[논문 리뷰] All Sky Camera instrument for night sky monitoring

Dušan Mandát, M. Pech외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 19.

Impact of Light on Environment and Health참고 문헌 1인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 어둠진 하늘의 밝기와 흐림 정도를 측정하기 위해 물고기눈 렌즈, CCD 카메라, 자동 데이터 처리 기능을 갖춘 저비용·자율 작동형 장치인 전체천구카메라(ASC)를 제안한다. 별 위치를 보정하고 하늘 전역에서의 별 가시성을 분석함으로써, 구름의 비율(20% 미만일 경우 ±2%, 80% 초과일 경우 ±5%)과 하늘 밝기(매개수/각초당)를 정확하게 측정하여 천문관측 장소의 품질을 장기적이고 원격으로 모니터링할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 원격 천문관측 장소에서 야간 하늘 상태를 지속적으로 모니터링할 수 있는 저비용·자율 시스템을 개발하기 위해.
• 고에너지 우주선 탐지기 운영에 영향을 주지 않는 수동적·비간섭적 장치의 필요성을 해결하기 위해.
• 특히 후보 천문대에서 실제 환경 조건 하에서 구름의 비율과 야간 하늘 밝기를 신뢰성 있게 측정하기 위해.
• 기상에 견디는 전자기기와 태양전지로 구동되는 시스템을 통해 최소한의 유지보수로 장기간 작동시킬 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• ASC는 1600×1200 픽셀의 CCD 카메라(ICX274 AL)와 185°의 물고기눈 렌즈, 16비트 ADC를 사용하여 천문적 황혼기에 전체 하늘 영상을 촬영한다.
• 이동 가능한 빛 원천과 다항식 피팅을 활용해 픽셀 위치를 천체좌표로 매핑하는 校정 절차를 수행하며, 별 목록의 위치로 검증한다.
• 노이즈를 줄이기 위해 어둠진 프레임을 천체 영상에서 빼내고, 천정각에 따라 감도 보정을 적용하여 렌즈 왜곡, 그림자 효과 및 대기 흡수를 보정한다.
• 70개의 하늘 영역에 걸쳐 1° 이내의 각도 허용 오차로 캐탈로그에 등재된 별(Yale Bright Star Catalog BSC5)과 감지된 별을 비교하여 구름의 비율을 계산한다.
• 야간 하늘 밝기는 Unihedron SQM-LE 미터와의 보정을 통해 픽셀 강도를 가시광선 영역에서 매개수/각초당으로 변환할 수 있도록 한다.
• 미니PC를 활용해 USB I/O를 통한 조리개 및 전원 제어를 구현하고, 겨울철 운영을 위해 내장 히터를 장착하며, 태양전지 또는 전력망 전원을 통해 자율성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 별 가시성과 캐탈로그 매칭을 통해 전체천구카메라가 구름의 비율을 얼마나 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ2 렌즈 왜곡, 그림자 효과, 대기 흡수의 영향이 야간 하늘 밝기 측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 달빛 또는 dense한 안개, 비, 눈과 같은 기상 조건이 ASC 측정의 신뢰성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 ASC 시스템은 유지보수가 거의 필요 없이 수개월 동안 원격의 혹독한 환경에서 자율적으로 작동할 수 있는가?
• RQ5 알고리즘의 불확실성은 다양한 구름 비율 수준에서 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 인공적인 구름 시뮬레이션을 통해 검증한 결과, ASC는 구름 비율이 20% 이하일 경우 ±2%, 80% 초과일 경우 ±5%의 정확도로 측정한다.
• 시스템의 야간 하늘 밝기 측정은 Unihedron SQM-LE와의 보정을 통해 가시광선 영역에서 픽셀 강도를 매개수/각초당으로 정확히 변환할 수 있다.
• 별 탐지 감도 한계는 천정에서 등급 6까지 도달하며, 천정각 60°에서 렌즈와 대기의 병합 효과로 인해 4등급 감쇠가 발생한다.
• 비, 눈, 안개, 새의 배설물 등으로 렌즈가 막힐 경우 알고리즘이 실패하며, 달빛 조명 조건에서는 영상 포화로 인해 작동할 수 없다.
• ASC 시스템은 유지보수가 거의 필요 없이 수개월 동안 자율적으로 작동할 수 있으며, 운영 비용도 최소화되어 후보 천문대에 원격 배치하기에 이상적이다.
• 별 위치 매칭으로 검증된 校정 절차를 통해 전체 185° 시야 범위에서 픽셀 좌표를 방위각과 고도로 신뢰성 있게 변환할 수 있다.