彭煥文，辛玉新，和壽圣，王傳軍，倫寶利，范玉峰

( 1. 中國科學院云南天文臺，云南 昆明 650011;2. 中國科學院大學，北京 100049;3. 中國科學院天體結構與演化重點實驗室，云南 昆明 650011)

麗江天文觀測站全天相機介紹*

彭煥文1,2,3，辛玉新1,3，和壽圣1,3，王傳軍1,3，倫寶利1,3，范玉峰1,3

( 1. 中國科學院云南天文臺，云南 昆明 650011;2. 中國科學院大學，北京 100049;3. 中國科學院天體結構與演化重點實驗室，云南 昆明 650011)

全天相機作為一個對天文觀測臺站全天云量信息進行監(jiān)視的工具，對天文觀測的正常進行發(fā)揮著重要的作用，目前世界上主要天文臺均配備有全天相機，為了滿足對全天云量信息進行實時監(jiān)視的需求，麗江天文觀測站正式安裝架設了一套全天相機系統(tǒng)。從硬件安裝架設、軟件調試到實際測試等方面，詳細介紹了全天相機系統(tǒng)的設計方案以及遇到的問題，討論了對問題的解決措施，重點介紹了根據天光亮度數值調整相機曝光時間的方法，這也是主要創(chuàng)新與特色之處。

全天相機；云量信息；實時；天光亮度；曝光時間

天文觀測站址監(jiān)測系統(tǒng)是天文臺的重要組成部分，主要分為監(jiān)測和監(jiān)視兩部分，其中監(jiān)測系統(tǒng)包括大氣視寧度監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測、風速風向監(jiān)測等等；監(jiān)視系統(tǒng)包括全天云量監(jiān)視、站址環(huán)境監(jiān)視、圓頂與望遠鏡監(jiān)視等等。全天相機(All-Sky Camera)作為實現(xiàn)全天云量監(jiān)視的一種方式，是站址監(jiān)測系統(tǒng)重要的組成部分，其獲取的全天云圖信息全面，初期可以目測全天云圖以便了解云量多少、云量分布等信息，后期可以利用目前的數字圖像處理軟件處理和分析圖像，獲取有效信息，并結合計算機編程技術，實現(xiàn)云量信息的半自動獲取[1]。

麗江天文觀測站目前配備了云量傳感器，可以向觀測人員提供全天云量，但它的缺點是無法提供全天云量的分布信息。為了彌補上述不足，麗江天文觀測站決定配置一套全天相機系統(tǒng)，充分利用全天相機的優(yōu)勢與特點，為觀測人員實時地傳達全天云量、分布等信息。

1 自主設計全天相機的優(yōu)勢

目前世界上主要天文臺均配備了全天相機，如位于美國亞利桑那州圖森市霍普金斯山頂的弗雷德·勞倫斯·惠普爾天文臺(Fred Lawrence Whipple Observatory)，位于基特峰頂的基特峰國家天文臺(Kitt Peak National Observatory)，位于智利的拉斯坎帕納斯天文臺(Las Campanas Observatory)，以及歐洲南方天文臺(ESO)在世界上的多個觀測基地。這些大型天文臺配備的全天相機或為商業(yè)的或為自主設計的，如基特峰國家天文臺自主設計的全天相機，使用了FLI-CCD相機以及尼康8 mm f2.8魚眼鏡頭。此外這些天文臺的全天相機系統(tǒng)均提供了網絡訪問接口，并在網頁上提供了近幾個月的歷史云圖信息，以及當前全天云量分析與歷史走勢曲線。

目前已經出現(xiàn)了多款商業(yè)化的全天相機，比較著名的有Moonglow Technologies 設計的全天相機、SBIG全天相機(All Sky 340 Cameras)等等。這些商業(yè)產品的特點是功能集成比較完善，客戶購買后僅需要做少量的工作，比如安裝、連接輸出設備后，就可以使用相機拍照并查看全天圖像，但由于軟硬件開發(fā)等細節(jié)不公開，導致觀測站址的技術人員對其日后的問題解決、維護管理等很不方便，于是麗江天文觀測站決定自主設計一套全天相機系統(tǒng)。自主設計全天相機系統(tǒng)，不僅能夠節(jié)省科研資金，更可以充分發(fā)揮天文觀測臺站技術人員的專業(yè)優(yōu)勢，獲得技術上的鍛煉和寶貴的實踐經驗，此外，技術人員可以自由地選擇硬件搭配，發(fā)揮創(chuàng)新性，設計和實現(xiàn)具有臺站自主特色的全天相機系統(tǒng)。由于是自主設計的軟硬件，很清楚整個系統(tǒng)的開發(fā)細節(jié)，所以非常便于日后的維護管理，也可以方便地和整個站址監(jiān)測系統(tǒng)集成，后期的開發(fā)可以實現(xiàn)云量、分布等信息的自動獲取，為臺站望遠鏡的自動運行與觀測提供技術支持。

