WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Комаров Владимир Владимирович

МЕТОД СИНТЕЗА НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ БОЛЬШИХ ОПТИЧЕСКИХ ТЕЛЕСКОПОВ

Специальность: 05.13.01 – «Системный анализ, управление и обработка информации» (вычислительная техника и информатика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пятигорск – 2012

Работа выполнена на кафедре «Управление и информатика в технических системах» Пятигорского государственного гуманитарнотехнологического университета (ПГГТУ) Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Першин Иван Митрофанович

Официальные оппоненты: Веселов Геннадий Евгеньевич доктор технических наук, профессор, Технологический институт Южного федерального университета г. Таганрог (ТТИ ЮФУ);

Григорьев Валерий Владимирович доктор технических наук, профессор, СанктПетербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики» (СПбГУ ИТМО).

Ведущая организация – Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория Российской академии наук, 196140, г. Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, д.65/1.

Защита диссертации состоится « 22 » ноября 2012 г. в 12 час. 10 мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.208.22 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ) по адресу:

347928, Ростовская область, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Южный федеральный университет»

Автореферат разослан «_____ » октября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор Целых А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация относится к области системного анализа процессов управления телескопами и посвящена решению части крупной научно-технической проблемы построения наблюдательных систем для крупных телескопов, состоящей в оптимизации их параметров и систем управления, используемых для наведения и гидирования телескопов.

Рассматриваются вопросы из области науки и техники, посвященной созданию и эксплуатации больших оптических телескопов с компьютерным управлением наведения и ведения. Изучается проблема точности ведения телескопов с помощью метода гидирования по все более слабым звездным объектам. Решение данной проблемы исследуется, в первую очередь, методами структурного и параметрического синтеза наблюдательных систем для крупных телескопов. Особенностью параметрического синтеза наблюдательных систем в телевизионной астрономии является определение оптимальных значений пространственного и временного разрешения фотоприемников, обеспечивающих потенциальную точность измерения пространственно-временных координат звзд, лимитируемых двумя источниками шумов – фотонными шумами звзд и фона и шумами считывания изображения с твердотельного фотопримника.



Актуальность Астрофизические данные, которые получают астрономы с помощью больших оптических телескопов, порой приходится накапливать часами для достижения требуемого отношения сигнал/шум. Поэтому, точности сопровождения телескопом звездных объектов, изменяющих свое месторасположение в ходе их суточного вращения только за счет механических средств недостаточно при исследованиях на больших временных интервалах.

Необходимо корректировать ведение телескопа (осуществлять гидирование) с целью постоянного возврата исследуемого объекта на ось визирования. Чаще всего методы гидирования используют визуальные наблюдательные системы, которые позволяют вручную вносить поправки в режиме сопровождения. Для больших оптических телескопов такие методы неприемлемы, т.к. в маленьком поле наблюдения может и не оказаться достаточно ярких опорных звезд. Поэтому для основных информационных каналов больших оптических телескопов, и для систем их слежения – наблюдательных систем – характерны проблемы обнаружения вс более слабых объектов на фоне ночного неба. В функции наблюдательных систем и систем управления телескопом входит обеспечение наведения телескопа, отождествления получаемого изображения с эталоном (картой звздного неба), увеличение точности гидирования телескопа. И все это должно работать в режиме автоматизированного управления телескопом.

Отличительной особенностью рассматриваемых систем от основных информационных трактов телескопов является требование работы в реальном времени, обеспечивающей высокое разрешение, не только в пространстве, но и во времени. По сути, мы исследуем распределенный сигнал, при этом, рассматриваемая наблюдательная система телескопа собирает меньшее количество света (меньшее количество информации об изучаемом процессе). Поэтому от данной системы требуется потенциальная помехоустойчивость, понимаемая, как возможность точного измерения пространственно-временных координат и фотометрических характеристик объекта.

Цель и задачи работы Основной целью данной работы является синтез телевизионных наблюдательных систем (подсмотров) на больших оптических телескопах, в том числе и на крупнейшем российском 6м оптическом телескопе БТА. Оптимизация параметров подсмотров и разработка методик для повышения надежности отождествления и точности гидирования телескопов с предоставлением в реальном времени сетевого доступа к телевизионным изображениям с любого рабочего места астронома, включая доступ через Интернет.

Для достижения заданной цели были сформулированы основные задачи данной работы:

1. Анализ особенностей использования телевизионных наблюдательных систем в фокусах оптических телескопов и формирование требований к устройствам отождествления.

2. Систематизация и сравнительный анализ высокочувствительных фотоприемников для отождествления и гидирования астрономических объектов.

3. Статистический анализ характеристик телевизионных наблюдательных систем больших оптических телескопов.

4. Параметрический синтез методов и устройств телевизионных систем для повышения надежности отождествления и точности гидирования телескопов.

5. Оптимизация параметров наблюдательных систем для больших оптических телескопов на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

6. Разработка методик повышения надежности отождествления и точности гидирования телескопов, обеспечивающих в реальном времени доступ к наблюдательному процессу с любого рабочего места астронома, включая доступ через Интернет.

7. Проведение экспериментальных исследований телевизионных наблюдательных систем нового поколения на больших оптических телескопах БТА и Цейсс-1000.

Методы исследования Теоретические исследования проведены с использованием методов математического моделирования систем с распределенными параметрами, с привлечением фотоэлектронной статистики для определения предельных параметров чувствительности и быстродействия наблюдательных систем больших оптических телескопов. Практические исследования связаны с разработкой и исследованием устройств телевизионных систем на российских телескопах БТА и Цейсс-1000.

Достоверность и обоснованность Полученные теоретические результаты и выводы, представленные в диссертации, подтверждены экспериментальными исследованиями по созданию и внедрению устройств комплекса аналого-цифровых телевизионных систем и безотказной работе созданных наблюдательных систем на телескопах БТА и Цейсс-1000 в течение последних десяти лет.

