王 宇，辛玉新，姜 鵬，楊 勇，倫寶利，王傳軍，余曉光，常 亮，范玉峰

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺，云南 昆明 650216；2. 中國極地研究中心，上海 200136；3. 安徽省黃山市休寧縣氣象局，安徽 黃山 245400；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5. 中國科學(xué)院天體結(jié)構(gòu)與演化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650216)

理論和觀測研究表明，南極大陸可能存在地球上最好的天文臺址資源[1]，主要體現(xiàn)在：(1)南極大氣稀薄，空氣干燥，氣溫極低，適合進(jìn)行紅外和太赫茲波段的觀測；(2)極夜期間可以開展不間斷的時序觀測，對時域天文學(xué)有重要意義；(3)大氣邊界層低，具備極好的視寧度條件[2]。中國先后在南極建立了長城站、中山站、昆侖站和泰山站，昆侖站位于地球上最好的觀測點(diǎn)之一的冰穹A(Dome A)地區(qū)[3]，天文學(xué)家先后在昆侖站安裝了高原天文臺(Plateau Observatory, PLATO)、中國之星小望遠(yuǎn)鏡陣列(Chinese Small Telescope Array, CSTAR)、非多普勒聲雷達(dá)(Surface layer NOn-Doppler Acoustic Radar, SNODAR)和南極巡天望遠(yuǎn)鏡(Antarctic Survey Telescope, AST3)等多臺設(shè)備[4]。昆侖站位于南極大陸最高點(diǎn)，海拔4 087 m，氣候條件極其惡劣，僅可供科考隊(duì)員度夏。中山站位于南極大陸邊緣,平均海拔11 m，距離昆侖站1 250 km，站上生活設(shè)施齊備，可供考察人員度夏及越冬，常年氣溫低、溫差大、濕度小、風(fēng)力強(qiáng)，具有明顯的大陸性特征[5]，2015年最低氣溫-40 ℃，年平均相對濕度59.8%[6]。中山站有極晝和極夜現(xiàn)象，極晝和極夜持續(xù)約55天和58天[7]。中山站主要開展極區(qū)高空大氣物理、冰雪和大氣、海洋、地質(zhì)、地球化學(xué)(隕石)、地理、環(huán)境監(jiān)測等科學(xué)觀測和研究。為適應(yīng)未來南極天文發(fā)展的需求以及內(nèi)陸科考的發(fā)展趨勢，有必要在中山站籌劃建設(shè)南極天文運(yùn)行保障和測試基地。全天信息采集系統(tǒng)作為首批運(yùn)行在中山站的夜天文觀測設(shè)備之一，將為南極中山站的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供重要的實(shí)測依據(jù)。

全天信息采集系統(tǒng)集成了天文觀測的全天信息，如全天云量、天光背景、全天圖像等，對開展天文觀測和臺址信息監(jiān)測有重要作用，同時系統(tǒng)拍攝的全天圖像也可以提供如云量、極光形態(tài)特征等信息。

1 中山站全天信息采集系統(tǒng)簡介

南極中山站全天信息采集系統(tǒng)于2015年7月開始研制，8月底組裝完成，隨后經(jīng)過多次耐低溫實(shí)驗(yàn)及整體測試，10月10日成功交付中國極地研究中心天文研究室，并隨第32次南極科學(xué)考察運(yùn)至南極，最終于2016年3月20日在中山站紅色房頂安裝完畢(圖1)，正式開始采集數(shù)據(jù)。

圖1 設(shè)備安裝在中山站紅色房頂Fig.1 Equipment installed on the red roof of Zhongshan Station