2 硬件選擇

麗江天文觀測站全天相機系統(tǒng)的硬件配置選擇，本著能夠完成相關工作，并且價格低廉實惠、工作穩(wěn)定的原則進行。最基本的硬件配置需要一臺相機、一個廣角鏡頭、一臺控制計算機，另外還需要交流適配器、遮雨罩、網絡接入設備等。經過對多個可選配置方案的全方面綜合比較，最終的基本硬件配置如下：相機采用佳能EOS 600D，廣角鏡頭采用適馬4.5 mm f2.8魚眼鏡頭，控制計算機只需要基本的配置，并安裝windows7系統(tǒng)，相機交流適配器采用ACK-E8交流適配器，遮雨罩自主制作，其中全天相機及魚眼鏡頭的選擇主要參考了國家天文臺興隆觀測站的成功案例。

3 安裝架設

3.1 選擇安裝地點

要實現(xiàn)完整的全天相機系統(tǒng)，第1步就是選取安裝地點。全天相機安裝地點的選擇需要滿足一定的地面高度，這樣不僅能夠拍到全天圖像，還能在相機視場邊緣處拍攝地面特征建筑物，比如2.4 m望遠鏡圓頂。為了便于全天相機功能的調試與后期維護，需要把安裝地點設在具有較近的電力、網絡接口的地方，經過全方面綜合多個因素的權衡，最終選擇安裝在臺灣自動望遠鏡(TAT)控制室外西側屋頂，一方面能夠方便給全天相機供電、接入網絡，另一方面又能夠方便日后的維護管理。

3.2 自制改裝遮雨罩，安裝相機

第2步需要把作為全天相機系統(tǒng)主體的相機和鏡頭安裝到帶有底座的遮雨罩內，并固定到墻面上。為了節(jié)約資金，決定自制一個遮雨罩，一方面可以增強動手能力，另一方面也可以把舊物重復利用，即經濟又節(jié)約。用來制作改裝遮雨罩的物品是一個通用的監(jiān)視攝像頭遮罩，在遮雨罩里面安裝了一個相機底座，并用螺釘把相機固定在相機底座上，遮雨罩的底座可以固定在墻面上，調整好位置使得遮雨罩頂部和相機鏡頭正對著天頂。遮雨罩底座是中空的，相機電源線和數據線可以通過這個中空的孔穿過墻面到達控制室內，并與控制計算機相連。在半球形透明遮雨罩與底座接縫處用密封膠進行密封，防止雨水進入遮雨罩內部，影響相機正常工作。圖1為自制改裝遮雨罩展示，左圖中相機安裝在內部的底座上，右圖中安裝了透明遮雨罩以及把遮雨罩底座固定在墻面上。

圖1 改裝遮雨罩
Fig.1 A picture showing our refit rain shield

3.3 控制計算機與網絡接入

第3步需要在控制室內放置一臺控制計算機并接入網絡。由于對全天相機控制和數據傳輸存儲的要求不高，放置一臺普通的具有基本配置的控制計算機即可，考慮到長時間工作的穩(wěn)定性，采用臺式機，并安裝windows7系統(tǒng)，控制計算機通過USB數據線與相機相連進行控制和數據傳輸。為了能通過網頁訪問全天圖像，需要將控制計算機接入網絡，在控制室內放置一部光纖轉換器，一端通過網線與控制計算機相連，另一端通過光纖接入本地局域網，并給控制計算機配置映射端口作為網絡訪問的地址。3.4 加熱器和溫控器

基本的硬件安裝完畢后，經過幾天的測試觀察，發(fā)現(xiàn)透明遮雨罩內壁結露嚴重，非常影響拍攝的全天圖像質量，為了解決這個問題，在遮雨罩內部放入了適量的干燥劑，但后來發(fā)現(xiàn)水汽結露的改善效果并不明顯，于是加裝了一個控溫加熱裝置。這個裝置由一個加熱器和一個溫控器組成，兩個器件都由上海斯普威爾電器有限公司生產，加熱器功率為10 W，溫控器可在0～60 ℃范圍內調節(jié)。通過對溫控器設置監(jiān)測臨界溫度，當遮雨罩內部溫度低于該臨界溫度時，啟動加熱器進行加熱，以此防止遮雨罩內壁結露。實驗表明，保持遮雨罩內部溫度始終高于外界溫度，能有效防止遮雨罩內壁結露。圖2左圖為透明遮雨罩內壁的結露情況，右圖為制作的控溫加熱裝置。

圖2 左：遮雨罩內壁結露；右：加熱器和溫控器

Fig.2 Left panel: A picture showing the dew on the inner side of the rain shield. Right panel: A picture showing the heater and the thermostat

