CN107844323B - 自动化大气光学湍流测量仪的软件控制方法 - Google Patents
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Abstract
自动化大气光学湍流测量仪的软件控制方法：观测列表的生成；读取当日观测列表；检查设备状态并排除异常；判断当前时间与观测列表任务开始结束时间，进入无观测任务等待状态、“观测”状态或结束观测任务等待状态；“观测”状态包括望远镜停止状态、DIMM湍流监测状态、MASS湍流监测状态；两种湍流监测状态都包括自动寻星、自动导星和自动数据计算保存。本发明能在正常观测状态下通过观测列表实现台址测量设备的全自动运行并在线获得测量结果。无人值守状态下，通过远程控制，实现系统调试、异常维护、状态查看和观测数据查看。
Description
技术领域
本发明涉及一种软件控制方法，具体涉及一种自动化大气光学湍流测量仪的软件控制方法。
本发明为国家自然科学基金面上项目“基于月亮闪耀非接触式光学测量方法的天文台址表面层光学湍流强度及垂直分布研究”的项目，
背景技术
长期监测天文台址大气光学湍流参数对天文选址、台址监测和天文高分辨成像非常重要。天文台址大气光学湍流参数主要包括视宁度、等晕角、相干时间和湍流强度廓线等。
现有多种大气光学湍流测量设备，其测量方法、测量湍流高度、获得的湍流参数不同。国内现有的典型的夜间天文台址大气光学湍流参数测量方法为基于恒星和月亮的到达角起伏和波前闪耀综合测量大气光学湍流参数的多种方法，包括： DIMM（ DifferentialImage Motion Monitor）、MASS（ Multi-Aperture Scintillation Sensor）、 SSS（ SingleStar SCIDAR）、 PML（ Profiler of Moon Limb）、Lusci（ Lunar Scintillometer）。其中DIMM 测量整个大气层视宁度；MASS 测量自由大气层视宁度、等晕角、相干时间、低分辨湍流强度廓线；SSS测量视宁度、等晕角、相干时间和湍流强度廓线；PML测量整个大气层中等分辨率的湍流廓线；LuSci 测量表面层光学湍流廓线。这些测量方法中，以恒星为观测目标的DIMM和MASS应用最为广泛，综合应用可以实现基本大气光学湍流参数的测量和互相校验。
我国长久以来就打算建造自己的大口径地基望远镜，选择优良的天文台址很重要。国家天文台西部选址工作组自2003年就开始对我国西部地区潜在的优良天文台址进行考察和选择，并在2010 年启动阿里狮泉河南选点的建设。云南天文台、国家天文台、紫金山天文台、南京大学联合承担的西部太阳选址项目，已初步认定大香格里拉地区和阿里地区是两个最有潜力的候选地区，并在稻城建立2个观测站。再者，伴随着我国大型光学红外望远镜项目的积极推进，选择合适的台址显得尤为迫切，前期工作已开展台址遴选与监测，对西藏阿里观测站、四川稻城观测站和新疆慕士塔格观测站展开联合对比观测，主要内容包括大气光学湍流参数的长期监测。这些观测站地处高海拔，观测条件艰苦，资源有限，为获得长期的有效数据，对设备自动化运行程度要求高。
发明内容：
为满足大气光学湍流测量仪长期、可靠和全自动运行的要求，并在线获得测量结果，本发明提供一种自动化大气光学湍流测量仪的软件控制方法，该方法能够：正常观测状态下，通过观测列表实现台址测量设备的全自动运行，并在线获得测量结果。无人值守状态下，通过远程控制，差分视宁度监测仪DIMM和多孔径闪耀传感器MASS的全自动观测，在线获得视宁度、等晕角、相干时间和湍流强度廓线等基本大气光学湍流参数；并实现系统调试、异常维护、状态查看和观测数据查看。
完成上述发明任务的技术方案是：一种自动化大气光学湍流测量仪的软件控制方法，其特征在于，步骤如下：
⑴. 观测列表的生成：可根据观测地点自动生成观测列表，也可根据当日观测任务手动更改观测列表；
