[논문 리뷰] All Sky Cameras for the characterization of the Cherenkov Telescope Array candidate sites

Dušan Mandát, M. Pech외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 15.

Infrared Target Detection Methodologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 체렌코프 전파망원경 배열(Cherenkov Telescope Array, CTA) 후보지에서 구름의 분율과 야간 천구의 밝기를 측정하기 위해 자율 주행, 태양 전지로 구동되는 어안 렌즈와 CCD 카메라를 사용하는 전체 하늘 카메라(All Sky Camera, ASC) 시스템을 제시한다. 이 시스템은 천문학적 야간 동안 매 5~10분마다 전체 하늘 영상을 촬영하며, 별을 식별하고 별 쌍을 이용해 구름을 평가함으로써, 흐림 정도 추정과 보정된 야간 천구 밝기(매개수/각초순위) 측정에서 ±5%의 정확도를 달성한다.

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$^{2}$)

연구 동기 및 목표

• 원거리 천문학적 관측지에서 야간 천구 상태를 특성화하기 위한 저유지, 자율 작동 시스템을 개발하기 위해.
• 체렌코프 전파망원경 배열의 후보지에서 구름의 분율과 야간 천구의 밝기를 측정하여, 현장 선정을 지원하기 위해.
• 최소한의 인간 간섭으로 원거리 이격된 장소에서 장기적인 자동 모니터링을 가능하게 하기 위해.
• 렌즈 왜곡과 다양한 천정 각도에도 불구하고 정확한 구름 및 천구 밝기 측정을 위한 시스템 보정을 위해.
• 현장 선정 결정에 활용할 수 있는 신뢰할 수 있고 정량적인 데이터를 제공하기 위해, 맑은 시간과 천구 품질에 대해.

제안 방법

• ASC는 천문학적 야간 동안 매 5~10분마다 전체 하늘 영상을 촬영하기 위해 모라비안 G1-2000 CCD 카메라(센서 ICX274AL)와 185° 어안 렌즈를 사용한다.
• 각 영상은 노이즈 감소를 위해 어두운 프레임과 쌍을 이루며, 알려진 빛의 원천 위치를 기반으로 다항식 보정 모델을 사용해 픽셀 좌표를 계산한다.
• 별 검출 및 매칭은 예일 밝은 항성 목록(BSC5)을 사용하며, 검출된 별을 1° 이내의 각도 허용 오차 내에서 목록의 별과 매칭하여 구름을 평가한다.
• 구름 분율은 70개의 하늘 영역으로 나누어진 총 목록 별 수 대비 쌍이 없는 별 수의 비율로 계산되며, 최대 천정 각도는 60°이다.
• 야간 천구 밝기는 유니헤드론 SQM-LE 측정치와 비교하여 보정되며, 가시광선 범위에서 픽셀 플럭스를 매개수/각초순위로 변환한다.
• 시스템은 태양 전지로 구동되며, 현장에서의 처리, 데이터 압축, 중앙 저장소로의 GPRS/WiFi 전송을 통해 자율적으로 작동한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자동화된 전체 하늘 카메라 시스템은 다양한 원거리 천문학적 관측지에서 구름 분율을 얼마나 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ2 렌즈 왜곡과 천정 각도가 별 검출 및 구름 분율 추정의 신뢰성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 dense 안개, 비, 눈, 또는 고조도의 달빛 조건과 같은 악조건에서도 시스템이 일관된 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ4 ASC를 사용한 야간 천구 밝기 측정 정확도는 유니헤드론 SQM-LE와 같은 보정된 기기와 비교해 어느 정도인가?
• RQ5 이 시스템은 원거리 이격된 장소에서 장기적인 자율적 천체 상태 모니터링에 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 인공적인 구름 시뮬레이션을 통한 검증을 통해 ASC 시스템은 ±5%의 정확도로 흐림 정도를 계산한다.
• 유니헤드론 SQM-LE 기기와의 보정을 통해, ASC 시스템은 모든 CTA 후보지에서 매개수/각초순위 단위로 야간 천구 밝기를 정확하게 측정한다.
• 8台의 ASC가 남반구 5개소와 북반구 4개소에 위치한 CTA 후보지에 설치되었으며, 설치 기간은 2011년 11월부터 2013년 4월까지이다.
• 시스템은 태양 전지와 현장 데이터 처리에 의존하여 수년간 최소 유지보수로 자율적으로 작동한다.
• 비, 눈, 안개, 안개, 새의 배설물 등으로 렌즈가 막힐 경우나 고조도의 달빛으로 인해 영상가 포화가 발생할 경우 별 검출에 실패한다.
• 시스템의 별 매칭 알고리즘은 전체 하늘 영상당 약 900개의 목록 별을 검출하며, 이 결과는 70개의 하늘 영역으로 분할되어 구름 분율 분석에 사용된다.