3.5 消光布

遮雨罩底座內壁和干燥劑包裝都為白色，當在晴朗的白天用全天相機試拍一組照片時，發(fā)現(xiàn)太陽光照射到白色干燥劑包裝上會反射至透明遮雨罩，最終成像在全天圖像里，導致圖像不清楚。為了解決這個問題，在遮雨罩內底部的干燥劑上蓋上一塊黑色消光布，防止太陽光的反射，從而有效地消除了反射導致圖像不清楚的問題。圖3左圖為加消光布前的圖像，右圖為加消光布后的圖像。

圖3 消光前(左)后(右)的對比圖

Fig.3 Images taken by the all-sky camera before and after using the black-cloth sheet to avoid light reflection (in the left and right panels, respectively)

4 軟件調試

在Windows7系統(tǒng)中VC環(huán)境下對相機控制軟件進行開發(fā)調試[2]，以滿足設置相機參數、控制相機曝光、圖像采集與存儲等功能，開發(fā)了一個基于MFC的用戶界面[3]，交互式地對各功能進行控制，實現(xiàn)了定時拍攝。為了實現(xiàn)通過網頁訪問全天圖像的功能，給控制計算機連接網絡，并配置好網絡映射端口后，在基于超文本預處理器語言(PHP)的環(huán)境下開發(fā)了一個主頁，實現(xiàn)對全天圖像的訪問。圖4為全天相機軟件流程圖，圖5為軟件界面。

圖4 全天相機控制軟件流程圖
Fig.4 A flowchart of the control software system of the all-sky camera

圖5 全天相機控制軟件
Fig.5 A display of the interface of the control software system of the all-sky camera

最初的開發(fā)結果為對原始圖片進行訪問，但經過測試后發(fā)現(xiàn)，原始圖片過大，每幅5兆字節(jié)左右，通過網絡訪問時不僅下載圖片很費時，而且占用網絡帶寬，并且在計算機顯示器分辨率的限制下，原始圖片中的大部分高分辨率細節(jié)不能顯示。經過修正后的方案為對每幅原始圖片，在存儲到硬盤后自動生成一幅縮略圖，縮略圖字節(jié)數較原始圖大大減小，這樣通過網絡訪問縮略圖不僅下載快速，而且顯示的細節(jié)與訪問原始圖片時相差不大，很好地滿足了高效順暢地瀏覽與查看全天圖像的功能。為了使通過網頁訪問全天圖像縮略圖的功能更加人性化，又在縮略圖中添加了文字水印和司南圖片水印，達到了解圖片信息和南北方位的目的，此外在網頁中自動定時刷新最近拍攝的圖像縮略圖，并支持查看3天內的歷史圖像。圖6展示了白天和黑夜的完整全天圖像。

圖6 完整的全天圖像
Fig.6 Two result images taken by the all-sky camera

5 根據天光亮度數值調整相機曝光時間

全天相機拍攝參數的設置非常重要，比如曝光時間、快門大小、感光度等，如果設置不合適，就無法獲得高清晰質量的全天圖像。最初的方案是通過一系列實際測試將參數設置為指定的數值，不管白天還是晚上，任何時刻都采用這一組同樣的參數對全天進行拍攝。但如此一來會導致白天所得的全天圖像合適時，晚上的圖像過暗；晚上所得的全天圖像合適時，白天的圖像過亮。

為了解決這個問題，在控制軟件中加入計算太陽高度、月亮高度及月相的部分，通過對當前時刻太陽和月亮的信息進行計算，判斷并設定拍攝參數，實驗表明，在天氣晴朗時，用此方法得到的全天圖像，白天和晚上的都較為合適。但當天氣不晴朗時，天空中的云量變化會導致天光亮度變化，而通過單純計算太陽、月亮的高度及月相無法獲得云量變化情況下的天光亮度信息，使得云量偏多時拍攝所得全天圖像偏暗。于是，決定通過計算天光亮度數值調整設置全天相機拍攝參數，這種方案比通過計算太陽、月亮高度及月相來設定拍攝參數更加科學準確。例如，有云的情況下，天光亮度數值會實時變化，拍攝參數也跟著變化，而通過單純計算太陽、月亮的高度和月相無法排除云的干擾造成的天光亮度數值的變化?？紤]到臺灣自動望遠鏡配備有一個天光亮度(LIGHT)傳感器，并且在其網絡主頁上實時顯示此數值，所以在控制軟件中加入抓取PHP網頁內容的部分，通過此技術實時抓取臺灣自動望遠鏡主頁上的天光亮度數值，并以此為依據實時設置全天相機的拍攝參數。