⑵. 读取当日观测列表；
⑶. 检查设备状态（包括望远镜、寻星相机、导星相机、湍流监测相机等）；
⑷. 设备状态为可观测状态，判断当前时间（T now）与观测列表开始和结束时间（T start, T end）；
⑸. 设备状态为不可观测状态，则进入异常排除程序；排除成功后，判断当前时间（T now）与观测列表开始时间（T start）；
⑹.T now < T start，则为无观测任务；
⑺.T start < T now < T end，则进入“观测”状态；
⑻.T now > T end，则为结束观测任务；
⑼-1. 进入“观测”状态时，状态为停止状态：望远镜方位与高度为0；
⑼-2. 进入“观测”状态时，状态为湍流监测状态；
以上步骤⑼-2中，软件控制对象包括DIMM和MASS。
软件控制对象为DIMM时，操作步骤如下：
望远镜指向目标星（坐标RA,DEC）；
寻星相机连续拍图，快速图像处理搜索像班，按照面积最大光强最强标准筛选出目标星象。计算当前星像位置相对于目标位置的偏移量，目标位置的有效位置范围为R rag；
”偏移<R rag“为否，寻星算法迭代多次（迭代次数iter），控制望远镜朝向目标位置运动，迭代次数超过5次，则寻星失败；
”偏移<R rag“为是，同时开始：湍流监测相机连续拍图，实时处理图像，包括快速像斑搜索和高精度质心算法，计算视宁度；导星相机连续拍图，实时处理图像，包括快速像斑搜索和目标星筛选，利用导寻星算法控制望远镜实现稳像。
软件控制对象为MASS时，操作步骤如下：
望远镜指向目标星（坐标RA,DEC）偏置位置（坐标RA-bias,DEC-bias）；
进入湍流监测相机拍多图，均值为天空背景；
望远镜指向目标星（坐标RA,DEC）；
寻星相机连续拍图，快速图像处理搜索像班，按照面积最大光强最强标准筛选出目标星象。计算当前星像位置相对于目标位置的偏移量，目标位置的有效位置范围为R rag；
”偏移<R rag“为否，寻星算法迭代多次（迭代次数iter），控制望远镜朝向目标位置运动，迭代次数超过5次，则寻星失败；
”偏移<R rag“为是，同时开始：湍流监测相机连续拍图，实时处理图像，包括天空背景扣除和同中心矩形孔径划分，计算粗分辨率湍流强度廓线、自由大气层视宁度、等晕角、相干时间；导星相机连续拍图，实时处理图像，包括快速像斑搜索和目标星筛选，利用导寻星算法控制望远镜实现稳像。
其中，寻星算法流程如下：
寻星相机连续采集并处理图像：快速像班搜索，按照面积最大、光强最强标准筛选目标星；
累计时间内，中值滤波目标星象位置，计算位置均值（Cx，Px）；
计算相对于寻星目标位置（Px，Py）的偏移量Δx=Cx-Px; Δy= Cy-Py；
控制赤经轴运动补偿水平偏移量Δx，偏移量大小决定控制速度大小：∣Δx∣>RF1、∣Δx∣>RF2或∣Δx∣>RF3（RF1>RF2>RF3），对应的控制速度为+-VF1、+-VF2或+-VF3；
控制赤纬轴运动补偿水平偏移量Δy，偏移量大小决定控制速度大小：∣Δy∣>RF1、∣Δy∣>RF2或∣Δy∣>RF3（RF1>RF2>RF3），对应的控制速度为+-VF1、+-VF2或+-VF3；
∣Δx∣<RF3和∣Δy∣<RF3，寻星结束。
导星算法流程如下：
导星相机连续采集并处理图像：快速像班搜索，按照面积最大、光强最强标准筛选目标星；
导星方向测试：累积时间内，停止望远镜跟踪，拟合星像运行轨迹，计算与导星相机坐标的夹角θ；
开始导星，计算导星初始坐标，累积时间内目标星斑质心坐标均值：Px, Py；
计算导星当前坐标Cx, Cy；计算导星偏移量：Δx=Cx-Px Δy=Cy-Py；
计算赤经轴赤纬轴补偿量：Δra=Δx*cosθ+Δy*sinθ，Δdec=-Δx*sinθ+Δy*cosθ；对Δra、Δdec进行PID滤波；