全天信息采集系統(tǒng)可以對中山站全天云量和天光背景進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并拍攝實(shí)時全天圖像，實(shí)現(xiàn)全天信息監(jiān)視功能，采集的數(shù)據(jù)保存到本地硬盤，同時推送到網(wǎng)頁顯示。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完全無人值守，具有自動除雪、除霜等功能，可以很好地適應(yīng)南極氣候條件。設(shè)備安裝在中山站后，運(yùn)行狀況良好，運(yùn)行期間未出現(xiàn)嚴(yán)重故障。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全天信息采集系統(tǒng)由工控機(jī)集中控制、數(shù)據(jù)采集、存儲和發(fā)布，外部通過兩根電纜供電和供網(wǎng)。系統(tǒng)內(nèi)部硬件有電源、云量計(jì)、全天相機(jī)、天光計(jì)和雙溫度采集模塊，系統(tǒng)框圖[8]如圖2。

圖2 全天信息采集系統(tǒng)框圖[8]Fig.2 Architecture of all-sky information system[8]

全天云量采集使用云南天文臺自主研制的云量計(jì)[9]，設(shè)計(jì)原理是云在紅外波段的輻射特性相同，而大氣的增溫主要依靠吸收地面的長波輻射，天空中的云量越多，吸收的長波輻射越多，溫度越高，和地面溫度的差值就越小。利用MLX90614(±0.5 ℃，-70 ℃～+380 ℃)紅外溫度計(jì)得到天空溫度Ts，地表環(huán)境溫度Ta，兩者之差Td=Ta-Ts，根據(jù)云晴公式C=b-kTd計(jì)算云量成數(shù)，其中，Td為晴朗度；C為云量成數(shù)，將云量計(jì)探測到的天空面積計(jì)為10，若10%的面積有云，則C=1，若30%面積有云，則C=3；b和k為常數(shù)，與安裝地點(diǎn)的地理環(huán)境和地形地貌有關(guān)，確定方法是根據(jù)已采集的全天圖像，人為確定與云量計(jì)相同探測范圍的云量成數(shù)，統(tǒng)計(jì)相同時刻的晴朗度，得到云量和晴朗度的對應(yīng)關(guān)系(見表1)，然后通過最小二乘法進(jìn)行擬合，得出b和k的值。圖3為云晴公式擬合圖，在擬合過程中發(fā)現(xiàn)白天和晚上適用的云晴公式有明顯差別，因此對白天和夜晚分別擬合。

圖3 云晴公式擬合圖Fig.3 The fitting diagram of cloudy formula

表1 云量和晴朗度對應(yīng)表Table 1 Cloud cover and clearness correspondence table

全天相機(jī)[10]由佳能700D單反相機(jī)和適馬4.5 mm F2.8魚眼鏡頭組成，通過MiniUSB線將相機(jī)與工控機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)傳輸，并配備7.4 V的相機(jī)電源。全天相機(jī)對天頂距90°范圍進(jìn)行監(jiān)控，每5 min拍攝一幅全天空圖像(360°×180°全天空視場)，原圖存儲在控制計(jì)算機(jī)中，并生成一張縮略圖，添加文字水印和時間后發(fā)送到網(wǎng)頁顯示。全天相機(jī)可以根據(jù)天光亮度調(diào)整曝光參數(shù)，使得拍攝圖像更清晰。佳能700D快門次數(shù)在10萬次左右，附有單反相機(jī)備件可供更換。

天光背景計(jì)采用加拿大Unihedron公司生產(chǎn)的SQM-LE夜天光檢測儀器作為采集設(shè)備，可以不斷探測天頂附近可見光波段的天光背景，該儀器已經(jīng)被國際暗夜協(xié)會定為天文夜天光背景的標(biāo)準(zhǔn)儀器之一，測量數(shù)據(jù)可以同世界上絕大多數(shù)天文臺站的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

