[논문 리뷰] Automation of PRL's Astronomical Optical Polarimeter with a GNU/Linux based distributed control system

S. Ganesh, Joshi, U. C.외 4명|ArXiv.org|2009. 12. 01.

Astronomical Observations and Instrumentation참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 PRL의 천문학적 광학 편광계를 GNU/Linux 기반 분산 제어 시스템을 사용해 자동화한 바 있다. 수동 조작을 대체해 CCD 영상 촬영과 RTAI 기반 커널을 통한 실시간 제어를 구현하였다. 이 시스템은 로컬 네트워크 내 어디서든 원격으로 네트워크 기반 운영이 가능하며, 더 작은 조리개(6–10 각초)를 통해 신호 대 잡음비를 크게 향상시켰다. 이는 배경 노이즈를 감소시키고, 블라자르나 쿼라르스와 같은 희미한 천체의 효율적이고 고정밀한 편광 측정을 가능하게 하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이전에 가능하지 않았던 더 작은 조리개(6–10 각초)를 통해 천체의 배경 천구 빛으로 인한 신호 대 잡음비 저하 문제를 해결하고자 한다.
• 시각적 레이저를 통한 소스 확보 방식을 CCD 영상 촬영과 자동 제어로 대체해 인간의 실수를 제거하고 관측 효율을 향상시키고자 한다.
• 로컬 영역 네트워크(LAN) 내 어디서든 또는 인터넷을 통해 SSH를 통해 원격에서 편광계를 제어할 수 있도록 하여 원격 운영을 가능하게 하고자 한다.
• 내부 하드웨어와 소프트웨어를 사용해 실시간 커널 드라이버와 맞춤형 펌웨어를 포함한 완전 통합된 분산 제어 시스템을 개발하고자 한다.
• 낮은 수준부터 수백만 개의 카운트에 이르는 넓은 동적 범위에서 시스템 선형성을 확보함으로써 고정밀 편광 측정을 실현하고자 한다.

제안 방법

• 실시간 제어를 위해 RTAI 기반 GNU/Linux 커널을 탑재한 PC/104 기반 임베디드 시스템을 구축하여 기계적 및 광학적 구성 요소를 제어하였다.
• 광전자 배율관(PMT)에서 온 광자 수를 광자 수 센서 모드로 기록하기 위해 Onyx PC/104 카운터/타이머 보드를 통합하였다.
• 도래하는 빛의 비틀림을 신속하게 조절하기 위해 내부 개발한 스텝모터 드라이버 보드를 사용하여 반파장 판을 제어하였다.
• 조리개 및 필터 교체, 온도 모니터링, LCD 디스플레이 제어 등의 기계적 동작을 제어하기 위해 Atmel 마이크로컨트롤러 기반 서브시스템(5개의 AVR Atmega 8 칩)을 사용하였다.
• 실시간 영상 촬영과 GUI 기반 소스 중심 조정을 위해 Starlight Xpress SXV-H9 및 SXVF-M25C CCD 카메라를 별도의 PC/104 보드에 연결하였다.
• 스텝모터 보드, Onyx 카운터 보드, USB CCD 장치를 위한 커널 영역 장치 드라이버와 사용자 영역 GUI(OPAL Controls 및 CCD Controls)를 개발하여 시스템 운영을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GNU/Linux 기반 분산 네트워크 제어 시스템은 천문학적 광학 편광 측정의 효율성과 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 시각적 레이저 기반 소스 확보 방식을 CCD 영상 촬영으로 대체함으로써 배경 노이즈는 얼마나 감소하고, 신호 대 잡음비는 얼마나 향상되는가?
• RQ3 RTAI 기반 PC/104 기반 임베디드 시스템을 사용해 실시간 원격 제어를 얼마나 효과적으로 달성할 수 있는가?
• RQ4 광자 수의 넓은 동적 범위(낮은 수준에서 수백만 카운트까지)에서 시스템 선형성과 측정 정확도는 어느 정도 확보될 수 있는가?
• RQ5 내부 개발한 마이크로컨트롤러 및 하드웨어 구성 요소용 펌웨어 및 드라이버는 원격 천체관측소 환경에서 신뢰성 있고 반복 가능한 운영을 보장할 수 있는가?

주요 결과

• 더 작은 조리개(6–10 각초)를 사용할 수 있게 되어 이전의 15–20 각초 대비 배경 천구 기여를 크게 감소시켜 신호 대 잡음비를 향상시켰다.
• 시험 결과 시스템 선형성이 매우 우수했으며, 갈란 프리즘을 사용했을 때 100% 편광 측정값이 97.5%에서 99.5% 사이로 측정되어 낮은 수준부터 수백만 카운트까지 넓은 동적 범위에서 정확한 반응을 보임을 확인하였다.
• 로컬 네트워크 또는 인터넷을 통해 SSH를 통한 원격 제어가 성공적으로 구현되어 아하메다바드 또는 다른 원격지에서 관측자가 장치를 제어할 수 있었다.
• CCD 카메라의 사용으로 희미한 소스(예: 블라자르, 쿼라르스)를 조리개 내에서 정밀하고 반복 가능한 방식으로 중심에 정렬할 수 있었으며, 이는 이전의 시각적 방법으로는 낮은 대비로 어려웠다.
• 커널 드라이버, 사용자 영역 GUI, AVR 마이크로컨트롤러 펌웨어를 포함한 전체 제어 시스템을 내부적으로 개발하여 완전한 맞춤형 통합이 가능했다.
• 관측 데이터(24배 반파장 판 위치 카운트 및 천체망원경 파arameter)는 날짜 기반으로 텍스트 파일에 점진적으로 기록되어 체계적인 데이터 로깅과 관측 후 분석이 가능해졌다.