儀器設計論文：中學生遠程天文儀器系統(tǒng)設計范文

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作者：杜競杉劉衍志傅慎明林嵐單位：浙江省杭州高級中學浙江大學竺可楨學院浙江工業(yè)大學信息工程學院中國科學技術(shù)大學物理學院

附屬光路的光學系統(tǒng)是口徑6cm、焦距27cm的修正復消色差折射系統(tǒng)；相機為QHYCCDQHY8Pro，探測器為3k*2k彩色CCD，像元大小7.8*7.8um，成像視場5°19’21”*3°44’31”．對焦結(jié)構(gòu)為齒條齒輪式(R&P)．該光路固定使用濾光片BaaderUHC-S．該光路以極短焦距的折射鏡配上大面積的彩色CCD相機，主要可以進行較大視場的天文攝影．主光路遮光筒前端安裝了遮罩，由減速電機驅(qū)動，輕觸開關(guān)限位，可以延緩灰塵積累影響通光．附屬光路前段的遮罩由舵機控制，在拍攝暗流場時充當機械快門．遮罩內(nèi)側(cè)貼有黑色消光絨，也盡量使關(guān)閉時的漏光量降到最低.機架子系統(tǒng)選擇了ParamountME德式赤道儀，固定在豎直鋼管上．

控制和數(shù)據(jù)服務子系統(tǒng)采用二級控制設計．由于微型計算機的操作系統(tǒng)一般禁止直接I/O訪問，故采用主控計算機(一級控制器)發(fā)出指令，各個二級控制器具體執(zhí)行操作，之間通過USB或RS232交互指令的方式．用二級控制設計以“遠程模式”工作的系統(tǒng)也是可靠成熟的．商業(yè)化儀器的二級控制器為內(nèi)置的控制系統(tǒng)，而對于其他儀器和附屬結(jié)構(gòu)，二級控制器集中于單片機（SCM，SingleChipMicrocomputer）中．單片機采用了ArduinoUNO(中央芯片ATmega328)，分為兩片：固定于主控計算機旁的負責圓頂、照明、電源、環(huán)境制冷控制和溫濕度查詢等功能；隨望遠鏡一同轉(zhuǎn)動的負責望遠鏡遮罩的控制．附屬服務和保障子系統(tǒng)包含了遠程天文臺其余的提供其他數(shù)據(jù)和保障的儀器和結(jié)構(gòu)．

圓頂外安裝了一個氣象監(jiān)測器，可以得到實時的溫濕度、天空背景溫度(用以判斷云覆蓋率)、風速等．圓頂內(nèi)通過連接在單片機上的傳感器測量溫濕度．圓頂內(nèi)使用紅外遙控的移動空調(diào)機制冷，防止溫度過高損壞儀器，用連接在單片機上的紅外發(fā)射管模擬遙控器的調(diào)制波實現(xiàn)控制．由于觀測站地處新疆地區(qū)，一旦控制系統(tǒng)發(fā)生故障，維修的成本很大，故在控制和數(shù)據(jù)服務子系統(tǒng)中增加了電話控制模塊，目前實現(xiàn)兩個功能：主控計算機重啟、圓頂及電源的關(guān)閉．在主控計算機死機、網(wǎng)絡連接中斷之時，可以通過該電話控制模塊進行應急操作．

觀測站使用一個2m直徑的4片式全開圓頂，省去了圓頂指向和隨動功能的設計，可以提高穩(wěn)定性．單片機控制帶有偏心輪的舵機實現(xiàn)了對圓頂控制按鈕的按壓．這種結(jié)構(gòu)不改變圓頂控制箱內(nèi)部的接線，并且易于在故障時人工緊急操作．主臺站和調(diào)試臺站分別采用了這種結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的繼電器結(jié)構(gòu)，便于在將來使用中進行比較．