表1列出了各個天光亮度數值對應的曝光時間及拍攝參數，從中可看到，天光亮度傳感器測得的天光亮度數值分布范圍從0至幾十，初始方案中將拍攝參數設置為定值很明顯地使不同時段的全天圖像明暗相差很大；而在采用計算太陽、月亮的高度和月相的方案后，也因為云存在的不確定性導致白天或者晚上天光亮度分布范圍較廣。從圖7可以看到，根據天光亮度數值調整拍攝參數非常有效地解決了這些問題，獲得了亮度非常合適的全天圖像。

表1 天光亮度數值與曝光時間Table 1 LIGHT-value ranges and corresponding exposure times

圖7 左：有云時曝光時間太短；右：有云時根據天光亮度調整曝光時間

Fig.7 Left panel: An image taken in a too short exposure with clouds substantially present in the field of view. Right panel: An image taken in an exposure adjusted according to the LIGHT value also with clouds substantially present in the field of view

6 結 語

全天相機作為天文觀測站址監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分，在全天實時云量信息的監(jiān)視上發(fā)揮著重要的作用，近年來世界主要天文觀測臺站中各式各樣具有自主設計特點的全天相機相繼運行，技術上的相互補足，使得該項技術穩(wěn)步向前發(fā)展。

麗江天文觀測站的全天相機自上線后工作穩(wěn)定，采用實時天光亮度設置拍攝參數的方法具有更好的科學性，拍攝的全天圖像清晰度好、質量高。在后期的開發(fā)中，可根據全天圖像分析天空中云層的覆蓋比例和分布情況，計算云的運動速度，進而可對天氣狀況做出快速準確的判斷與預測[4]，也可對云點識別、云量計算、云高計算和云狀識別等問題進行研究與實現(xiàn)[5]，還可對全天圖像進行更加深入的研究，比如幾何、光學等的定標研究，光學深度的研究等[6-7]。

致謝：感謝國家天文臺興隆觀測站的姜曉軍研究員和邱鵬的大力支持，在此深表謝意。

[1] 霍娟, 呂達仁. 全天空數字相機觀測云量的初步研究 [J]. 南京氣象學院學報, 2002, 25(2): 242-246. Huo Juan, Lv Daren. Preliminary study on cloud-cover using an all-sky digital camera[J]. Journal of Nanjing Institute of Meteorology, 2002, 25(2): 242-246.

[2] Prata S. C++ Primer Plus中文版[M]. 5thed. 孫建春, 韋強, 譯. 北京: 人民郵電出版社, 2005.

[3] 姚領田. 精通MFC程序設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2006.

[4] 王健, 荊雷, 郭幫輝. 折反式紅外全景天空相機光學系統(tǒng)設計[J]. 紅外與激光工程, 2013, 42(3): 648-652. Wang Jian, Jing Lei, Guo Banghui. Optical design of catadioptric infrared panoramic sky camera[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(3): 648-652.

[5] 高太長, 劉磊, 趙世軍, 等. 全天空測云技術現(xiàn)狀及進展[J]. 應用氣象學報, 2010, 21(1): 101-109. Gao Taichang, Liu Lei, Zhao Shijun, et al. The actuality and progress of whole sky cloud sounding techniques[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2010, 21(1): 101-109.

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CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

An Introduction to the All-Sky Camera at the YNAO Lijiang Astronomical Station

Peng Huanwen1,2,3, Xin Yuxin1,3, He Shousheng1,3, Wang Chuanjun1,3, Lun Baoli1,3, Fan Yufeng1,3

(1. Yunnan Observatories, Chinese Academy of Science, Kunming 650011, China; Email: hwpeng@ynao.ac.cn;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory for the Structure and Evolution of Celestial Objects, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650011, China)

An all-sky camera serves as a rather important tool for monitoring cloud distributions over an astronomical observation site. An all-sky camera can improve weather monitoring for astronomical observations, including outdoor observations in site selection. Major observatories in the world now have all-sky cameras. In order to meet the requirements on real-time monitoring of clouds for Yunnan Observatories, we have installed an all-sky camera system at the Lijiang astronomical station. In this paper we describe details of the design and implementation of the all-sky camera system. These include issues of installing hardware, debugging software, and practical tests. We list solutions of these issues. A particular issue is that sky-brightness values can vary dramatically with levels of cloud coverage. This makes it difficult to manually set proper exposures in using the camera. We have found a method to automatically adjust camera exposures according to sky-brightness values. The method sets camera exposures to decrease with sky-brightness values. With exposures correctly set with this method in either day or night, the camera can obtain high-quality all-sky images. This method is also the most innovative and characteristic part of our work with the all-sky camera.

All-sky camera; Cloud-amount information; Real-time monitoring; Sky brightness; Exposure time

國家自然科學基金 (11133006) 資助.

2014-03-05；修定日期：2014-03-20

彭煥文，男，碩士. 研究方向：天文儀器與方法. Email: hwpeng@ynao.ac.cn

P412.15

A

1672-7673(2015)01-0089-07