Научная новизна В данном исследовании получены следующие новые результаты:

- решена задача по оптимизации параметров телевизионного подсмотра больших оптических телескопов на основании критерия минимизации ошибок измерения пространственно-временных координат объектов (световых пятен) в системах анализа турбулентных атмосферных искажений волнового фронта;

- получены формулы для оптимального времени кадра и оптимальной пространственной дискретизации. Выявлена зависимость оптимальной кадровой частоты только от временных параметров сигнала. Выявлена зависимость оптимальной пространственной дискретизации не только от пространственных параметров, но и от временных;

- получены численные оценки оптимального времени накопления Tнopt, для которого сохраняется возможность управления параметрами телевизионного подсмотра в реальном времени и которое с учетом инерционности системы управления телескопов составляет для БТА величину около 2/3 сек. Использование этого времени обеспечивает выигрыш в проницающей способности наблюдательных систем БТА около 2 звездных величин с возможностью работы телевизионных подсмотров в реальном времени.

Практическая значимость работы Предложены системные решения (использование единого видеосервера для оцифровки аналоговых видеосигналов комплекса ТВ камер, цифровое управление параметрами ТВ камер) для унифицированного ТВ подсмотра больших оптических телескопов САО РАН, позволившие обеспечить увеличение в 3 – 4 раза чувствительности подсмотровых систем с улучшением проницающей способности подсмотров на 1.5 – 2 зв. величины и с расширением динамического диапазона канала ТВ подсмотра в 6 – 8 раз.

Предложены и внедрены методики быстрого отождествления и коррекции гидирования телескопами по цифровому видеоизображению источников в наблюдаемой звездной площадке исследуемого объекта. В результате на 6м телескопе БТА получено двойное увеличение точности ведения, при котором точность сопровождения объекта достигла 0.угл.сек.

Впервые проведен системный анализ наблюдательных систем больших оптических телескопов, сделаны статистические оценки фундаментальных ограничений на применение малоформатных ПЗС камер в составе ТВ подсмотров, приводящие к значительному понижению стоимости подсмотровой системы.

Впервые в России создана открытая в Интернет ТВ система визуального контроля крупнейшего российского телескопа, которая позволяет:

- получать оцифрованную видеоинформацию как основную об источнике наблюдения и окрестностях наблюдаемого поля, так и вспомогательную: видеоконтроль положения телескопа и контроль облачности и прозрачности неба над БТА;

- повысить надежность отождествления и гидирования наблюдаемых объектов;

- увеличить чувствительность телеподсмотров во всех фокусах;

- реализовать метод автогидирования, а именно – коррекции ведения телескопа по цифровому видеоизображению наблюдаемых объектов или опорных источников в исследуемом поле;

- увеличить концентрацию света от наблюдаемого объекта на щели спектрографов за счет более стабильного гидирования телескопа;

- в реальном времени осуществлять контроль и обработку видеоизображений: сложение кадров (режим накопления видеосигнала), запись в архив (например, документирование в процессе наблюдения положения протяженных объектов на щели спектрографов) и др.;

- в реальном времени получить доступ к телевизионным изображениям с любого рабочего места в локальной сети САО и Интернет;

Вышеперечисленные методики можно применить и для других больших оптических телескопов (например, Крымской станции ГАИШ, в ГАО, станция Терскол ИНАСАН, а также Цейсс-1000 САО).

Основные положения, выносимые на защиту 1. Методика оптимизации параметров наблюдателя по критерию минимума ошибки сопровождения объекта.

2. Методика автогидирования телескопа по цифровому видеоизображению поля.

3. Статистические оценки фундаментальных ограничений на применение типовых ПЗС камер в составе ТВ подсмотров больших оптических телескопов 4. Методика определения параметров надежности визуального контроля крупных оптических телескопов.

Реализация и внедрение Реализация и внедрение наблюдательных систем отмечены в отчте Бюро научного Совета по астрономии ОФН РАН:

«Впервые в России разработана и введена в эксплуатацию открытая в Интернет телевизионная система визуального контроля крупнейшего российского телескопа БТА позволяющая как оператору, так и наблюдателям контролировать в удаленном режиме состояние и работу основных систем телескопа, наведение, управление и астроклиматические условия.» // Отчт Бюро научного Совета по астрономии ОФН РАН от 22.12.2005г. о важнейших достижениях астрономических исследований в России в 2005г.





Апробация работы Основные результаты исследования были представлены и обсуждались на следующих российских и международных конференциях:

- Международная астрономическая конференция JENAM-2000 (Москва, 2000), - IX международная конференция «Математика, компьютер, образование» (Дубна, 2002), - Всероссийские научные конференции «Научный сервис в сети Интернет» (Новороссийск, 1999, 2000, 2002, 2004, 2006г.г.), - XVIII, XIX и XX международные конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2004, 2006, 2008г.г.), - IV и VI рабочее общероссийское совещание-семинар Информационные системы в фундаментальной науке (п. Нижний Архыз, 2007г. и 2009г.), - Международная астрономическая конференция Динамика тел солнечной системы (Томск, 2008), - Международная конференция Большие оптические телескопы (п. Нижний Архыз, 2011), - Международная конференция "Математическая физика и е приложения" (Пятигорск, 2012г.) Публикации По материалам диссертации опубликовано 26 научных работ, в том числе 10 статей, из них 4 статьи опубликованы в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий ВАК, в которых опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, 4 статьи в англоязычных реферируемых изданиях, 15 публикаций в сборниках материалов международных конференций и трудах Всероссийских научных конференций, одна работа издана в виде препринта САО РАН.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 118 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 1страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 11 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновываются актуальность проблемы, формулируется цель и задачи работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 анализируется современное состояние наблюдательных систем на крупнейших оптических телескопах мира и их роль для задач отождествления и гидирования в процессе проведения дистанционных астрономических наблюдений. Рассматривается проблема увеличения проницающей способности и динамического диапазона астрономических подсмотров для обеспечения задач отождествления и гидирования на больших оптических телескопах.