控制赤经轴运动补偿Δra，偏移量大小决定控制速度大小：∣Δra∣>RG1、∣Δra∣>RG2或∣Δra∣>RG3（RG1>RG2>RG3），对应的控制速度为+-VG1、+-VG2或+-VG3；
控制赤纬轴运动补偿Δdec，偏移量大小决定控制速度大小：∣Δdec∣>RG1、∣Δdec∣>RG2或∣Δdec∣>RG3（RG1>RG2>RG3），对应的控制速度为+-VG1、+-VG2或+-VG3；
∣Δx∣<RG3和∣Δy∣<RG3，导星结束。
MASS在线计算大气光学湍流参数流程如下：
读取扣除天空背景后的同中心矩形孔径光强原始数据；
同中心矩形孔径光强原始数据滤波：导星相机内有目标星斑，且偏移在有效范围内，原始数据有效；
累计1s计算正常孔径闪耀指数、差分孔径闪耀指数、差分曝光时间闪耀指数和CCD闪耀噪声，并保存数据；
累计1分钟计算所有闪耀指数的均值和标准差，按照当前目标星的光谱类型和天顶角读取权重函数数据表；
利用非负最小二乘法计算粗分辨率湍流廓线{J1 J2 J3 J4 J5 J6}，利用闪耀非负线性组合计算自由大气层视宁度ε0 和等晕角θ0，差分曝光时间闪耀率计算的大气相干时间τ0，并保存数据。
本发明的工作原理及进一步的说明如下：
1、应用于台址监测的大气光学湍流测量仪要求无人值守环境下的全自动运行，通过“观测列表”定义观测流程，控制各设备按照时间顺序执行操作。
可根据观测地点自动生成观测列表，也可根据当日观测任务手动更改观测列表。控制软件读取每日观测列表，控制望远镜、寻星装置、导星装置和湍流测量终端装置观测目标星，连续采集数据并在线处理监测结果，从而实现设备的长期全自动运行。
2、自动化大气光学湍流测量仪软件控制对象包括DIMM和MASS。这些设备均基于小型商用电动控制望远镜，选择配置寻星装置、导星装置和湍流测量终端装置。小型商用电动控制望远镜开放串口通信协议，实现望远镜回零、指向和跟踪功能。由于湍流测量终端装置的视场小，单个目标观测时间长，其受望远镜指向误差和跟踪误差的影响大，且全自动运行过程中无人为干预，所以配备大视场寻星装置保证望远镜每次指向均有目标星，通过寻星算法将目标星引导至小视场主镜内，通过导星算法，补偿跟踪过程中目标天体位置偏移量，稳像于主镜视场内。
3、DIMM的湍流监测相机探测恒星同源双像，在线处理每帧图像，获得高精度质心坐标，修正信号噪声、CCD噪声、有限曝光时间误差，建立数据过滤标准，提高质心差方差换算视宁度精度。
MASS的湍流监测相机高速探测出瞳面恒星光强分布，在线处理每帧图像，得到同中心方形孔径光强，并扣除背景、光子噪声、CCD噪声，统计闪耀率，读取权重函数矩阵列表，通过反演算法获得自由大气层视宁度、等晕角、相干时间和固定高度层湍流廓线。
4、在无人值守情况下，远程控制实现系统调试、异常维护、状态查看和观测数据查看。
定义通信“指令”，即有规定格式的字符串，远程计算机通过网络传送指令给控制软件，控制软件接收指令、解析指令并执行操作。
本发明基于中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所研制的全自动差分视宁度监测仪DIMM和全自动多孔径闪耀传感器MASS，其特点是：
1、为支持中国大型光学红外望远镜台址遴选与监测，差分视宁度监测仪DIMM被安装在高海拔的稻城和慕士塔格，观测环境艰苦，无人值守，全自动运行要求高，未来将安装的多孔径闪耀传感器MASS同样具有此要求。通过观测列表定义观测流程，控制软件持续读取每日观测列表，包括：以观测地点太阳降落和升起作为当日观测开始和终止，不同时间指向天顶附近亮星，控制寻星相机、导星相机、湍流监测相机和望远镜，实现对目标星的有效观测，在线处理保存数据。
