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REPORTE TÉCNICO

INSTALACIÓN Y OPERACIÓN DE FPI Y CÁMARA ALL-SKY EN

JICAMARCA

Oscar A. Veliz Castillo

Luis A.Navarro Domínguez

Felipe M. Amaya Infante

CIELO

DICIEMBRE, 2009

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RESUMEN

El presente informe brinda la descripción de los equipos instalados en la estación óptica MeriHill, ubicada en las cercanías al Radio Observatorio de Jicamarca. Asimismo, describe el funcionamiento automatizado para la supervisión de los equipos y del procesamiento de los mismos.

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ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN ...............................................................................................................4

2. DESCRIPCIÓN ....................................................................................................................4

2.1 Interferómetro Fabry-Perot (FPI) .................................................................................................... 4 2.2.1 Calibración ......................................................................................................................................................... 5 2.2.2 Características principales ............................................................................................................... 5 2.2 Cámara All-Sky ................................................................................................................................. 6 2.3 Sistema de control y adquisición .................................................................................................... 7 2.3.1 Interferómetro FPI............................................................................................................................................. 7 2.3.2 Cámara All-Sky ................................................................................................................................................. 7 2.4 Sistema de procesamiento................................................................................................................ 8 2.4.1 Rutinas de supervisión ..................................................................................................................................... 8 2.4.2 Rutinas de procesamiento................................................................................................................................ 8

3. RESULTADOS .....................................................................................................................9

4. CONCLUSIONES................................................................................................................9

5. RECOMENDACIONES....................................................................................................10

ANEXOS........................................................................................................................................................... 11 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................................... 13

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INSTALACION Y OPERACION DE FPI Y CAMARA ALL-SKY EN JICAMARCA

1. INTRODUCCIÓN

En abril del 2009 se da inicio a la construcción de la estación óptica MeriHill (MRH). Las tareas se iniciaron con el tendido de la línea eléctrica, para luego a fines de mayo iniciar la construcción de la caseta; quedando terminada a fines de julio. Luego, se procedió a acondicionar la estación de tal manera que se cuente con energía eléctrica, acceso a red y aire acondicionado. En el mes de agosto llegó el equipo Fabry Perot Interferometry (FPI) a las instalaciones del ROJ y posteriormente fue trasladado hasta la estación, quedando todo listo para recibir al personal Clemson quienes colaborarían para su puesta en marcha. El 13 de agosto se instaló el equipo FPI en la estación MRH.

Por otro lado, en el mes de noviembre, la Universidad de Illinois envió como donación una cámara All-Sky con filtro OH con la capacidad de obtener campos gravitatorios. Este instrumento fue instalado el 24 del mismo mes en la estación óptica MRH por personal del ROJ. A partir de entonces se encuentran en operación continua durante las noches de 7 PM a 5 AM. La cámara se encuentra ubicada en la cima de unos de los cerros que rodean el ROJ, a una altura aproximada de 1092 msnm cuyas coordenadas son latitud 11°57'31.38"S y longitud 76°51'36.84"W.

2. DESCRIPCIÓN

2.1 Interferómetro Fabry-Perot (FPI)

El interferómetro Fabry-Perot (FPI) fue diseñado y construido en la Universidad de Clemson para realizar observaciones de vientos y temperatura de la ionosfera (Termosfera 200-300Km) mediante métodos de interferometría óptica (FPI). El instrumento es una versión miniaturizada de la versión FPI estándar. La abertura del etalón FP es de 75mm con un espaciador de 1.5 cm. El número de ordenes (anillos) es de 4 y la reflectibilidad del recubrimiento de los platos es de 77%. La definición máxima es de 8. La temperatura del etalón es mantenida a 30°C mediante un dispositivo de control térmico. El sistema óptico está complementado por dos lentes: el lente objetivo de 50 cm y dos lentes de colimación y reenfoque de 20 cm. Dos filtros de 630nm de rango ancho y angosto se emplean para dejar pasar sólo la frecuencia de interés.

La cámara CCD Andor DU-432 (de 1024 x 1024) está equipada con un sistema de enfriamiento termoeléctrico y de circulación de agua que puede alcanzar temperaturas bajas de -80° grados, a una temperatura ambiente de 22 grados. El sistema completo consta de los siguientes componentes:

• Escáneador de cielo (Sky Scanner) y cúpula de acrílico, Filtro E talón Fabry Perot, Equipo de láser Melles-Griot, Cámara CCD Andor DU-412, fuente y accesorios, Computadora Dell completa, Switch de poder tipo Web, Digital Loggers, USA, Cámara de nubes, Santa Barbara Instrument Group, 402ME, Tarjeta de adquisición Data Translation 9812A.