Более конкретно – в наблюдаемом поле телескопа при высоком разрешении может и не оказаться ярких объектов, поэтому, чтобы уверенно отождествляться в исследуемой площадке по слабым объектам (до уровня фона), а также, чтобы иметь возможность гидирования по слабым объектам, необходимо повышать чувствительность наблюдательных систем. В поле наведения телескопа попадают объекты с большим перепадом яркости, поэтому подсмотры должны работать в широком диапазоне освещенностей.

Повышение чувствительности подсмотра связано с реализацией надежного обнаружения предельно слабых источников при отождествлении объектов в исследуемой площадке наведения телескопа на заданный объект. Надежность обнаружения в данных задачах определяется как эксплуатационными режимами телевизионных ПЗС камер, так и алгоритмами и программами цифровой обработки телевизионных изображений.

Для корректной разработки выше означенных эксплуатационных режимов и алгоритмов обработки видеоизображений выполнено обоснование работы телевизионной наблюдательной системы на больших оптических телескопах САО.

Цифровые форматы видеоизображений от телеподсмотров телескопа обеспечивают эффективную передачу цифровой видеоинформации для последующей дистанционной обработки изображений в реальном времени.

Обзор современного состояния наблюдательных систем на крупнейших оптических телескопах показывает, что существуют определенные типовые схемы их работы. Так, для каналов подсмотра поля и щелей спектрографических комплексов подсмотровая система является частью данных комплексов (рис.1).

Рис.1 Типовая схема наблюдательной системы спектрометрических комплексов Камера с датчиком изображения, как правило, в термокожухе и контроллер камеры с электронным блоком располагаются на спектрографе. Там же или рядом в фокусе находится устройство для согласования передачи данных по оптоволокну или другим линиям связи в аппаратную, откуда ведется управление наблюдениями. Изображение подсмотра поступает на видеоконтрольное устройство или рабочий компьютер. Там же может осуществляться контроль параметров подсмотровой системы и производиться управление ее работой.

Данная схема является типовой для последних введенных в строй телескопов и инструментов к ним. Для телескопов, работающих раньше 90-х г.г., сохраняется другая типовая схема, показанная на рис.2.

Рис.2 Типовая схема наблюдательной системы для телескопов до 90-х г.г.

Телевизионный сигнал подсмотра передается по линиям связи в аппаратную телескопа на видеоконтрольное устройство для визуального наблюдения. Кроме того, телеподсмотр может входить в систему телевизионного гидирования телескопа.

Возможность оцифровки телевизионного сигнала позволяет осуществлять контроль за работой наблюдательной системы с помощью компьютера. При этом (рис.3) видеоконтроллер располагают или непосредственно в фокусе рядом с подсмотром, как это делается на 10м телескопах Keck I&II, или видеосигнал по линиям связи поступает в систему цифровой обработки, как на БТА.

Рис.3 Наблюдательная система с цифровой обработкой видеосигнала Задача гидирования по цифровым видеоизображениям требует унификации телевизионных подсмотров (унифицированные интерфейсы) всех наблюдательных приборов на большом телескопе. Поэтому анализ наблюдательной системы, разработка (рациональных блок-схем видеокамер, технологических режимов работы, создание алгоритмов и программ цифровой обработки изображений) телеподсмотров наряду с означенными выше требованиями, должна учитывать и возможности подобной унификации.

Далее в данной главе, на основе проведенного анализа современного состояния подсмотровых систем на крупнейших оптических телескопах мира и насущных требований для унифицированного подсмотра и гидирования на комплексе БТА-Цейсс 1000, формулируются цели и задачи данного диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена системному анализу процессов управления телескопами и синтезу наблюдательных систем для оптимизации параметров рассматриваемых систем и систем управления, используемых для наведения и гидирования телескопов.

Общая схема системы управления и наблюдения на российском 6м оптическом телескопе БТА может быть описана с помощью регулятора (рис.4).

Рис.4 Общая схема системы управления и наблюдения на БТА При наблюдении слабых объектов астрономические телеподсмотры работают в режиме предельной одноэлектронной чувствительности, когда изображения звезд формируются небольшим числом одноэлектронных событий и сильно флуктуируют.

Дифракция фазо-флуктуирующего поля от точечного объекта на полной апертуре телескопа создает в его фокальной плоскости результирующее поле:

V (x,t, ) c H (x,t, )exp( xx )d x f где H(x,t, ) VM exp[ jФ(x,t, )]M (x ) - зрачковая функция, x (x, y) - координаты в плоскости изображения, 1,| x | D / M (x ) - апертурная функция телескопа диаметром D, 0,| x | D / f – фокус телескопа, с – комплексная константа, |c| = 1/f.

Известно, что мгновенная интенсивность светового поля в изображении точечного источника S(x,t, ) |V (x,t, ) |является функцией рассеяния точки (ФРТ) системы «атмосфера + телескоп», которая флуктуирует в пространственно-временной области, создавая тем самым спеклинтерферометрическую картину (рис.5) в изображении точечного объекта, наблюдаемого сквозь турбулентную атмосферу.

Мгновенное изображение точечного объекта представляет собой 2М интерференционную картину из совокупности L ~ (D/r0)2 пятен (тождественно – спеклов) с характерным размером кружка Эри f/D, а сами спеклы рассеяны в пределах области размером f/r0.

Рис.5 Спекл-нтерференционная картина S(x,t).

Оптическое изображение в фокальной плоскости телескопа 4IM D 0.4M SM SM 2 10 Id d преобразуется входным фотокатодом подсмотра в поток первичных фотоэлектронов:

= 10-0.4MI0 ATD2/d2, которые в процессе дальнейшего электронно-оптического преобразования в ЭОПе образуют на мишени видиконного фотоприемника (SIT) или на ПЗС матрице (CCD) зарядовый рельеф, пропорциональный интенсивности оптического изображения.