全天信息采集系統(tǒng)參數(shù)如表2，該系統(tǒng)使用DS18B20(±0.5 ℃，-10～+85 ℃)數(shù)字溫度傳感器作為雙溫度采集模塊，可對設(shè)備內(nèi)部和外部溫度實(shí)時監(jiān)控，內(nèi)部溫度計(jì)嵌入箱體，探測外部溫度的探頭完全裸露在箱體外側(cè)。系統(tǒng)全部硬件固定在PELI-1500防水箱內(nèi)部(防水箱外部尺寸47 cm×35.7 cm×17.6 cm，內(nèi)部尺寸42.5 cm×28.4 cm×15.5 cm)，如圖4。設(shè)備內(nèi)部還安裝了兩個加熱器、一個散熱風(fēng)扇，其中100 W的加熱器后端帶有風(fēng)扇，放在工控機(jī)上，對著相機(jī)鏡頭吹風(fēng)，風(fēng)扇一直運(yùn)轉(zhuǎn)，加熱器由加熱控制器控制；另一個150 W的加熱器固定在箱體上蓋天光計(jì)旁，加熱器型號為HV031，該加熱器使用熱敏電阻(Positive Temperature Coefficient, PTC)加熱片，具有熱阻小、換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，壽命可達(dá)10年以上。

表2 系統(tǒng)參數(shù)Table 2 All-sky information system parameters

圖4 設(shè)備內(nèi)部示意圖Fig.4 Schematic diagram inner device

箱體頂部開一個圓孔和矩形孔，圓孔處固定具備防水、防結(jié)露、防結(jié)霜功能的半球形亞克力透明罩，相機(jī)可通過透明罩拍攝全天圖像，矩形孔固定透明玻璃罩，天光計(jì)可以透過玻璃罩采集天光背景數(shù)據(jù)。底部開有小孔安裝12 V散熱風(fēng)扇，由風(fēng)扇控制器進(jìn)行控制。側(cè)面4個孔固定傳感器和連接線纜，如圖5，側(cè)面從左到右依次是溫度傳感器、云量傳感器、220 V供電電纜和RJ45網(wǎng)線。防水箱本身具有良好的密封性能，表面不易結(jié)露、結(jié)霜，所有硬件通過螺絲固定在防水箱內(nèi)部，易于維護(hù)、拆卸和更換，并對防水箱所有開孔位置使用耐低溫膠固定。設(shè)備在交付時附有維護(hù)說明以及部分故障解決辦法，并提供了云量計(jì)、溫度計(jì)、單反相機(jī)、單反相機(jī)電源模塊、開關(guān)電源模塊、220 V和12 V風(fēng)扇、固定螺絲等的備用件以供更換。

圖5 全天信息采集設(shè)備Fig.5 All-sky information acquisition equipment

1.2 耐低溫實(shí)驗(yàn)

為適應(yīng)南極氣候，全天信息采集系統(tǒng)各元件選用耐低溫硬件，并經(jīng)過耐低溫檢測。低溫檢測選用上海品頓公司的GDW-165高低溫試驗(yàn)箱(圖6(a)) ，在麗江天文觀測站精密儀器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，檢測結(jié)果表明，系統(tǒng)所有原件和電纜可以在-45 ℃時正常工作。在系統(tǒng)封裝完成后，同樣對設(shè)備整體進(jìn)行耐低溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中將設(shè)備放入高低溫試驗(yàn)箱(圖6(b)) ，通過遠(yuǎn)程桌面與設(shè)備內(nèi)部工控機(jī)連接，運(yùn)行采集程序，實(shí)時觀察雙溫度采集模塊采集的設(shè)備內(nèi)外溫度，通過全天相機(jī)拍攝的圖像判定亞克力透明罩是否有結(jié)露、結(jié)霜現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)過程中，不斷對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，在設(shè)備內(nèi)部放置干燥劑，調(diào)節(jié)加熱器和散熱扇的啟動溫度來控制設(shè)備內(nèi)部溫度，避免結(jié)露、結(jié)霜。最后確定將設(shè)備內(nèi)加熱器控制器溫度設(shè)為15 ℃，設(shè)備內(nèi)部溫度低于15 ℃時控制加熱器對設(shè)備內(nèi)部加熱，風(fēng)扇控制器控制溫度設(shè)定在20 ℃，設(shè)備內(nèi)部溫度高于20 ℃時散熱扇工作。

