[論文レビュー] All Sky Cameras for the characterization of the Cherenkov Telescope Array candidate sites

Dušan Mandát, M. Pech+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2013

Infrared Target Detection Methodologies被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）候補地における雲量および夜空の明るさを測定する、自律的で太陽電池駆動の装置であるアラスカイカメラ（ASC）システムを提示する。魚眼レンズとCCDカメラを用い、1回の撮影で全天空を捉え、5〜10分ごとに画像を取得。画像処理により星の検出と星ペアリングを実施し、雲量推定の精度を±5%に保ち、mag/arcsec²単位で校正された夜空の明るさを測定する。

ABSTRACT

The All Sky Camera (ASC) was developed as a universal device for the monitoring of the night sky quality. Eight ASCs are already installed and measure night sky parameters at eight of the candidate sites of the Cherenkov Telescope Array (CTA) gamma-ray observatory. The ACS system consists of an astronomical CCD camera, a fish eye lens, a control computer and associated electronics. The measurement is carried out during astronomical night. The images are automatically taken every 5 minutes and automatically processed using the control computer of the device. The analysis results are the cloud fraction (the percentage of the sky covered by clouds) and night sky brightness (in mag/arcsec$^{2}$)

研究の動機と目的

• 遠隔地の天文観測地点における夜空の状態を低メンテナンスで自律的に特徴づけるためのシステムを開発すること。
• チェレンコフ望遠鏡アレイのサイト選定を支援するため、CTA候補地における雲量と夜空の明るさを測定すること。
• 人為的介入を最小限に抑え、長期間にわたりオフグリッド環境の遠隔地で天体の状態を自動的に監視できること。
• レンズの歪みや変動する天頂角に対応して、雲および夜空明るさの測定を正確に行えるようにシステムを校正すること。
• サイト選定意思決定に使用可能な、雲のない時間と天体の質に関する信頼性の高い定量的データを提供すること。

提案手法

• ASCは、185°の魚眼レンズを装備したモラビアンG1-2000 CCDカメラ（ICX274ALセンサー搭載）を用い、天文的夜間には5〜10分ごとに全天空画像を取得する。
• ノイズ低減のため、各画像にダークフレームを併用し、既知の光源位置から導出された多項式キャリブレーションモデルを用いて画素座標を計算する。
• 星の検出とマッチングにはヤレ・ブライトスターカタログBSC5を用い、検出星を1°の角度誤差許容範囲内でカタログ星と照合し、雲量を評価する。
• 雲量は、全70のスカイセグメントに分けた領域で、カタログ星のペアリングされていない星数と全カタログ星数の比として算出され、最大天頂角は60°までとする。
• 夜空の明るさは、Unihedron SQM-LEの測定値と照合して校正され、可視光スペクトルにおけるピクセルフラックスをmag/arcsec²に変換する。
• 太陽電池駆動で稼働し、現地での画像処理、データ圧縮、GPRS/WiFiを介した中央保存先への送信により、自律的かつ自動的に運用される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自動全天空カメラシステムは、多様な遠隔天文観測地点において、どの程度の精度で雲量を推定できるか？
• RQ2 レンズ歪みや天頂角の変動が、星検出および雲量推定の信頼性にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 霧、雨、雪、高照度月光などの悪天候下でも、システムは一貫した性能を維持できるか？
• RQ4 ASCを用いた夜空明るさ測定の精度は、SQM-LEなどの校正済み機器と比較してどの程度か？
• RQ5 システムは、オフグリッドで遠隔に位置する場所において、長期間にわたり自律的かつ効果的に天体状態を監視できるか？

主な発見

• 人工的な雲シミュレーションによる検証により、ASCシステムは雲量推定精度を±5%に達成している。
• Unihedron SQM-LE機器との校正を経て、ASCはすべてのCTA候補地でmag/arcsec²単位の夜空明るさを正確に測定している。
• CTA候補地の5か所の南半球および4か所の北半球に、合計8台のASCが設置され、2011年11月から2013年4月にかけて設置が完了した。
• 太陽電池駆動と現地でのデータ処理に依存しており、最小限のメンテナンスで数年間自律的に稼働している。
• 雨、雪、霧、はく煙、または鳥の糞でレンズが覆われる場合、および月光が強い場合の画像過充填により、星検出に失敗する。
• システムの星マッチングアルゴリズムは、1枚の全天空画像あたり約900個のカタログ星を検出しており、雲量分析のため70のスカイセグメントに分類される。