В телевизионной камере I-SIT (ЭОП + видикон) или I-CCD (ЭОП + ПЗС) в процессе поэлементного считывания мишени или ПЗС матрицы зарядовый рельеф преобразуется в видеосигнал, статистические характеристики которого определяют качество наблюдаемого изображения.

Фон неба, термоэлектронная эмиссия первого фотокатода, процесс поэлементного считывания, усиление и оцифровка видеосигнала вносят в процесс фотодетектирования аддитивные шумы, которые снижают контраст в изображении.

Суммарный шум дается выражением 2 2 2 2 M Ф t ш К а отношение сигнал/шум S/N = /, с учетом = М2 дает nM S / N 22t ш ФК ММММ Задав 10% -ю погрешность отклонения от пуассоновского распределения / N 0.1, можно оценить диапазон изменения и Т, при которых обеспечивается пуассоновский режим фотодетектирования.

Численные оценки для фокусов телескопов БТА и Цейсс-1000 показывают, что рабочая область ТВ подсмотра, фотопреобразующий процесс которой характеризуется пуассоновской статистикой первичных фотоэлектронов, охватывает значительную долю наблюдаемых с помощью ТВ подсмотра звезд на телескопах. Для протяженных объектов эти ограничения менее жесткие.

Для первичного фокуса БТА диапазон яркостей звезд характеризуется величиной V = 15m. Для канала ТВ подсмотра с ЭОП+ПЗС M ~ 3e rms, (S / N)15 ~ n15 ~ 3.

При пуассоновской статистике P(n) = n exp(– ) / n! наиболее вероятно среднее значение сигнала , около которого он флуктуирует с дисперсией var(nM) = = M2 = (rms)2, где и (rms) – среднеквадратическое значение флуктуаций.

В этом случае отношение сигнал/шум nM S / N nM / var(n) nM M.

nM Подставив среднее число первичных фотоэлектронов в объеме АТ от звезды М-ой звездной величины, получим M = (10-0.4M I0 ATD2/d2)1/2.

Для = 0.05, = 0.5, = 3103, = 2угл.сек., d = 0.24мм, T = 0.02c, АТ ~ 210-7см2сек :

M ~ 310-M/5 103e rms.

Тогда предельные зв. величины, наблюдаемые на БТА с помощью ТВП, таковы:

( = 2угл.сек.): I-SIT: Mmax ~ 16.7 ICCD: Mmax ~ 16.9, ( = 1угл.сек.): I-SIT: Mmax ~ 18.2 ICCD: Mmax ~ 18.4.

Для слабых звезд (V 15m), чтобы получить бльшее отношение S/N, требуется либо усреднение по большому числу ТВ кадров, либо увеличение времени накопления в ПЗС.

Делается вывод, что статистический анализ параметров ТВ подсмотров БТА и Цейсс1000 в рамках принятых приближений указывает ограничения, накладываемые на метод ТВ наблюдения неба сквозь турбулентную атмосферу. Действие основных ограничивающих факторов телеподсмотров, таких как узкий динамический диапазон и низкое отношение сигнал/шум при наблюдении слабых звезд, можно значительно ослабить, если применять приемники изображения с большим размером пиксела (с бльшей электронной емкостью ПЗС) при одновременном снижении темнового тока за счет охлаждения ПЗС и увеличении длительности экспозиции (накопление на ПЗС).

Итак, теоретическое рассмотрение показало, что использование приемников с большой электронной емкостью ячейки ПЗС матрицы и охлаждение ПЗС с накоплением на ПЗС позволяют использовать малоформатные ПЗС в подсмотрах больших оптических телескопов с заданными граничными условиями.

В главе 3 на примере крупнейшего в России 6м оптического телескопа БТА рассмотрена типовая модель телевизионной наблюдательной системы и методика оптимизации параметров данной модели, исходя из критерия минимизации ошибки сопровождения объекта. Исследование модели проводится методами структурного и параметрического синтеза наблюдательных систем для крупных телескопов. Особенностью параметрического синтеза наблюдательных систем в телевизионной астрономии является определение оптимальных значений пространственного и временного разрешения фотоприемников, обеспечивающих потенциальную точность измерения пространственно-временных координат звзд, лимитируемых двумя источниками шумов – фотонными шумами звзд и фона и шумами считывания изображения с твердотельного фотопримника.

Более конкретно - оптимизируем параметры фотоприемника, исходя из критерия минимизации ошибки сопровождения объекта ( min ) для модели телевизионной оптической системы, в которой учитываются величина фотонных потоков на ее входе (рис.6).

Используемый критерий – минимум средне-квадратичного отклонения (СКО), по которому определен минимум ошибки измерения пространственно-временных координат и соответствующие ему оптимальное время кадра Tкopt и оптимальная пространственная дискретизация opt.

Априорной информацией являются параметры звезд, имеющих звездную величину m и кружок рассеяния d, наблюдаемых с помощью фотоприемника с апертурой A и с максимальной частотой считывания телевизионной камеры Fсч max в фокальной плоскости телескопа диаметром D.

Рис.6 Обобщенная модель наблюдателя на больших оптических телескопах где x(t) – процесс движения визирной оси в окрестности требуемой кривой движения телескопа с дисперсией шума 2 = 2м + 2ф + 2т + 2ш + 2к.

Вклад в общую ошибку сопровождения вносят пространственно-временные ошибки сопровождения лин и шумовые ш :

= лин + ш, где лин = x + y + t.

Пространственные ошибки процесса x(t) можно представить следующим образом:

x = (x/Rx)2, y = (y/Ry)2, где Rx, Ry – пространственные интервалы корреляции процесса x(t), – элемент разложения фотоприемника или размер пикселя.