El sistema escaneador de cielo (diseñado por Keo Scientific, y fabricado en el taller de mecánica de la U. de Clemson) consiste de un eje de dos espejos en la dirección de zenit y azimut con una apertura de 4.5”. El sistema de espejos es controlado por dos motores de paso (Animatics Smart Motors) que están equipados con un encodificador que determina la posición de los espejos. Los motores tienen una resolución de 31,000 pasos correspondiente a 360 grados. La posición de “Home” está determinada por dos micro interruptores. La interfase de control residente en firmware permite posicionar los espejos en forma precisa con un rango +/- 2 minutos de arco.

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Figura 1 Esquema de distribución de los principales componentes del nuevo instrumento FPI indicando las dimensiones del modulo principal. El montaje es en forma vertical. La PC y el sistema de control de

cámara se instalan en la parte inferior a una distancia máxima de 2m.

2.2.1 Calibración

El sistema de calibración consiste en una fuente de láser HeNe de 630nm estabilizado que direcciona, por medio de una fibra óptica, la luz hacia un domo de dispersión y que se encuentra debajo del escáneador de cielo. Un obturador mecánico controlado por la PC deja pasar la iluminación láser solo durante la toma de imagen láser.

2.2.2 Características principales

• Spacer gap: 1.500 • Apertura: 75 mm. • Objective focal length: 50 cm • Number of orders: 4 • Andor Detector: DU434-1024x1024.

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Figura 2 Vista lateral de la cúpula y el sistema de dos espejos escaneadores de cielo que se encuentra instalado en el techo de la caseta, y tiene por función direccionar la imagen del cielo hacia el sistema

óptico FPI y cámara CCD que se encuentran en el interior.

2.2 Cámara All-Sky

La cámara de todo cielo es un sistema óptico empleado para visualizar y capturar las emisiones de luz nocturna (airglow) de la alta atmósfera. El eje óptico del sistema apunta hacia el cielo en forma vertical y cubre todo el horizonte (180 grados) gracias al empleo de un lente gran angular (Fish eye) de 6mm de distancia focal.

El sistema completo consta de: un lente Fish eye, el lente objetivo frontal, filtro de OH (630nm) y un lente de enfoque de 50 mm equipado con un lente adaptador de acercamiento. La imagen formada por el sistema óptico es capturada mediante una cámara CCD Apogee.

La cámara es conectada a la PC vía conexión paralela para control y adquisición de las imágenes.

Figura 3 Esquema de distribución de los principales componentes del sistema de cámara AllSky en el que se muestra la montura con la cámara CCD, los lentes gran angular y de enfoque, así como el portador de

filtros.

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Figura 4 Vista de cámara all sky montada sobre el techo de la caseta MRH mostrando el lente gran angular Fish eye y la cúpula de protección.

2.3 Sistema de control y adquisición

2.3.1 Interferómetro FPI

Según lo mencionado en la descripción del presente reporte, con el FPI es posible extraer vientos y temperaturas durante toda la noche. Para lograr este objetivo se tiene un sistema de control y adquisición no-supervisado que funciona automáticamente todo el tiempo; y se basa en cuatro programas desarrollados en lenguaje C++. Tienen un funcionamiento modular basado en scripts de tal forma que la configuración de cada uno de ellos se puede realizar fácilmente mediante comandos ó nombres por defecto.

Master: software que posee el procedimiento de la toma de datos. Dentro de sus principales funciones se encuentra la de iniciar y terminar la toma de datos calculando la posición del sol. También se le puede indicar de forma manual, desactivando el modo anterior. Asimismo, dentro del número de secuencias y orientaciones programadas, calcula la posición de la luna para poder evitarla saltando a la siguiente orientación. Se encarga de enviar órdenes a los otros programas para controlar la cámara CCD, el SkyScanner y el Láser y de esta manera realizar una toma de datos precisa.

Analyze: software de supervisión con la capacidad de procesamiento proporcionado por Dr. Meriwether. A comparación de los otros programas, su ejecución durante la toma de datos no es crítica.

Observatory: encargado de comunicarse con el SkyScanner mediante el puerto serial. Recibe las órdenes del Master para indicarle al SkyScanner la orientación deseada.

Camera: encargado de controlar la cámara CCD, configura en ella el tiempo de exposición, la abertura del obturador, etc. según le indique el Master.

Finalmente, cada programa expide un reporte de funcionamiento. Estos en conjunto con los datos obtenidos son comprimidos y enviados automáticamente al servidor JRO, y diariamente a la estación de trabajo PC-JRO para su supervisión y procesamiento.

2.3.2 Cámara All-Sky

Este equipo presenta también una toma de datos no-supervisada diaria durante la noche. Para esto se hace uso del software propietario MaximDL3.0 mediante el cual se controla todas las funciones de la cámara.