2、DIMM和MASS基于小型商用望远镜，极轴与主镜光轴不平行，对DIMM的0.4度湍流监测视场和MASS的16分湍流监测视场有较大影响，为了更换指向时目标星在有效观测视场内，配置了大视场（6.6度）的寻星装置，控制软件控制寻星相机检测目标星，并计算湍流监测视场和寻星视场的固定偏差，闭环望远镜两轴运动补偿指向误差，保证湍流监测相机视场内有该目标天体。由于望远镜装调误差、跟踪误差和户外观测大风天气，为使观测目标保持在较小的湍流监测视场内，控制软件控制导星相机检测目标星，闭环控制望远镜赤经轴补偿跟踪误差。
3、DIMM和MASS的湍流监测相机曝光时间短，5毫秒到10毫秒，取感兴趣区域处理图像，帧率高，DIMM帧率约60，MASS帧率约200，长期观测数据量大，不能保存图像再后处理，控制软件通过高速图像处理算法实时处理图像并丢弃，保存每帧图像有用数据和当前配置文件，一方面，累计时间后计算大气湍流参数结果，另一方面，用于数据再挖掘和再处理。
4、为便于当地观测助手操作DIMM和MASS，控制软件具有人机交互界面，在网络状况好的情况下，远程桌面实现远程控制。但对于户外观测，网络带宽受限，控制软件具有socket通信端口，可以作为服务，接受外部控制指令，执行所有操作，并返回当前状态。
本发明能够在正常观测状态下，通过观测列表实现台址测量设备的全自动运行，并在线获得测量结果。无人值守状态下，通过远程控制，实现系统调试、异常维护、状态查看和观测数据查看。
附图说明
图1是自动化大气光学湍流测量流程图。
图2是DIMM湍流监测流程图。
图3是MASS湍流监测流程图。
图4是寻星算法流程图。
图5是导星算法流程图。
图6是MASS在线计算大气光学湍流参数流程图。
具体实施方式
实施例１，中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所研制的全自动大气光学湍流参数测量仪的软件控制系统。
1、对于“特征”1，观测列表由以下“观测块”逐行组成，观测块格式定义如下：
BLOCKNAME TIME_START TIEM_END RA DEC NAME SPTYPE
其中BLOCKNAME为观测块名称，TIME_START和TIEM_END为该观测块的开始和结束时间，RA和DEC为望远镜指向目标星位置，NAME和SPTYPE为目标星名称和光谱类型。
例如：自动生成的观测列表如下表，该设备观测地点为E70°27‘48“，N40°44’15”，观测时间为2017-6-10。
控制软件按日期读取当日观测列表，依时间顺序逐行执行操作，Park表示望远镜处于静止状态，dimm/mass表示望远镜处于湍流监测状态，观测流程如图1所示。
对于DIMM，湍流监测流程如图2所示，描述如下：望远镜指向目标位置(RA DEC)后，寻星开始连续采集图像，搜索像斑并筛选目标星像，寻星算法计算偏移量后控制望远镜两轴运动，迭代多次，直到寻星像斑在有效视场内。DIMM湍流监测相机开始连续采集图像，实时计算像斑位置，数据处理程序计算视宁度。同时，导星相机开始连续采集图像，搜索像斑并筛选目标星像，导星算法计算导星补偿量，控制望远镜补偿跟踪误差，稳像于监测相机的有效视场内。
对于MASS，湍流监测流程如图3所示，描述如下：望远镜指向目标位置附近，即目标位置加偏置角度，湍流监测相机拍摄天空背景图片，望远镜再次指向目标位置。寻星装置将目标星引导至指定位置。MASS湍流监测相机开始连续采集出瞳面光强分布图像，实时计算自由大气层视宁度、等晕角、相干时间和粗分辨率湍流廓线。同时，导星装置控制望远镜补偿跟踪误差，稳像于监测相机的有效视场内。
2、对于“特征”2，寻星算法流程图如图4，寻星相机连续采集图像，利用斑点检测算法和质心算法计算星斑位置、面积、流量，筛选出面积和流量最大星斑为目标星斑，累计一定时间，中值滤波，计算目标星斑位置均值，与预定义目标位置差值作为寻星偏置，控制望远镜两轴在不同偏置范围按照不同的速度运动，形成闭环控制，最终将目标星斑引导至有效视场内，寻星成功。导星算法流程图如图５，导星相机连续采集图像，图像处理与寻星相机相同，实时计算目标星斑当前位置与初始位置偏差，利用PID滤波，控制望远镜两轴在不同偏置范围按照不同的导星速度补偿，形成闭环控制，最终将目标星斑稳像在初始位置。