Учет временных ошибок позволяет найти время кадра Tк. Оптимальное для нашего случая значение временной ошибки t, при временном интервале корреляции Rt будет:

t = Tк/Rt.

Учет шумовой ошибки в первом приближении можно определить по формуле Вудвода, устанавливающей связь среднеквадратичной ошибки ш с кружком рассеяния оптического изображения d и с отношением сигнал/шум : ш = d2/ 2.

Для нашей модели ш = d2/( 2 Tк Q), где Q – параметр освещенности, – эквивалент величине накопленного заряда после преобразования «фотон электрон».

Объекты сопровождения в телевизионном кадре наблюдательной системы – это, как правило, звездные изображения с кружком рассеяния d, поэтому пространственные интервалы корреляции процесса x(t) можно задать в виде: Rx = Ry = d.

Пусть x = y = , тогда = 2(/d)2 + Tк/Rt.+ d2/(2 Tк Q).

Результатом решения будут оптимальные opt и Tкopt, при которых min(,Tк).

Значение min можно найти из условия:

d /d = 0, d /dTк = 0.

Существуют известные решения задачи минимизации ошибок измерения пространственно-временных координат световых пятен в системах анализа искажений волнового фронта, возникающих в силу турбулентности атмосферы. Наш вариант отличается от этих решений тем, что мы рассматриваем решение двумерной задачи – одновременное рассмотрение данного процесса во времени и в пространстве фокальной плоскости для детерминированного процесса с интервалами корреляции Rx, Ry и случайного процесса с интервалом корреляции Rt.

В результате получаем формулы для оптимального времени кадра Tкopt и оптимальной пространственной дискретизации opt:

Tкopt = Rt2/3(2/Q)1/3, opt = d/(21/3(Q Rt)1/6), достаточные для выбора оптимальных параметров фотоприемника в системах ТВ подсмотров для больших оптических телескопов. При рассмотрении двумерной задачи одновременно во времени и в пространстве выявлена зависимость оптимальной кадровой частоты только от временных параметров x(t), а оптимальной пространственной дискретизации – не только от пространственных параметров, но также и от временных. Отсюда получаем новый результат:

opt ~ 1/Rt1/6.

Кроме того, аналитическое решение x,y min = t min = ш min = (2/Q Rt)1/показывает, что рассматриваемая модель информационно сбалансирована и все источники ошибок одинаково влияют на конечную точность, что является признаком правильно построенной системы.

Оптимизируя параметры систем слежения больших оптических телескопов, а именно – телевизионных наблюдателей, мы можем варьировать только параметрами пространственновременной дискретизации. При этом выявлено, что оптимальные параметры пространственной дискретизации наблюдателя зависят не только от пространственного разрешения оптической системы канала слежения, но и от временного спектра возмущений часового ведения телескопа, а оптимальная временная дискретизация (кадровая частота) определяется не только временным спектром возмущений часового ведения, но и пространственным разрешением оптической системы канала слежения.

Полученные с помощью данной методики формулы для оптимальных пространственной и временной дискретизации телевизионного наблюдателя на больших оптических телескопах позволяют подобрать такие параметры, которые обеспечат возможность слежения за предельно слабыми объектами.

Также в этой главе описываются и обосновываются системные и схемотехнические решения, возникающие при разработке архитектуры и структурных схем цифрового комплекса телеподсмотров для БТА. Суть архитектурных решений состоит в следующем: 1.

Все аналоговые сигналы подсмотров сводятся в единый видеосервер, где производится оцифровка и обработка текущих изображений. 2. Формирование сигналов коррекции гидирования производится в реальном масштабе времени. 3. Формирование серии изображений подсмотров осуществляется с доступом через стандартные протоколы в ОС Linux.

Общая архитектура наблюлюдательного комплекса БТА представлена на рис.7.

Аналоговые видеосигналы от всех телевизионных камер БТА поступают из фокусов по коаксиальным (75 Ом) линиям связи длиной 150 - 200 м. в аппаратную БТА в видеосервер для дальнейшей оцифровки, компьютерного контроля и обработки изображений наблюдаемых объектов. Коммутация телекамер при работе с контроллером – грабером видеоизображений – осуществляется физически с помощью линий связи и программно – в видеосервере. В качестве встроенного видеоконтроллера, позволяющего оцифровывать одновременно до 4-х ТВ сигналов, был выбран грабер VS-56, а в дальнейшем более быстродействующий грабер VS-60 фирмы «Видеоскан» (г. Москва).

Рис.7 Наблюдательная система БТА Полученные и обработанные на видеосервере изображения могут быть теперь доступны всем участникам наблюдательного процесса для научного анализа, что является важным дополнительным научным потенциалом наблюдений, который раннее не использовался.

Глава 4 посвящена разработке методик, алгоритмов, программных и аппаратных интерфейсов для дистанционного управления унифицированными ТВ подсмотрами и для формирования сигналов коррекции гидирования 6-м телескопа.

Разработаны программы, которые позволяют удаленному от телескопа пользователю работать точно с такими же возможностями, что и непосредственно на БТА. Благодаря этому стало возможным получение доступа к видеосерверу БТА с любого рабочего места в компьютерной сети САО, достигнут дистанционный контроль ТВ каналов телескопа.

Аналогично можно вести наблюдение за работой 4-х подключаемых к видеосерверу работающих телеканалов, производить накопление сигнала выбранного телеподсмотра и производить его уже независимую обработку на своем компьютере. Записывать одиночные кадры или результат покадрового накопления с сохранением изображений в стандартных форматах (FITS, GIF, JPEG).

