云層的分類,需要對云層的分布進(jìn)行定位,確定云層在天空中的具體位置.建立圖像中像素點(diǎn)P(x,y)與云層定位信息P0(Az,El)的函數(shù)模型,即可根據(jù)圖像中像素點(diǎn)來獲得云層的定位信息[12].在地面仰視云層,其定位信息模型如圖3所示.

圖3 云層定位模型Fig.3 The determ ination m odel for cloud position

假設(shè)云層中的n+1個(gè)點(diǎn)T0,T1,···,Ti,···,Tn位于空間中某條直線T0Tn上,在水平面實(shí)際投影點(diǎn)為,,···,,···,,在焦平面xoy對應(yīng)像素點(diǎn)為P0,P1,···,Pi,···, Pn.建立圖像中像素點(diǎn)P(x,y)與云層上的點(diǎn)T的仰角El之間的函數(shù)關(guān)系如下式:

通過實(shí)驗(yàn)獲得離散點(diǎn)集{(Eli,ri)},擬合函數(shù)g?(r)來逼近g(r),即可求解出El.方位角定義為從正北方向順時(shí)針轉(zhuǎn)向目標(biāo)位置時(shí)所轉(zhuǎn)過的角度.在圖3中,x軸正向?yàn)檎龞|方向,y軸正向?yàn)檎狈较?點(diǎn)P(x,y)所對應(yīng)的方位角Az由下式給出:

3.4 云量計(jì)算

3.4.1 全天空云量計(jì)算

云量定義為云遮蔽天空視野的成數(shù)[13?15].云在天空中的面積越大,對光電望遠(yuǎn)鏡觀測的威脅就越大,計(jì)算全天空的云量,可以評估云層對觀測的威脅程度[16].在云層分類時(shí),已經(jīng)將灰度的云圖轉(zhuǎn)化為黑白二值化圖像Ibw,其中白色部分即為不可觀測區(qū)域,這里不再考慮云層的厚度問題.圖像尺寸為m×l,其中m=640 pixel,l=480 pixel,在以中心為原點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)系下,有效區(qū)域Csky為:

目前地基測云儀器得到的云量f用下式進(jìn)行計(jì)算:

式中,Ncloud表示天空中云點(diǎn)的像素個(gè)數(shù),Nclean表示非云點(diǎn)的像素個(gè)數(shù).在計(jì)算的過程中,忽略了天空的球面特性,將其近似為平面進(jìn)行處理.

這里引入整夜云量用于描述整夜中云層覆蓋的大致情況.結(jié)合空間碎片的光電跟蹤時(shí)長,每隔3 m in采集一張?jiān)茍D進(jìn)行云量統(tǒng)計(jì),然后取成數(shù)的平均值作為整夜云量.

結(jié)合實(shí)際的觀測經(jīng)驗(yàn),云層威脅程度可按照表2進(jìn)行判斷.

表2 云層威脅程度Tab le 2 The th reat level of cloud

3.4.2 視場云量計(jì)算

為了將云量儀用于望遠(yuǎn)鏡的觀測指導(dǎo),需要結(jié)合望遠(yuǎn)鏡的視場進(jìn)行局部云量統(tǒng)計(jì),判斷空間碎片的位置是否適合觀測[17].大視場望遠(yuǎn)鏡的視場一般為4°×4°,觀測目標(biāo)一般在視場中心位置附近.為了有效覆蓋望遠(yuǎn)鏡視場,并考慮到實(shí)際觀測中的云層位移,選取以觀測目標(biāo)q0(Az0,El0)為中心、半徑R=4°的小圓作為有效區(qū)域,云量計(jì)算的方法不變.q(Az,El)在小圓區(qū)域邊界上,根據(jù)球面三角形中邊的余弦公式,滿足如下關(guān)系:

4 實(shí)時(shí)云量檢測對提高觀測效率的分析

4.1 云量儀優(yōu)化的觀測調(diào)度策略

對于光電望遠(yuǎn)鏡的空間碎片跟蹤,云量儀用于預(yù)先判斷目標(biāo)所在位置處的云量,選擇當(dāng)前時(shí)刻最適合觀測的目標(biāo).若同一時(shí)刻存在多個(gè)觀測目標(biāo)或與后續(xù)時(shí)刻的多個(gè)目標(biāo)存在弧段沖突[18?19],則統(tǒng)計(jì)所有目標(biāo)的視場云量,依據(jù)云量排序選定優(yōu)先觀測的目標(biāo).對于獨(dú)立無沖突弧段的目標(biāo),按編目次序觀測即可,云量儀不影響觀測結(jié)果.通常一個(gè)目標(biāo)弧段要持續(xù)幾分鐘時(shí)間的追蹤,目標(biāo)的位置也在不斷地變化,在追蹤過程中也可能出現(xiàn)云層的遮擋,這時(shí)也可以加入云量的實(shí)時(shí)判斷.這里僅考慮目標(biāo)起始位置處的云量,不涉及追蹤過程和目標(biāo)中間位置的復(fù)雜解析,通過簡化觀測調(diào)度模型,在同等條件下對比觀測效率的差異.用云量儀優(yōu)化的觀測調(diào)度策略,見表3.

