[論文レビュー] Automation of PRL's Astronomical Optical Polarimeter with a GNU/Linux based distributed control system

S. Ganesh, Joshi, U. C.+4 more|ArXiv.org|Dec 1, 2009

Astronomical Observations and Instrumentation参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、GNU/Linuxベースの分散制御システムを用いてPRLの天文学的光学偏光計の自動化を実現した。手動操作に代わり、CCD撮像とRTAI対応カーネルを介したリアルタイム制御が可能になった。このシステムにより、ローカルネットワーク上の任意の場所からリモートでネットワーク接続された操作が可能となり、6–10角秒の小口径アパーチャーを用いることで、背景ノイズを低減し、Blazar やクェーサーのような微弱な天体の高精度な偏光測定が効率的に行えるようになった。

ABSTRACT

Physical Research Laboratory's (PRL) Optical Polarimeter has been used on various telescopes in India since its development in-house in the mid 1980s. To make the instrument more efficient and effective we have designed the acquisition and control system and written the software to run on the GNU/Linux Operating System. CCD cameras have been used, in place of eyepieces, which allow to observe fainter sources with smaller apertures. The use of smaller apertures provides dramatic gains in the signal-to-noise ratio. The polarimeter is now fully automated resulting in increased efficiency. With the advantage of networking being built-in at the operating system level in GNU/Linux, this instrument can now be controlled from anywhere on the PRL local area network which means that the observer can be stationed in Ahmedabad / Thaltej as well or via ssh anywhere on the internet. The current report provides an overview of the system as implemented.

研究の動機と目的

• 従来の15–20角秒よりも小さなアパーチャー（6–10角秒）を可能にすることで、背景空の光による信号対雑音比の制限を克服すること。
• 視覚的エイペックスベースの源取得をCCD撮像と自動制御に置き換えることで、人的誤差を排除し、観測効率を向上させること。
• ローカルエリアネットワーク（LAN）上での任意の場所、またはインターネット経由のSSH接続により、偏光計のリモート操作を可能にすること。
• 実時間カーネルドライバーやカスタムファームウェアを含む、自社開発のハードウェアおよびソフトウェアを用いて、完全統合型の分散制御システムを構築すること。
• 広いダイナミックレンジ（低レベルから数百万カウントまで）にわたるシステムの線形性を確保することで、高精度な偏光測定を達成すること。

提案手法

• RTAI対応のGNU/Linuxカーネルを搭載したPC/104ベースの組み込みシステムを導入し、機械的および光学的部品のリアルタイム制御を実現した。
• 光電子増倍管（PMT）からの光子カウントを光子カウントモードで記録するために、Onyx PC/104 カウンター/タイマー基板を統合した。
• 入射光ビームの高速モード変更を可能にするために、自社開発のステッピングモーター駆動基板を用いてハーフウェーブプレートを制御した。
• アパーチャーとフィルターの切り替え、温度モニタリング、LCDディスプレイ制御などの機械的作動を制御するため、5つのAVR Atmega 8チップを搭載したAtmelマイコンベースのサブシステムを採用した。
• Starlight Xpress SXV-H9およびSXVF-M25C CCDカメラを別個のPC/104ボードに接続し、GUIを介したリアルタイム撮影と源の中心合わせを実現した。
• ステッピングモーター基板、Onyxカウンターボード、USB CCDデバイスのカーネル空間デバイスドライバーや、システム操作用のユーザースペースGUI（OPAL ControlsおよびCCD Controls）を自社開発した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GNU/Linuxベースの分散型ネットワーク制御システムは、天文学的光学偏光測定の効率性と正確性を向上させることができるか？
• RQ2 視覚的エイペックスベースの源取得をCCD撮像に置き換えることで、背景ノイズがどの程度低減され、信号対雑音比が向上するか？
• RQ3 RTAIを搭載したPC/104ベースの組み込みシステムを用いて、リアルタイムでリモート制御された偏光計をどの程度効果的に実現できるか？
• RQ4 光子カウント数の広いダイナミックレンジにわたるシステムの線形性と測定精度は、どの程度達成できるか？
• RQ5 マイコンおよびハードウェア部品用に自社開発したファームウェアおよびドライバは、リモート天文台環境でも信頼性があり再現性のある動作を保証できるか？

主な発見

• 小口径アパーチャー（6–10角秒）の使用が可能になったことで、従来の15–20角秒と比較して、背景空の寄与が著しく低減され、信号対雑音比が向上した。
• 本装置は高いシステム線形性を示し、ガランプリズムを用いた100%偏光測定において、97.5%～99.5%の範囲に収まった。これは、低レベルから数百万カウントまでの広いダイナミックレンジにわたる正確な応答を確認したことを示している。
• LAN経由またはインターネット経由のSSH接続により、リモート操作が成功裏に実装された。これにより、アーメダバードやその他の遠隔地からも観測者が装置を制御可能となった。
• CCDカメラの使用により、Blazar やクェーサーなどの微弱な源をアパーチャー内に正確かつ再現性を持って中心合わせできるようになった。これは、視覚的手法ではコントラストが低いため困難であった。
• カーネルドライバーやユーザースペースGUI、AVRマイコンファームウェアを含む、制御システム全体を自社開発したため、完全なカスタマイズと統合が可能になった。
• 観測データ（24倍のハーフウェーブプレート位置カウントと望遠鏡パラメータ）は、日付をファイル名に含めてテキストファイルに段階的に保存され、体系的なデータログ作成と観測後分析が可能になった。