Разработана методика коррекции гидирования БТА по цифровому видеоизображению поля исследуемого объекта на основе рационального выбора минимизации ошибок при ограничении частоты считывания. Методика автогидирования телескопа по цифровому видеоизображению поля основывается на поиске подходящего объекта, выбираемого в качестве опорного. Вычисляется область, занимаемая данным объектом, и задается величина минимального значения данной области. Центр тяжести опорного объекта устанавливается ноль-пунктом и после этого несколько раз в секунду снимаются отсчеты рассогласования ноль-пункта с реальным перемещением центра тяжести данного объекта. Усредненное значение рассогласования за время около 2 секунд передается в систему управления телескопом для коррекции его движения и возврата центра тяжести опорного объекта к нольпункту.

Внедрение методики в практику наблюдений на БТА, использующих ТВ подсмотры, позволило повысить точность непрерывного удержания объекта в заданных координатах в раза и довести ее до 0.1 угл.сек. (кривые 2 на рис.8).

Рис.8 Точностные характеристики ведения телескопа БТА при использовании методики коррекции гидирования БТА по цифровому видеоизображению поля исследуемого объекта.

Проведены экспериментальные исследования для различных вариантов построения ТВ подсмотра (по сопряжению отдельных блоков ТВ подсмотра, по способу охлаждения ПЗС матриц и выбору компромиссного значения времени накопления на ПЗС матрице), чтобы принять инженерно обоснованное решение по созданию унифицированных ТВ подсмотров для больших оптических телескопов. Поскольку для отождествления и гидирования в фокусах БТА необходим предел чувствительности до фона безлунного неба около 21-ой звездной величины с временными выборками от 25 кадр/с до одного кадра за 10-20 секунд, где неохлаждаемые ПЗС-матрицы еще могут работать, очевидны два пути решения этой задачи: а) использовать ПЗС камеры с глубоким (до –40°С…–50°С) охлаждением и длительным (до 10сек…60сек) накоплением света и, б) использовать ЭОП + ПЗС (ICCD) системы – неохлаждаемые без накопления или охлаждаемые с накоплением. Результаты экспериментальных исследований показали хорошее согласие с модельными расчетами унифицированных ICCD-телеподсмотров как для БТА, так и для Цейсс-1000 (рис.9).

Рис.9 Экспериментальные исследования унифицированных ICCD подсмотров на примере отождествления объектов NGC7790 при различном накоплении кадров телеподсмотра.

Делается вывод о том, что новое поколение подсмотров для БТА и Цейсс-10необходимо унифицировать на базе программно управляемых накопительных ТВ камер, применение которых дает возможность повысить проницающую способность подсмотров на 1.5 – 2 зв величины, а динамический диапазон увеличить на 2 зв. величины (рис.9).

Глава 5 посвящена практическому внедрению результатов, описанных в предыдущих главах. Для обеспечения потенциальной точности гидирования телевизионными методами проведена оптимизация параметров ТВ системы коррекции гидирования. На основании численных оценок определено оптимальное временя накопления Tнopt, для которого сохраняется возможность управления параметрами телеподсмотра в реальном времени и, которое, с учетом инерционности системы управления телескопа, составляет для БТА около 2/3 сек. С учетом данных оценок были предложены методы и устройства телевизионных подмотров для конкретных больших оптических телескопов БТА и Цейс-1000.

Каждую ночь в наблюдениях на телескопах участвуют до десятка необслуживаемых телевизионных систем. Одновременное поддержание в работоспособном состоянии на БТА и Цейсс-1000 более десятка телевизионных систем в наших условиях оправдывает себя только тогда, когда системы идентичны или унифицированы.

В этой главе описываются последние разработки ТВ систем, созданных на базе унифицированных телеподсмотров. Внедрение таких систем на оптических телескопах БТА и Цейсс-1000 уже повысило проницающую способность подсмотров на 1.5 – 2 зв. величины, а динамический диапазон был увеличен на 2 зв. величины по сравнению с предыдущими вариантами подсмотров (рис.10).

Рис.10 Наблюдаемое улучшение значения величины сигнал/шум при оптимизации параметров наблюдательных систем.

Компьютерное управление параметрами подсмотра спектрографа UAGS на 1м телескопе Цейсс-1000 дает возможность увеличивать время накопления на ПЗС до 2048 кадров (экспозиция до 40 секунд) с дискретностью предустановки 1 кадр (1/50 сек).

Термоэлектронное охлаждение ПЗС в подсмотре спектрографа UAGS понизило уровень шума и полностью устранило свечение «горячих» пикселов при увеличении времени накопления на ПЗС до 40 секунд. При этом значение сигнал/шум наблюдаемых объектов в данном подсмотре повысилось в 1.5 раза по сравнению с неохлаждаемым подсмотром при прочих равных условиях (рис.8).

Другие новые ТВ подсмотры – телегиды БТА и Цейсс-1000 стали просты и надежны в эксплуатации, имеют большой динамический диапазон для обеспечения наблюдений, как в безлунное время, так и полнолуние. Позволяют уверенно отождествлять объекты от 0m до 18m. Компьютерное управление в среде Linux позволяет использовать телегиды в качестве сетевого прибора с доступом к видеоизображениям телегида с любого компьютера в локальной сети САО и Интернет.

На базе унифицированных ТВ подсмотров разработаны и внедрены в эксплуатацию уникальные ночные ТВ системы "ВСЕ НЕБО" с полем зрения 180 и 140 градусов для дистанционного мониторинга в реальном времени ночного состояния облачности. Системы работают с автоматической коррекцией ее основных параметров для работы в необслуживаемом режиме.

Разработана методика определения параметров надежности визуального контроля крупных оптических телескопов, учитывающая специфику ПЗС камер. Программа обработки получаемых видеоизображений использует принцип регулирования накопления кадров (по шумовой характеристике снимка) и вычитание темнового фона.

Разработана программа bta_sky, в алгоритме которой подобран приблизительный расчет геометрических искажений камеры. Реализован интерфейс с возможностью наложения координатной сетки RA/Dec, конфигурации созвездий и положения основных звезд из каталога FK5. Изображение либо рисуется прямо в JPEG-картинке камеры, либо создается прозрачная PNG-картинка для последующего наложения в web-браузере.