表3中,目標(biāo)1–3為同一時(shí)刻存在的3個(gè)弧段,目標(biāo)4為獨(dú)立無沖突的弧段,目標(biāo)5–7、8–10中包含沖突.在全弧段跟蹤的情況下,按原有的觀測調(diào)度策略,觀測順序?yàn)榛《?–4–5–8.在實(shí)際觀測中,若該4個(gè)目標(biāo)弧段剛好被云層覆蓋,此時(shí)觀測到的目標(biāo)數(shù)為0.對于云量儀優(yōu)化的觀測調(diào)度策略,一種觀測順序?yàn)?–4–6–9,除弧段4不能被觀測外,其他3個(gè)目標(biāo)弧段都可能被觀測到.

4.2 仿真實(shí)驗(yàn)

我們在姚安天文觀測站采集了數(shù)天的云量數(shù)據(jù)用于實(shí)驗(yàn),使用的空間碎片編目數(shù)據(jù)庫包含23萬弧段.通過仿真實(shí)驗(yàn)來模擬望遠(yuǎn)鏡在真實(shí)環(huán)境下的觀測調(diào)度,分別在不同預(yù)報(bào)密度和不同云量分布下,對比原始調(diào)度策略和云量儀優(yōu)化調(diào)度策略下的觀測效率.

以世界時(shí)2015年8月13日的夜晚為例,云量為4.1,從編目數(shù)據(jù)庫中按一定規(guī)律均勻地選取預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),進(jìn)行不同預(yù)報(bào)密度下觀測效率的對比.結(jié)果如表4,參數(shù)包括預(yù)報(bào)密度(Density)、無云情況下的理想觀測量(Ideal)、調(diào)度策略下的觀測量(Original)、云量儀優(yōu)化調(diào)度策略下的觀測量(Optim ized)、優(yōu)化策略提高的觀測量(Increase)及優(yōu)化策略提高的觀測率(Rate of increase).其中預(yù)報(bào)密度指每晚的空間碎片預(yù)報(bào)弧段數(shù)量(arcs per night),觀測量指觀測到的弧段數(shù)量.

表3 云量儀優(yōu)化的觀測調(diào)度策略Tab le 3 The op tim ization of observation schedu ling strategy with the c loud im ager

表4 不同預(yù)報(bào)密度下的觀測效率對比Tab le 4 The com parison of observation efficien cy under d ifferen t forecast densities

表4中,隨著預(yù)報(bào)密度的增加,原調(diào)度策略的觀測量不是嚴(yán)格遞增的,這是由于目標(biāo)的排序具有隨機(jī)性.而優(yōu)化策略提高的觀測率在不斷增加,因?yàn)榛《蔚拿芏仍酱?處在云層空隙的可能性越大,優(yōu)化效果也越明顯.當(dāng)預(yù)報(bào)密度達(dá)到60000弧段/晚時(shí),提高率達(dá)到最高的41.63%,之后反而下降,由于優(yōu)化量已經(jīng)達(dá)到飽和,而原調(diào)度策略的觀測量仍有增加.

以預(yù)報(bào)密度60000弧段/晚為參考,挑選10個(gè)不同云量分布的夜晚,對兩種觀測策略的效率進(jìn)行對比,結(jié)果按云量增加進(jìn)行排序,如表5.云量數(shù)據(jù)只表示云的多少,而無法表征云在天空中的具體分布,具有一定的隨機(jī)性.表5中,隨著云量的增加,原調(diào)度策略的觀測量明顯下降,優(yōu)化策略的提高率不斷增加.當(dāng)云量達(dá)到7成時(shí)達(dá)到最大,云量繼續(xù)增加,提高率反而下降,由于云量過多也會(huì)影響優(yōu)化策略的觀測量.

表5 不同云量下的觀測效率對比Tab le 5 Ob servation efficien cy com parison with d ifferen t c lou d covers

為了更好地說明云層威脅程度以及云量儀的優(yōu)化效果,根據(jù)表5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),圖4給出了空間碎片的模擬觀測統(tǒng)計(jì)圖.橫軸為不同夜晚的整夜云量,縱軸為空間碎片的觀測量,其中三角形表示原調(diào)度策略下的觀測量,星號(hào)表示云量儀優(yōu)化策略下的觀測量.