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El procedimiento de uso del equipo antes de tomar una imagen es configurar la temperatura del sensor CCD a -10 grados C. Para lo cual se necesita tener encendido el Cooler del mismo y dejarlo actuar durante un espacio de 20 a 25 minutos. Luego, se procede a tomar imágenes con un tiempo de exposición de 1 minuto.

Lo anterior se logra realizar mediante un script en Visual Basic debido a que el software acepta este tipo de script y brinda funciones específicas para la configuración y control del mismo en este lenguaje.

2.4 Sistema de procesamiento

2.4.1 Rutinas de supervisión

Actualmente se viene desarrollando un paquete de rutinas en Python llamado pyfpi. Mediante el cual se integran todas las rutinas involucradas con la organización y supervisión de las imágenes provenientes de las estaciones ópticas A3O y MRH; así como las involucradas para el gráfico en la página web, entre otras.

• Organización de las imágenes

La principal razón de estas rutinas es generar una organización automática de las imágenes dentro del sistema de archivos de la estación de trabajo. De esta manera, se tienen las imágenes listas para su supervisión y procesamiento dentro de carpetas según un formato pre-establecido. Por ejemplo: “file:\MRH_2009\11-Nov2009\Nov 03 2009\X20091103001.bmp”.

Para el caso de A3O, la rutina 'unZIPimg' se encarga de descomprimir el archivo zip recogido del servidor, de crear las carpetas correspondientes y de convertir los datos IMG a imágenes BMP.

• Conversión de imágenes IMG a BMP

El sistema de adquisición automático de las estaciones ópticas A3O y MRH brinda datos crudos provenientes de la cámara CCD en formato “IMG”. Este archivo contiene una cabecera de 1024 bytes de datos, cuya longitud corresponde a la resolución de la imagen.

La cabecera se estructura en 7 sub-estructuras correspondientes a datos: Generales, Configuración de la cámara Andor, Información del sensor, Parámetros de la Cámara, Condiciones de captura de imágenes, Información de la imagen capturada y un remanente de datos cuya longitud varía según el año de la cabecera: 584 bytes para años anteriores al 2007, 576 para Enero del 2007 y 544 para tiempos posteriores a este.

Los datos corresponden a los pixeles que forman la imagen capturada por la cámara Andor. Cada pixel esta representado por 2 bytes consecutivos. Por lo que para A3O los datos corresponden a 131,072 bytes para 256x256 pixeles y 524,288 bytes para 512x512 en MRH.

Finalmente, la conversión de los datos a imágenes se puede ejecutar por archivo, directorio ó archivo comprimido. Cada conversión genera un reporte correspondiente cuyo formato puede ser escogido entre TXT ó CSV. Éste reporte es utilizado puede ser utilizado para generar estadísticas.

• Estadísticas de imágenes

Los reportes previamente generados puedes ser utilizados para generar cuadros anuales, mensuales ó diarios de la frecuencia del tipo de imágenes tomadas (K,L,D,X). Así como la frecuencia del número de imágenes por orientación (N, S, E, W, NE, SE, SW, NW). El formato del reporte puede ser también elegido entre TXT ó CSV.

2.4.2 Rutinas de procesamiento

Por otro lado, el procesamiento que se realiza con los datos de las estaciones se basa en rutinas IDL propias del Radio Observatorio de Jicamarca y producto de una tesis de maestría del Mg. Sthy Flores. Estas realizan un tratamiento bidimensional para obtener vientos y temperaturas.

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Estas rutinas han sido adaptadas para soportar imágenes A3O ó MRH de cualquier año, teniendo en cuenta las consideraciones previamente explicadas sobre las cabeceras. Asimismo, tienen la capacidad de poder aceptar cualquier tipo de experimento que se haya ejecutado con la estación. Es decir, soporta cualquier secuencia de orientaciones.

Para iniciar el procesamiento se debe indicar 2 grupos de datos: Parámetros del Interferómetro Fabry-Perot y datos de las fuentes referenciales a usar. Por otro lado, se debe indicar el tipo de experimento que se debe procesar. Para esto, se tienen las variables:

• iSec: utilizada para indicar el número de imágenes tomadas al cielo por cada secuencia de orientaciones durante el experimento. Por ejemplo: iSec=5.

• tagSec: utilizada para indicarle los tags de orientaciones de la secuencia. Por ejemplo: tagSec=’D,Z,Z,Z,Z,Z’.

Una vez indicados estos parámetros e indicándole la carpeta donde se encuentran las imágenes, automáticamente se calcula el número de secuencias durante el experimento, y se procede a agrupar las imágenes utilizando la información presente en sus cabeceras para realizar el procesamiento secuencia por secuencia.