程序設計

由于中學生掌握的天文觀測知識和計算機知識有所限制，設計程序時必須充分考慮到學生使用的實際情況．首先，該系統(tǒng)主要用于中學教育，所以在設計時，我們在盡量簡化用戶操作的同時最大程度地保留各項參數(shù)配置的可見性和可調(diào)整性，而且能讓用戶實時操作并得到反饋，有利于用戶學習和理解觀測中涉及到的各類原理、知識和技能．其次，該系統(tǒng)也能夠按要求執(zhí)行自動觀測，以節(jié)約學生的時間．如圖2，從所處位置上分，本系統(tǒng)的程序可分為主控計算機程序、單片機程序和本地服務器程序等．

1主控計算機

主控計算機上有三類程序：一是用于和儀器通訊的程序集，二是控制系統(tǒng)，三是數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)．用于和儀器通訊的程序集中，和天文儀器通訊的采用了第三方的軟件包如TheSky等.

另外我們也編寫了和單片機通訊的程序．控制系統(tǒng)由用戶界面和內(nèi)核組成．內(nèi)核通過解析文本指令進行操控．我們將該文本指令稱為TABLET(TerminalAutomationBatchLanguageEnvironmentforTelescopes，望遠鏡終端自動化批處理語言環(huán)境)．這樣便完全分離了用戶界面和控制內(nèi)核，可以為不同需求的用戶設計不同的用戶界面．同時，用戶可以用TABLET編寫自動化觀測腳本，實現(xiàn)無人值守觀測．TABLET語句由命令和參數(shù)組成，且通常采用簡單的英文單詞和縮寫，語法簡單．例如，gotomoon表示指向月球，mexp100|20表示主光路相機露光100s，重復20次．另外TABLET還支持循環(huán)結(jié)構(gòu)，在多波段的時序測光中也可以發(fā)揮很好的作用．作為批處理語言，后期可以為例如Gamma暴的地面觀測提供快速反應的支持．

系統(tǒng)的主觀測站位于新疆，按照目前的網(wǎng)絡連接，連接位于杭州的服務器的平均速度約數(shù)十KB/s．如果實時控制，觀測圖像、監(jiān)控圖像等數(shù)據(jù)量很大，像這樣的網(wǎng)絡連接速度很難做到實時回傳．對于觀測圖像，系統(tǒng)于每日清晨掃描數(shù)據(jù)存儲目錄，并壓縮新的或被修改過的子目錄．系統(tǒng)也會在計算機存儲一張FITS格式圖像的同時存儲一份低像素的JPEG圖像作為預覽圖．對于監(jiān)控圖像，系統(tǒng)每隔一段時間抓取一張存儲為JPEG圖像．用戶可以在控制平臺上看到觀測圖像的預覽圖和監(jiān)控抓圖．

2單片機

位于單片機內(nèi)的程序用于直接實施I/O操作，以控制提供附屬服務的儀器．單片機內(nèi)的程序循環(huán)讀取串口字符，按協(xié)議執(zhí)行相應的程序段并向主控計算機發(fā)送反饋．其中，為了保證圓頂和內(nèi)部器材的安全，圓頂開合兩個功能是多線程執(zhí)行的，可以在需要的時候立即中斷.

3本地服務器

本地服務器程序主要部署在本地機房的服務器中，一部分用于用戶管理、認證，一部分用于觀測數(shù)據(jù)的回傳、整理等．按照目前的設計，用戶數(shù)據(jù)庫位于該服務器中，存儲注冊用戶的信息和觀測時間分配．管理員通過上傳觀測時間分配表來限制用戶何時能夠登錄到系統(tǒng)中．控制系統(tǒng)通過和這部分程序交互來驗證觀測者的身份．觀測數(shù)據(jù)的回傳采用了類似網(wǎng)站備份的方法．遠程觀測站的計算機作為FTP服務器，本地服務器每日定時掃描此FTP目錄，發(fā)現(xiàn)新的或被更新過的數(shù)據(jù)壓縮包即將其下載至本地目錄上．原則上，觀測者需等待此過程完成后從本地服務器上下載觀測數(shù)據(jù)，防止直接下載觀測數(shù)據(jù)帶來的網(wǎng)絡堵塞．