圖4 模擬觀測統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 T he cartogram of sim u lated observations

圖4顯示,在原調(diào)度策略下,碎片觀測量隨云量增加(2.8–6.5)是線性下降的,多云時(shí)(6.5–8.2)僅維持很低的觀測水平.在優(yōu)化策略下,少云時(shí)(2.8–4.4)的碎片觀測量能保持穩(wěn)定;在云量4.4–6.5范圍內(nèi),觀測量會(huì)以較小的斜率線性下降;多云(6.5–8.2)條件下的觀測量表現(xiàn)了該優(yōu)化策略最有效果的部分,基本能夠達(dá)到原調(diào)度策略下剛剛有云層威脅(2.8)的水平.

仿真實(shí)驗(yàn)表明:云量儀優(yōu)化的觀測調(diào)度策略能有效提高望遠(yuǎn)鏡的觀測效率.在預(yù)報(bào)密度達(dá)到60000弧段/晚、云量為7成時(shí),可以達(dá)到觀測效率的最優(yōu),最高可以使望遠(yuǎn)鏡的觀測效率提高57.50%.仿真實(shí)驗(yàn)僅是初步利用云圖進(jìn)行調(diào)度策略優(yōu)化的結(jié)果,算法簡便可靠且易于應(yīng)用.

5 結(jié)論與展望

本文針對光電望遠(yuǎn)鏡跟蹤過程中的云層影響,采用云量儀測定全天空的云層分布及定位,建立云量儀優(yōu)化的觀測調(diào)度策略.仿真實(shí)驗(yàn)表明:對于云量較多的夜空、預(yù)報(bào)密度較大的觀測,云量儀能指導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡避開云層,減少無效擺位,顯著提高設(shè)備觀測效率,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有測量資源的高效利用.

下一步工作的重點(diǎn)是在姚安天文觀測站實(shí)現(xiàn)云量儀和望遠(yuǎn)鏡的協(xié)同工作,在望遠(yuǎn)鏡主控軟件中嵌入云量儀控制模塊,利用實(shí)時(shí)云圖信息對觀測調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化.通過實(shí)際觀測的效率對比,評估云量儀對望遠(yuǎn)鏡觀測的指導(dǎo)作用,并考慮后期在其他天文觀測站的推廣.云量儀可以輔助光電望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)全天自動(dòng)化工作,在空間搜索、目標(biāo)追蹤等方面都有指導(dǎo)幫助,對未來實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的智能化觀測具有重要意義.

致謝感謝中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所提供的云量儀報(bào)告文檔,感謝中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)姚安天文觀測站站長助理黃學(xué)海提供的云量儀實(shí)測數(shù)據(jù),感謝張偉研究員和旃進(jìn)偉老師在空間碎片預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)方面提供的幫助.

[1]王歆.飛行器測控學(xué)報(bào),2013,32:89

[2]高太長,劉磊,趙世軍,等.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2010,21:101

[3]Sh ields J E,K arr M E,Johnson R W,et al.ApOp t,2013,52:1605

[4]Cazorla A,O lm of J,A lados-A rbo ledas L.JOSAA,2008,25:29

[5]Dev S,Savoy F M,Lee Y H,et a l.P roceed ings of SP IE,2014,9071:90711L

[6]Sm ith S,Toum i R.JA pM C,2008,47:683

[7]Stokes G H,Evans J B,V iggh H E,et a l.Icar,2000,148:21

[8]Steel D.PASA,1995,12:202

[9]劉美琪,王昊京.飛行器測控學(xué)報(bào),2011,30:43

[10]Sh iW,T ian Y,Liu K.IJRS,2007,28:1355

[11]胡樹貞,馬舒慶,陶法,等.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2012,23:441

[12]王昊京,王建立,王鳴浩,等.光學(xué)精密工程,2010,18:1722

[13]錢璇,姚永強(qiáng),張永倩.天文學(xué)報(bào),2012,53:426

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

[15]Y in J,Yao Y Q,W ang H S,et al.ChA&A,2012,36:457

[16]Ca lb′o J,Sabbu rg J.JA tOT,2008,25:3

[17]孫榮煜,趙長印.天文學(xué)進(jìn)展,2012,30:394

[18]Sch ildknech t T.A&ARv,2007,14:41

[19]Sch ildknech t T,M usci R,F loh rer T.A d SpR,2008,41:1039

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

?中國科學(xué)院國防科技創(chuàng)新基金(CXJJ-14-S106)資助

?fan liang@pmo.ac.cn

?cm lei@pm o.ac.cn