Разработана процедура архивирования и сохранения ежечасных ночных кадров за последний месяц. Информация о состоянии облачности передается непрерывно в течение темного времени суток на домашнюю страницу сервера zserv.sao.ru. Каждый час оцифрованные изображения сохраняются в архив для последующего просмотра с сохранением в течение последних 30 календарных суток.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

Настоящая работа посвящена анализу и синтезу наблюдателей в телевизионной астрономии, разработке методик и оптимизации устройств телевизионных наблюдателей на больших оптических телескопах, включая 6м телескоп БТА, с целью повышения надежности отождествления и точности ведения телескопов телевизионными методами.

Предложены и внедрены методы и устройства телевизионных подмотров для большого 6м оптического телескопа БТА, что позволило повысить надежность отождествления и, практически, достигнуть потенциальной точности гидирования на нем. Количественные оценки делались для конкретных оптических телескопов: БТА и Цейсс-1000, но разработанные схемы и методы могут найти применение во многих обсерваториях.

Наиболее важными результатами, полученными в данной работе, являются:

1. Получены аналитические зависимости определения оптимальных параметров пространственно-временной дискретизации в фотоприемнике для ТВ подсмотров больших оптических телескопов. Сделаны численные оценки по выбору оптимального времени накопления Tнopt, для которого сохраняется возможность управления параметрами телеподсмотра в реальном времени и, которое, с учетом инерционности системы управления телескопа, составляет для БТА около 2/3 сек.

2. Показано, что для задач наведения телескопа и отождествления исследуемых объектов по видеоизображению ТВ подсмотров БТА до 17-19 зв. величины (в зависимости от фокуса телескопа и качества изображения) можно использовать высокочувствительные малоформатные ПЗС матрицы с компьютерным управлением.

3. Разработана методика коррекции гидирования БТА по цифровому видеоизображению поля исследуемого объекта на основе рационального выбора минимизации ошибок при ограничении частоты считывания. Внедрение метода в практику наблюдений на БТА, использующих ТВ подсмотры, позволило повысить точность непрерывного удержания объекта в заданных координатах в 2 раза и довести ее до 0.1 угл.сек.

4. Разработаны унифицированные ТВ подсмотры для больших оптических телескопов САО. Проведенные исследования показали повышение проницающей способности подсмотров для телескопов БТА и Цейсс-1000 на 1.5– 2 зв.величины, в зависимости от качества изображения, что привело к повышению чувствительности в 4 – 5 раз.

5. Разработано программное управление ТВ устройств, которое позволило расширить динамический диапазон ТВ подсмотров в 6 – 8 раз (на 2 – 2.5 зв. величины).

6. На базе унифицированного ТВ подсмотра разработаны и внедрены в эксплуатацию на БТА автоматизированные, необслуживаемые ТВ системы «Все небо» с полем зрения 180° и 140° для дистанционного мониторинга в реальном времени ночного состояния облачности.

Разработан интерфейс наложения на реальные изображения координатной сетки RA/Dec, конфигурации созвездий и положения основных звезд из астрономического каталога FK5.

7. Разработана методика быстрого отождествления звездных площадок, на которые наводится телескоп по цифровому видеоизображению ТВ подсмотра. Внедренный метод отождествления в практику наблюдений на БТА позволяет сократить время отождествления исследуемых звездных площадок с нескольких минут до нескольких секунд.

8. Предложена и реализована возможность удаленного доступа в реальном времени к видеосети телескопов САО, включая доступ через Интернет.

И так, поставленная задача синтеза наблюдательных систем больших оптических телескопов решена, решение опробировано, результаты внедрены на двух крупнейших российских оптических телескопах БТА и Цейс-1000.

Публикации по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Комаров В.В., Фоменко А.Ф., Шергин В.С. ТВ-система «Все небо» для мониторинга ночной облачности // Прикладная физика N5, 2007, с. 130-134.

2. Комаров В.В., Фоменко А.Ф. Статистические оценки фундаментальных ограничений на применение типовых ПЗС-камер в составе ТВ-подсмотров больших оптических телескопов // Астрофизический бюллетень, 62, N1, 2007, с.102-116.

3. Комаров В.В., Комаров А.В. Цифровые отечественные ПЗС-камеры для оптических телескопов // Прикладная физика N4, 2008, с. 142-146.

4. Комаров В.В. EM-CCD CCTV-камера — исследование по небесным объектам // Прикладная физика N2, 2012, с. 99-103.

Статьи в журналахи сборниках научных трудов:

5. Витковский В.В., Желенкова О.П., Калинина Н.А., Князев А.Ю., Малькова Г.А., Павлов С.В., Романенко В.П., Черненков В.Н., Шергин В.С. Компьютерно-информационная база учебно-научного центра коллективного пользования "Наземная астрономия" // Математика, компьютер, образование, Сб.научных трудов, – М.: «ПрогрессТрадиция», 1999, с.91-93.

6. V.Vitkovskij, V.Chernenkov, A.Ivanov, V.Gurin, N.Kalinina, V.Komarov, S.Moiseev, A.Nazarenko, V.Shergin, O.Zhelenkova. The remote access system for the largest Russian Telescopes BTA and RATAN-600 (Система дистанционного доступа крупнейших российских телескопов БТА и РАТАН) // Baltic Astronomy, v.9, No 4, 2000, pp.527-531.

7. V.V. Komarov, V.V. Vitkovskij, V.V. Vlasyuk, A.F. Fomenko, V.S. Shergin. A digital TV complex of the 6m optical telescope BTA for identification of astronomical objects and guiding (Цифровой ТВ комплекс 6м оптического телескопа БТА для отождествления астрономических объектов и гидирования) // Bull. Spec. Astrophys. Obs., 2002, 53, p.134-143.

