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机器视觉引导CTA计画第一架天文??远镜原型
 

【作者: 兆鎂新】2019年10月16日 星期三

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2018年10月10日,契伦柯夫天文??远计画(Cherenkov Telescope Array, CTA)在其北半球天文基地台正式启动第一架大型天文??远镜 (LST-1),地点位於加那利群岛(Canary Island)。两个月後,於2018年12月19日,便从基地台接收到第一批天文影像。



图1 : 艺术家笔下的CTA 大型天文??远镜台。(绘者:池下章裕, Mero-TSK杂志国际版/ 来源:兆镁新)
图1 : 艺术家笔下的CTA 大型天文??远镜台。(绘者:池下章裕, Mero-TSK杂志国际版/ 来源:兆镁新)

新一代??远镜可作为未来在南北半球布署地阵列阵列??远镜之原型。预计届时将有超过100架??远镜架设於这些布署地,共同组成CTA天文台。东京大学为CTA计画的主要成员及供应机构,提供建构??远镜时所需的材料及相关技术,而The Imaging Source 兆镁新作为东京大学的合作夥伴,也一同叁与了CTA 计画,所提供的相机则安装於??远镜中机动镜面控制(Active Mirror Control)系统中,此系统主要用於控制整体镜面角度。



图2 : LST-1架设阶段: 六角形反射镜,由图可见安装CMOS相机的切角。(摄者:T.Inada (ICRR, 东京大学)/来源:兆镁新)
图2 : LST-1架设阶段: 六角形反射镜,由图可见安装CMOS相机的切角。(摄者:T.Inada (ICRR, 东京大学)/来源:兆镁新)

在此计画中,大量??远镜将提供前所未有的灵敏度(当前系统的10倍)、高效能γ射线探测和成像的准确性。以上一代探测??远镜(切伦科夫成像空气??远镜,简称IACT)为雏形而设计,LST-1 大致的架构及运作为一23公尺长的反射体,由198面六角形反射镜所覆盖组成,对准距离反射镜面28公尺的主相机,由主相机负责撷取影像及相关天文资料。


为了保持最隹精度,每一面反射镜都必须随时校准,对准主相机及组成主相机结构之265个光电倍增管,以保持精确的角度。


透过机器视觉的引导来校准反射镜至精确角度

此计画在反射镜重新定位时,必须於20秒内校准至所需的角度。而天气条件和反射体的重量(约50吨)会导致碟形天线和用来记录影像的主相机支撑结构发生变形,进而影响198面反射镜对准??远镜主相机。


为因应上述影响校准之条件,在调整反射镜过程中(如聚焦),创造高效且可靠的系统即变得十分关键。??远镜设计执行之初,研究人员考虑了许多方式来建构,其中包括镭射扫描系统和陀螺仪系统。然而,由於价格和性能问题,最後都没办法证明这些方法是可行。


因此,东京大学的科学家们被赋予任务,找寻一套实行性高且具绝隹性价之解决方案。他们便转向机器视觉,并为该计画选择了The Imaging Source兆美新的GigE黑白相机。


搭配此计画的GigE相机配备1.2 MP全域快门感光组件,CMOS相机精巧且坚固的设计让它们可以轻松的整合於IP67外壳中,以此保护相机内部的元件免於受到外在环境影响。整合於外壳中的CMOS相机则安装在每面反射镜的切角中(图3和右下方)。



图3
图3

每面镜子的叁考点由光轴叁考镭射(OARL)先行定位,其光波长在近红外区域。每面反射镜的CMOS镜头则测量OARL光点在主相机目标上的位置,来辨别目前对准光轴的反射镜方向。


每台相机透过GigE介面与单板机连接。当??远镜移动到新目标时,反射镜会根据事先设定之寻找表(Look-up Tables)进行调整,寻找表内储存每面反射镜的正确位置。但是,由於寻找表为事先设定的,并没有事先排除因天气和??远镜自身的重量的影响而产生结构变化等因素。


因此,必须根据由CMOS相机捕捉测量OARL位置,传输至後端连接单版机,计算好确切需对准位置资讯後,将其发送回每张反射镜镜子背面的致动器(图4右),便可将每面镜子调整至所需的角度。


契伦柯夫辐射及γ射线研究

来自深空的γ射线暴(GRBs)由宇宙中最剧烈的相互作用而产生,於1960年首次被防卫卫星意外发现。γ射线是电磁波谱上最高的能量波,比可见光的能量大约高10兆倍,为电离辐射,具有生物危害性。


幸运的是,对於地球上的生命来说,大气层在γ射线进入地表前便会被阻隔或摧毁,这也是为什麽第一批γ射线探测器并不是架设於地球上,而是位於外太空的卫星天文台上。


进入地球大气层後,γ射线会产生次原子粒子级联,这些带电粒子则放射出辐射,产生契伦柯夫蓝光 (Cherenkov light, 由发现此蓝光的契伦柯夫博士来命名)。在1980年代早期,惠普尔天文台的科学家开发了一种地面??远镜系统,透过探测分析契伦柯夫蓝光来侦测及追踪γ射线的来源。



图4 : 艺术家所绘,透过捕捉契伦柯夫辐射蓝光来追踪γ射线。由CTA天文展??台提供。
图4 : 艺术家所绘,透过捕捉契伦柯夫辐射蓝光来追踪γ射线。由CTA天文展??台提供。

如同透用x射线可以呈现骨骼光照图,γ射线可以提供天体物理学家珍贵的讯息,研究宇宙中一些最激烈作用的环境,并观察宇宙天体,如黑洞和超新星。 这些新资料将有助於物理学界中最根本的发现,尤其是暗物质的性质和特性。


CTA 天文台未来展??

@除了大型??远镜外(LST)外,整体CTA 计画还需要另外两种??远镜尺寸才能完全覆盖总能量范围,分别为中型??远镜(MST)和小型??远镜(SST)。预计於2021年至2025年之间,将会完整架设足够数量的线上运作??远镜,进行大规模的资料获取,而大大提升准确性和灵敏度。


附注:本文提供的技术细节皆根据已发表的研究文章,撰者为林田将明、手?政广及其他共同作者,发表於Proceedings of Science期刊,标题为The Optical System for the Large Size Telescope of the Cherenkov Telescope Array。如欲了解更多CTA相关细节及其在研究成果上的目标及发展,请至www.cta-observatory.org.

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