A continuación, se realiza la remoción de los hot pixeles y se calcula los perfiles de los interferogramas del cielo en las orientaciones indicadas y del láser, esto se realiza para poder obtener el centro de la imagen y el rango espectral libre; aunque también se tiene la opción de indicar manualmente el centro. Luego se calcula la fase de origen del interferograma y se calcula los coeficientes de Fourier para poder realizar dos ajustes en cascada y obtener el corrimiento Dopler y la Temperatura.

3. RESULTADOS

• Actualmente se tiene un buen funcionamiento sostenido de los equipos ópticos en la estación óptica MRH.

• Cada equipo muestra una buena calidad de imágenes para condiciones de claridad de cielo (libre de nubes altas) óptimas. Tal como se puede observar en las Figuras 5 y 6.

• Las rutinas automáticas de supervisión brindan un buen soporte disminuyendo al mínimo mantenimientos correctivos. Asimismo, nos permite adelantarnos a futuros problemas: mantenimientos preventivos, etc.

• Aprovechando las condiciones climáticas es posible obtener datos de vientos y temperaturas de importancia gracias a la ubicación geográfica del observatorio MRH, y se puede extender las observaciones hasta meses como diciembre, donde normalmente no se tienen buenas condiciones.

4. CONCLUSIONES

• El etalon del FPI instalado en MRH posee mejores prestaciones que su análogo en la estación A3O debido a no tener los plates mecánicamente unidos, sino soldado, formando un solo bloque.

• Se ha aprovechado las condiciones climáticas naturales de la zona para lograr extender el tiempo de adquisición de datos durante el año.

• Es posible aplicar el tratamiento bidimensional anteriormente desarrollado para obtener los datos de interés convirtiendo esta técnica en una línea de investigación dentro de esta área para el ROJ.

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5. RECOMENDACIONES

• Lograr tener un sistema de supervisión dinámico que actúe automáticamente por la red, y envíe reportes en caso de fallas directamente a la PC-FPI.

• Analizar la viabilidad de considerar un sistema de adquisición no supervisado independiente de una estación de trabajo, como un sistema embebido, no sólo para ahorrar en costos sino para obtener sistemas de control más precisos, que consuman menos potencia, ganar en portabilidad y en mantenimiento logístico.

• Mejorar la remoción de hot pixeles para lograr datos más precisos y revisar cada sub-resultado obtenido del procesamiento para mejorar aún más los resultados.

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ANEXOS

Figura 5 Interferograma captado por estación óptica MRH el 17 Agosto 2009 a la 1:30 am.

Figura 6. Imagen del cielo tomada por cámara All-Sky el 12 de diciembre a las 3 am.

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Figura 7. Velocidad de vientos a 250Km obtenidos mediante tratamiento [1] el 10-11 Octubre 2009 en estación óptica MRH. Experimento: 95 secuencias ‘Z,Z,Z,Z,Z’

Figura 8. Temperatura a 250Km obtenidos mediante tratamiento [1] el 10-11 Octubre 2009 en

estación óptica MRH. Experimento: 95 secuencias ‘

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BIBLIOGRAFIA

Flores, Sthy. Tratamiento Bidimensional de Interferogramas de Fabry-Perot para medir vientos y temperaturas. Tesis (Grado de Magíster en Física Aplicada). Lima, Perú, Pontificia Universidad Católica del Perú, Escuela de Graduados, 2008.

J. Meriwether , M. Faivre , C. Fesen , P. Sherwood, and O. Veliz. New results on Equatorial Thermospheric Winds and the Midnight Temperature Maximum, Annales Geophysicae, 26:447-466,2008.

Hernandez, G., Fabry-Perot interferometers, Cambridge and New York: Cambridge University Press (Cambridge Studies in Modern Optics, No. 3), 1986.

Meriwether, J. W., M. A. Biondi, F. A. Herrero, C. G. Fesen, and D. C. Hallenbeck. Optical interferometric studies of the nighttime equa-torial thermosphere: Enhanced temperatures and zonal wind gradi-ents, Journal of Geophys. Res., 102, 20,041–20,058, 1997.

Biondi, M. A., J. W. Meriwether Jr., B. G. Fejer, S. A. Gonzalez, and D. C. Hallenbeck, Equatorial thermospheric wind changes during the solar cycle: Measurements at Arequipa, Peru, from 1983 to 1990, Journal of Geophys. Res., 96, 15,917–15,931, 1991. (Correction, J. Geophys. Res., 100, 7863, 1995.)

Biondi, M. A., S. Y. Sazykin, B. G. Fejer, J. W. Meriwether, and C. G. Fesen, Equatorial and low-latitude thermospheric winds: Measured quiet time variations with season and solar flux from 1980 to 1990, J. Geophys. Res., 104, 17,091–17,106, 1999.