圖6(a)GDW-165高低溫試驗(yàn)箱；(b)設(shè)備放置在實(shí)驗(yàn)箱中Fig.6(a) GDW-165 high and low temperature test chamber; (b) The device is placed in the test chamber

1.3 數(shù)據(jù)存儲與發(fā)布

全天信息采集系統(tǒng)按照軟件設(shè)定的參數(shù)自動采集全天云量、天光背景、雙溫度數(shù)據(jù)，保存到TXT文檔，每天分別生成一個文檔存儲在工控機(jī)硬盤中，每5 min拍攝一幅全天圖像，每幅圖像1.2 M左右，以拍攝時間為文件名進(jìn)行存儲，一天數(shù)據(jù)量在346 M左右，并通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將站址信息和全天圖像推送到網(wǎng)頁實(shí)時顯示，如圖7，圖片左欄是中山站當(dāng)前全天信息，右側(cè)是全天相機(jī)采集的實(shí)時全天圖像，實(shí)現(xiàn)了本地和局域網(wǎng)訪問、查看以及對全天信息的實(shí)時監(jiān)控。

圖7 中山站全天信息采集系統(tǒng)網(wǎng)頁Fig.7 Zhongshan Station all-sky information acquisition system webpage

2 中山站全天信息分析

全天信息采集系統(tǒng)于2016年3月20日在中山站安裝后持續(xù)采集數(shù)據(jù)，積累了大量的全天信息數(shù)據(jù)，本文利用2016～2017年的全天云量、天光背景、極光和溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合休寧縣氣象局提供的2016年中山站相對濕度資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，初步得到中山站的可觀測時間、可觀測夜數(shù)以及天光背景、全年極光情況和溫濕度數(shù)據(jù)。中山站位于南極圈內(nèi)，存在極晝極夜現(xiàn)象，2016～2017年極夜期為5月27日至7月15日，極晝期為11月21日至次年1月21日。

2.1 可觀測時間和可觀測夜

可觀測時間和可觀測夜是衡量光學(xué)天文臺址的重要指標(biāo)，全天云量覆蓋可以很好地反映臺址的可觀測時間，全天信息采集系統(tǒng)可以對中山站云量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測?？捎^測時間和可觀測夜的定義不完全相同，本文按照云量 ≤3的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)可觀測時間，每晚的可觀測時間如果是連續(xù)且超過3 h，記為一個可觀測夜，并且還必須滿足風(fēng)速 ≤15 m/s，相對濕度 <90%[11]，本文僅考慮云量和濕度因素。圖8和圖9為中山站2016～2017年可觀測時間和可觀測夜數(shù)，2016年可觀測時間為772.2 h，可觀測夜數(shù)為93；2017年可觀測時間為437.38 h，可觀測夜數(shù)為51。本文統(tǒng)計(jì)的是天文昏影終至天文晨光始時間段的可觀測時間，即太陽地平高度 ≤-18°，中山站每年10月至次年2月太陽地平高度均大于等于-18°，所以圖中10月至2月的可觀測時間為0。從圖8和圖9可以看出，中山站2016年和2017年4、5、8月的可觀測時間和可觀測夜數(shù)有明顯差異，通過對比兩個年度相應(yīng)月份的云量及全天圖像發(fā)現(xiàn)設(shè)備并無故障，屬客觀情況，圖10給出了中山站2016～2017年月均云量的統(tǒng)計(jì)情況。

圖8 中山站2016～2017年可觀測時間Fig.8 Observable hours of Zhongshan Station in 2016～2017

圖9 中山站2016～2017年可觀測夜數(shù)Fig.9 Observable days of Zhongshan Station in 2016～2017