3、对于“特征”3，DIMM湍流监测相机设置交替曝光，利用斑点检测算法快速定位视场内所有星斑，扣除环形背景噪声，利用质心算法获得高精度质心坐标，累计1分钟，计算水平和垂直方向２组质心差方差，并扣除信号相关噪声和CCD相关噪声。用修饰指数函数外插长、短曝光视宁度获得零曝光视宁度。为提高视宁度计算精度，建立数据过滤标准，包括像斑质心差在累积图像平均质心差的附近，像斑光强总流量在累积图像平均像斑光强总流量的附近，像斑的椭圆率符合要求，像斑的斯特列尔比符合要求，两组质心差方差比值符合要求。
4、对于“特征”3，MASS湍流监测相机设置binning和ROI获得高帧率，根据同中心方形孔径几何参数计算每帧图像的多孔径光强，并扣除相应的天空背景值，统计１秒内各孔径总光强的正常闪耀率、差分闪耀率、CCD闪耀噪声（包括泊松噪声和CCD读出噪声），保存为原始数据。累计１分钟，计算闪耀率均值，根据当前目标星天顶角和光谱类型读取配置文件中权重函数矩阵，利用非负最小二乘法，反演固定层湍流廓线。由闪耀率的非负线性组合，计算自由大气视宁度和等晕角。由差分曝光时间闪耀率直接计算大气相干时间。算法流程如图6。
5、对于“特征”4，采用基于 Socket 的 TCP/IP 协议，控制软件具有固定 IP 和端口，持续监听该端口的来自外网或局域网内的控制指令，“指令”为具有一定格式的字符串，其格式为：
<ID=d1.id2.id3.id4.id5><ITEM1=val1><ITEM2=val2>…< ITEMn=valn>；
其中ID标识指令，为必选项，由5个正整数（分表表示：设备编号、子设备编号、执行操作、指令发送方向、备用）和符号“.”组成。ITEM为可选项，标识参数名称，val为参数值，一条指令可有多个参数项。
指令“<ID=1.0.1.0.0>;”，表示检查望远镜状态；
指令“<ID=2.3.1.0.0><OPEN=1>;”，表示打开寻星相机；
指令“<ID=2.10.31.0.0><IS_MASS=1>;”，表示MASS终端相机开始湍流监测。
Claims (3)
1.一种自动化大气光学湍流测量仪的软件控制方法，其特征在于，步骤如下：
⑴. 观测列表的生成：可根据观测地点自动生成观测列表，也可根据当日观测任务手动更改观测列表；
⑵. 读取当日观测列表；
⑶. 检查设备状态，包括望远镜、寻星相机、导星相机、湍流监测相机；
⑷. 设备状态为可观测状态，判断当前时间：T now，与观测列表开始和结束时间：Tstart, T end；
⑸. 设备状态为不可观测状态，则进入异常排除程序；排除成功后，判断当前时间：Tnow，与观测列表开始时间：T start；
⑹.T now < T start，则为无观测任务；
⑺.T start < T now < T end，则进入“观测”状态；
⑻.T now > T end，则为结束观测任务；
⑼-1. 进入“观测”状态时，状态为停止状态：望远镜方位与高度为0；
⑼-2. 进入“观测”状态时，状态为湍流监测状态；
步骤⑼-2中，软件控制对象包括DIMM和MASS；
软件控制对象为DIMM时，操作步骤如下：
望远镜指向目标星：坐标RA,DEC；
寻星相机连续拍图，快速图像处理搜索像班，按照面积最大光强最强标准筛选出目标星象；计算当前星像位置相对于目标位置的偏移量，目标位置的有效位置范围为R rag；
“偏移<R rag”为否，寻星算法迭代多次，迭代次数iter，控制望远镜朝向目标位置运动，迭代次数超过5次，则寻星失败；
“偏移<R rag”为是，同时开始：湍流监测相机连续拍图，实时处理图像，包括快速像斑搜索和高精度质心算法，计算视宁度；导星相机连续拍图，实时处理图像，包括快速像斑搜索和目标星筛选，利用导寻星算法控制望远镜实现稳像；