8. V.V. Komarov, V.V. Vitkovskij, A.F. Fomenko, N.A.Fomenko, V.S. Shergin. Inside/Outside dome monitoring video system of the 6m optical telescope BTA (Внутренние и внешние видеосистемы мониторинга 6м оптического телескопа БТА) // Bull. Spec. Astrophys.

Obs., 2002, 54, p.134-139.

9. Комаров В.В., Витковский В.В., Фоменко А.Ф., Шергин В.С. Цифровая видеосеть 6-ти метрового оптического телескопа в системе Пользователь – Интернет - Телескоп // Математика, компьютер, образование, Сб.научных трудов, вып.9, ч.1, 2002, с.124-128.

10. A.F. Fomenko, V.V. Komarov, V.N. Komarova, N.A. Fomenko. New ICCD guiding camera for the spectrograph UAGS of the telescope Zeiss-1000 (Новая ЭОП+ПЗС подсмотровая камера для спектрографа УАГС на телескопе Цейсс-1000) // Bull. Spec. Astrophys. Obs., 2003, 55, p.143-147.

Публикации в сборниках научно-технических конференций:

11. Витковский В.В., Комаров В.В., Фоменко А.Ф., Шергин В.С. Видеосеть БТА САО РАН с теледоступом к процессу астрономических наблюдений // Труды Всероссийской научной конференции "Научный сервис в сети Интернет", Новороссийск, 2000, с.138.

12. Комаров В.В., Витковский В.В., Власюк В.В., Фоменко А.Ф., Шергин В.С. Цифровой телевизионный комплекс БТА САО РАН // Препринт САО N150Т, 2002.

13. Комаров В.В., Витковский В.В., Фоменко А.Ф., Фоменко Н.А., Черненков В.Н., Шергин В.С. On-line мониторинг ночного неба над БТА // Труды Всероссийской научной конференции "Научный сервис в сети Интернет", Новороссийск, 2002, с.185.

14. Комаров В.В. ТВ комплекс 6м оптического телескопа БТА как элемент дистанционных астрономических наблюдений // Труды Всероссийской научной конференции "Научный сервис в сети Интернет", Новороссийск, 2003, с.18-19.

15. Шергин В.С. и Комаров В.В. Астрономические ТВ-камеры САО РАН с интернет доступом // Труды Всероссийской научной конференции "Научный сервис в сети Интернет", Новороссийск, 2004, с.208.

16. Витковский В.В., Власюк В.В., Комаров В.В., Фоменко А.Ф., Шергин В.С. Открытая в Интернет ТВ система визуального контроля крупнейшего российского 6м оптического телескопа БТА // XIX Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, М., 2006, с.172.

17. Комаров В.В., Фоменко А.Ф., Шергин В.С. Разработка ночной системы "ВСЕ НЕБО" для дистанционного мониторинга в реальном времени состояния облачности // XIX Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, М., 2006, с.172-173.

18. Комаров В.В. Возможности российских цифровых ПЗС камер серийного производства для астрономических приложений // XIX Международная научно-техническая конферен-ция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, М., 2006, с.171.

19. Комаров В.В., Фоменко А.Ф., Шергин В.С. Развитие ТВ систем САО РАН с Интернетдоступом // Труды Всероссийской научной конференции "Научный сервис в сети Интернет", Новороссийск, 2006, с.250-251.

20. Vitkovskij V.V., Komarov V.V., Shergin V.S., Chernenkov V.N. Hardware/software methods of getting on-line images to supply observations at the 6m optical telescope (Аппаратнопрограммные методы получения "On-line" изображений для обеспечения наблюдений на 6м оптическом телескопе БТА) // Международная астрономическая конференция Динамика тел солнечной системы, Томск, 2008, с.72.

21. Vitkovskij V.V., Ivanov A.A., Kaisina E.I., Kalinina N.A., Komarov V.V., Komarinskij S.L., Marukhno A.S., Shergin V.S., Chernenkov V.N. The system of remote access to SAO RAS telescopes (Система дистанционного доступа к телескопам САО РАН)// Международная астрономическая конференция Динамика тел солнечной системы, Томск, 2008, с.71.

22. Витковский В.В., Власюк.В.В., Комаров В.В., Фоменко А.Ф., Шергин В.С. Развитие систем обзора ночного неба для дистанционного мониторинга в реальном времени состояния облачности // XX Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, М., 2008, с.191.

23. Власюк.В.В., Комаров В.В., Фоменко А.Ф., Шергин В.С. Исследование одной из первых EMCCD CCTV камер по небесным объектам // XX Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, М., 2008, с.190-191.

24. Комаров В.В. Унифицированный телевизионный подсмотр для наблюдения звезд на больших оптических телескопах // XX Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, М., 2008, с.189-190.

25. Витковский В.В., Комаров В.В. Наблюдательные системы больших оптических телескопов // Материалы международной научной конференции Математическая физика и ее приложения (МФП-2012), т.1, Пятигорск, 2012, с.42-47.

26. Комаров В.В., Першин И.М. Граничные условия наблюдательных систем больших оптических телескопов // Материалы международной научной конференции Математическая физика и ее приложения (МФП-2012), т.1, Пятигорск, 2012, с.48-56.

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве:

Анализ и синтез наблюдательных систем в телевизионной астрономии [25]; исследование модели наблюдательных систем больших оптических телескопов [3,11,12,17,18]; получение аналитических зависимостей и численных оценок [2]; разработка методики оптимизации параметров наблюдательной системы по критерию минимума ошибки сопровождения объекта [26]; разработка и исследование унифицированных подсмотров [1,7-10,23];

исследование и внедрение методик коррекции гидирования БТА по цифровому видеоизображению поля исследуемого объекта и быстрого отождествления звездных площадок [15,19,20]; реализация удаленного доступа в реальном времени к видеосети БТА [5,6,13,14,16,21,22].






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.