4觀測流程

在正式開放階段，系統(tǒng)將按照圖3的方式處理觀測流程．在實時操作中的流程為：

1)觀測申請：用戶根據(jù)自己的需要通過Email等方式提交觀測申請，由管理人員進行評估和審批，決定觀測時間．

2)觀測時間分配：通過審批的申請被編入觀測時間分配表，上傳至用戶管理數(shù)據(jù)庫．

3)登錄觀測系統(tǒng)：用戶登錄觀測系統(tǒng)時驗證權(quán)限，通過后系統(tǒng)進行初始化操作，用戶可以選擇進行實時操作或批量操作．兩種模式可以互相切換．

4)觀測操作：用戶使用觀測系統(tǒng)進行觀測操作．

5)歸位：系統(tǒng)進行復位關(guān)機操作，返回觀測回執(zhí)，并進行數(shù)據(jù)壓縮．

6)數(shù)據(jù)下載：數(shù)據(jù)回傳至杭州服務器后，用戶按照回執(zhí)提供的地址從杭州服務器下載觀測數(shù)據(jù)，并按需下載儲存于數(shù)據(jù)庫中的bias、flat、dark等數(shù)據(jù)．在自動觀測中，用戶在登錄后提交TABLET代碼，程序按代碼完成所有操作．

觀測條件與實踐

1背景天光

2011年7月28日，我們利用安裝調(diào)試的間隙評估了阿克蘇三中臺站的觀測條件．觀測時間約為北京時間5時．中心坐標=22h41m38s，=1°16’20”．以（GuideStarCatalog編號）GSC568:1416，GSC568:1464，GSC568:1298，GSC568:1069*這3顆SDSS系統(tǒng)測光標準星測量了白光、g、r、i四個通道的背景天光，結(jié)果如表1，

2自動觀測實例

2012年3月9-10日，我們在外場調(diào)試臺站（天荒坪站）進行了第一次自動觀測測試．本次觀測過程采用TABLET代碼自動執(zhí)行，拍攝過程中無人值守．觀測使用的控制代碼如圖4所示．觀測時間大約在9日22時30分至10日4時區(qū)間內(nèi)．觀測目標為SXPHE型變星AEUMa．相機溫度約-20℃，共循環(huán)40次，每循環(huán)使用clear，g，r，i，z5個通道，單幅圖像露光90s．觀測結(jié)束時拍攝了10幅暗電流場和10幅偏置場．測光比較星為GSC2998:1166，校驗星（CheckStar，Chk.）為GSC2998:846．圖5-圖10給出了五個通道的時序較差測光結(jié)果．由于觀測時間云量較多，測光誤差較大．Fukugita給出的Sloanz濾光片的截入波長（cut-onwavelength）是841nm，本系統(tǒng)采用的濾光片略有不同，為820nm，仍屬于近紅外波段，受云量和水汽影響很大．觀測中氣象監(jiān)測儀器記錄下的相對濕度保持在80%左右．

3天文攝影樣張

圖11和圖12分別是利用阿克蘇系統(tǒng)主光路拍攝的球狀星團M13和行星狀星云M27的圖像，經(jīng)過彩色合成．圖像拍攝于2011年7月26日．4結(jié)論經(jīng)過設計、安裝和調(diào)試，目前該遠程望遠鏡系統(tǒng)已經(jīng)進入了試觀測階段，可以進行觀測運作了．杭州高級中學的部分學生已初步學習使用該系統(tǒng)并進行了一些觀測活動．我們?nèi)栽诓粩噙M行軟、硬件的開發(fā)和優(yōu)化工作，使該系統(tǒng)能最終穩(wěn)定地進入正式開放階段，為有觀測需要的師生提供服務．