圖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

天光背景也稱為夜天光亮度，是衡量光學(xué)天文臺址好壞的重要指標(biāo)，主要影響天文觀測的極限星等和信噪比。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，優(yōu)秀的天文臺址V波段的天光背景亮度應(yīng)達(dá)到21.5～22.0 Mag/arcsec2[12]。全天信息采集系統(tǒng)使用的天光背景計(jì)SQM-LE的中心波長為550 nm，即V波段，在南極中山站測量的天光背景最大值(無月、晴朗夜晚)為22.13 Mag/arcsec2，采集日期為2017年7月3日，如圖11，其中16:10～08:00天光背景有抖動，對照全天圖像發(fā)現(xiàn)是由于極光引起的。天光計(jì)安裝于全天信息采集系統(tǒng)內(nèi)部，傳感器對準(zhǔn)天頂，透過亞克力透明罩測量天頂附近的天光背景數(shù)值。由于透明罩有一定的擋光效應(yīng)，導(dǎo)致天光背景計(jì)的測量結(jié)果偏暗，因此安裝之初在不同暗度條件下測量了亞克力遮罩的偏差為-0.08，所以中山站天光背景最大真實(shí)值為22.05 Mag/arcsec2，并且兩個年度的夜晚天光背景的均值和中值分別為17.02 Mag/arcsec2和18.6 Mag/arcsec2，均為改正偏差后的真實(shí)值。

圖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 溫度與相對濕度

全天信息采集系統(tǒng)配有雙溫度采集模塊，可以實(shí)時采集設(shè)備內(nèi)外的溫度，其中，采集外部溫度的探頭在設(shè)備外部，其數(shù)值可以一定程度上反應(yīng)中山站當(dāng)前溫度，本文根據(jù)設(shè)備外部溫度數(shù)據(jù)簡單分析中山站氣溫變化情況，同時中山站也設(shè)有符合中國氣象局地面觀測規(guī)范的氣象站進(jìn)行氣象觀測工作。圖12是中山站2016年3月～2017年12月氣溫逐月變化情況，圖13是中山站氣溫日變化情況，其中2016～2017年平均氣溫為-10.6 ℃，最高氣溫19.1 ℃，出現(xiàn)在2016年12月，極端最低氣溫-44 ℃，出現(xiàn)在2016年9月，月平均最低氣溫出現(xiàn)在2016年6月，為-19.99 ℃。

圖12 2016～2017年中山站月氣溫變化Fig.12 Monthly temperature distribution at Zhongshan Station in 2016～2017

圖13 2016～2017年中山站日氣溫變化Fig.13 Daily temperature distribution at Zhongshan Station in 2016～2017

圖14是中山站2016年相對濕度月變化情況，可以看出中山站相對濕度較小，2016年平均相對濕度為55.2%，月最低平均相對濕度為46.6%，月平均相對濕度為46%～65%。

圖14 2016～2017年中山站相對濕度Fig.14 Monthly relative humidity at Zhongshan Station in 2016～2017

3 總結(jié)與展望

南極中山站全天信息采集系統(tǒng)集成了全天圖像、云量、天光背景、設(shè)備內(nèi)外溫度采集功能，易于安裝和攜帶，并具有自動運(yùn)行、除雪除霜等功能，對光學(xué)天文臺址全天信息的實(shí)時監(jiān)測有重要意義。設(shè)備安裝在中山站，傳回的數(shù)據(jù)顯示，設(shè)備可以適應(yīng)南極極端的氣候條件，并為中山站積累了大量實(shí)測數(shù)據(jù)，上述僅分析了2016～2017年的數(shù)據(jù)，初步得出中山站的可觀測時間、可觀測夜數(shù)、天光背景和氣溫情況，為后續(xù)在中山站開展天文觀測提供了實(shí)測依據(jù)，同時系統(tǒng)拍攝了大量的全天圖像，后續(xù)可以通過圖像處理得到更多信息。