软件控制对象为MASS时，操作步骤如下：
望远镜指向目标星，坐标RA,DEC；偏置位置：坐标RA-bias,DEC-bias；
进入湍流监测相机拍多图，均值为天空背景；
望远镜指向目标星，坐标RA,DEC；
寻星相机连续拍图，快速图像处理搜索像班，按照面积最大光强最强标准筛选出目标星象；
其中，
计算当前星像位置相对于目标位置的偏移量，目标位置的有效位置范围为R rag；
“偏移<R rag”为否，寻星算法迭代多次，迭代次数iter，控制望远镜朝向目标位置运动，迭代次数超过5次，则寻星失败；
“偏移<R rag”为是，同时开始：湍流监测相机连续拍图，实时处理图像，包括天空背景扣除和同中心矩形孔径划分，计算粗分辨率湍流强度廓线、自由大气层视宁度、等晕角、相干时间；导星相机连续拍图，实时处理图像，包括快速像斑搜索和目标星筛选，利用导寻星算法控制望远镜实现稳像；
其中，寻星算法流程如下：
寻星相机连续采集并处理图像：快速像班搜索，按照面积最大、光强最强标准筛选目标星；
累计时间内，中值滤波目标星象位置，计算位置均值（Cx，Px）；
计算相对于寻星目标位置（Px，Py）的偏移量Δx=Cx-Px; Δy= Cy-Py；
控制赤经轴运动补偿水平偏移量Δx，偏移量大小决定控制速度大小：∣Δx∣>RF1、∣Δx∣>RF2或∣Δx∣>RF3（RF1>RF2>RF3），对应的控制速度为+-VF1、+-VF2或+-VF3；
控制赤纬轴运动补偿水平偏移量Δy，偏移量大小决定控制速度大小：∣Δy∣>RF1、∣Δy∣>RF2或∣Δy∣>RF3（RF1>RF2>RF3），对应的控制速度为+-VF1、+-VF2或+-VF3；
∣Δx∣<RF3和∣Δy∣<RF3，寻星结束。
2.根据权利要求1所述的自动化大气光学湍流测量仪的软件控制方法，其特征在于，其中，导星算法流程如下：
导星相机连续采集并处理图像：快速像班搜索，按照面积最大、光强最强标准筛选目标星；
导星方向测试：累积时间内，停止望远镜跟踪，拟合星像运行轨迹，计算与导星相机坐标的夹角θ；
开始导星，计算导星初始坐标，累积时间内目标星斑质心坐标均值：Px, Py；
计算导星当前坐标Cx, Cy；计算导星偏移量：Δx=Cx-Px Δy=Cy-Py；
计算赤经轴赤纬轴补偿量：Δra=Δx*cosθ+Δy*sinθ，Δdec=-Δx*sinθ+Δy*cosθ；对Δra、Δdec进行PID滤波；
控制赤经轴运动补偿Δra，偏移量大小决定控制速度大小：∣Δra∣>RG1、∣Δra∣>RG2或∣Δra∣>RG3（RG1>RG2>RG3），对应的控制速度为+-VG1、+-VG2或+-VG3；
控制赤纬轴运动补偿Δdec，偏移量大小决定控制速度大小：∣Δdec∣>RG1、∣Δdec∣>RG2或∣Δdec∣>RG3（RG1>RG2>RG3），对应的控制速度为+-VG1、+-VG2或+-VG3；
∣Δx∣<RG3和∣Δy∣<RG3，导星结束。
3.根据权利要求1或2所述的自动化大气光学湍流测量仪的软件控制方法，其特征在于，其中，MASS在线计算大气光学湍流参数流程如下：
读取扣除天空背景后的同中心矩形孔径光强原始数据；
同中心矩形孔径光强原始数据滤波：导星相机内有目标星斑，且偏移在有效范围内，原始数据有效；
累计1s计算正常孔径闪耀指数、差分孔径闪耀指数、差分曝光时间闪耀指数和CCD闪耀噪声，并保存数据；
累计1分钟计算所有闪耀指数的均值和标准差，按照当前目标星的光谱类型和天顶角读取权重函数数据表；
利用非负最小二乘法计算粗分辨率湍流廓线{J1 J2 J3 J4 J5 J6}，利用闪耀非负线性组合计算自由大气层视宁度ε0 和等晕角θ0，差分曝光时间闪耀率计算的大气相干时间τ0，并保存数据。
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