[論文レビュー] All Sky Camera instrument for night sky monitoring

Dušan Mandát, M. Pech+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2014

Impact of Light on Environment and Health参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、魚眼レンズ、CCDカメラ、自動データ処理を用いた低コストで自律的な全天空カメラ（ASC）を提案する。星の位置を補正し、空全体の星の可視性を分析することで、雲量（20%未塔では±2%、80%以上では±5%）と夜空の明るさ（mag/arcsec²単位）を高精度に測定でき、天体観測サイトの品質を長期的・遠隔的に監視可能である。

ABSTRACT

The All Sky Camera (ASC) was developed as an universal device for a monitoring of the night sky quality and night sky background measurement. ASC system consists of an astronomical CCD camera, a fish eye lens, a control computer and associated electronics. The measurement is carried out during astronomical twilight. The analysis results are the cloud fraction (the percentage of the sky covered by clouds), night sky brightness (in mag/arcsec2) and light background in the field of view of the camera. The analysis of the cloud fraction is based on the astrometry (comparison to catalogue positions) of the observed stars.

研究の動機と目的

• 遠隔天体観測サイトにおける夜空状態を継続的に監視可能な低コストで自律的なシステムの開発。
• 高エネルギー宇宙線検出器の運用に影響を与えない受動的で干渉のない機器の必要性に対応。
• 特に候補観測所において、現実の環境条件下で雲量と夜空明るさを信頼性高く測定すること。
• 耐候性を備えた太陽電源駆動の電子機器を用いて、最小限のメンテナンスで長期運用を実現すること。

提案手法

• 1600×1200ピクセルのCCDカメラ（ICX274 AL）に185°の魚眼レンズと16ビットADCを組み合わせ、天文学的薄明時に全天空画像を撮影。
• 可動光源を用いた補正手順により、ピクセル座標を天球座標にマッピングし、多項式フィッティングを用い、星のカタログ位置で検証。
• ノイズ低減のため、暗黒フレームを空の画像から差し引く。また、天頂角依存の感度補正により、ヴィgniット（光の減衰）、歪み、大気減光の影響を補正。
• 雲量は、70の空域に分けた範囲内で、1°の角度誤差許容範囲内で検出された星とカタログに登録された星（Yale Bright Star Catalog BSC5）を照合して算出。
• 夜空明るさは、Unihedron SQM-LEメーターとの補正により、ピクセル強度を可視光スペクトルにおけるmag/arcsec²に変換可能。
• ミニPCを用い、USB I/Oによるリムズ制御と電源制御を実装。冬期運用のための内部加熱装置を備え、太陽電源または電力網からの電源供給により自律性を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星の可視性とカタログ照合を用いた全天空カメラによる雲量推定の精度はどの程度か？
• RQ2 レンズ歪み、ヴィgniット、大気減光が夜空明るさ測定に与える影響は何か？
• RQ3 月光や霧、雨、雪などの天候条件がASC測定の信頼性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 ASCシステムは、メンテナンスをほとんど行わずに、数か月間、遠隔で過酷な環境下で自律運用可能か？
• RQ5 アルゴリズムの不確実性は、さまざまな雲量レベルにおいてどのように変化するか？

主な発見

• 人工雲シミュレーションによる検証により、雲量20%未満では±2%、80%以上では±5%の精度で雲量測定が達成された。
• Unihedron SQM-LEとの補正により、システムの夜空明るさ測定値は、可視光スペクトルにおけるピクセル強度からmag/arcsec²に正確に変換可能である。
• 星検出感度のしきい値は天頂部で6等星まで達し、天頂角60°では光学的および大気的要因の併合効果により4等星の減光が生じる。
• レンズが雨、雪、霧、または鳥の糞で覆い隠された場合、および月明かりによる画像の過光量状態では、アルゴリズムが機能しなくなる。
• ASCシステムは、最小限の運用コストで数か月間、メンテナンスなしに自律運用可能であり、候補観測所への遠隔設置に最適である。
• 星位置照合による検証がなされた補正プロセスにより、185°の全視野にわたってピクセル座標から方位角と仰角への信頼性の高い変換が保証される。