lunes, 18 de agosto de 2014

Contaminación Lumínica y Columna de Agua Atmosférica.


En el año 2007, gracias a la  iniciativa internacional Starlight, la UNESCO declara el Cielo Nocturno como Patrimonio Científico, Cultural y Medioambiental de la Humanidad. 

Gracias al trabajo y tesón de los expertos, y también de algunos aficionados a la Astronomía, la sociedad va comprendiendo la  necesidad de conservar la calidad del cielo nocturno
En los últimos años, bien para colaborar en el control de la contaminación (CelfoscNIXNOX), o simplemente para saber como es nuestro lugar de observación,  se hacen medidas  con medidores de mano SQM. Pero cualquier observador del cielo sabe que no todos los días despejados son iguales. Hay días más "azules" que otros, como noches mas "limpias" que otras. 

Por mi parte, en varios años observando las curvas de brillo generadas por la estación meteorológica EMA veo sin mucho esfuerzo que esas curvas oscilan a lo largo de la noche y entre unas noches y otras.  Se supone que las medidas en noches despejadas sin Luna deberían ser iguales, suponiendo que el alumbrado publico no ha cambiado. 
La variación en estas medidas pone números a lo dicho anteriormente, que no todas las noches son iguales. O sea, que las medidas de contaminación lumínica se ven afectadas por otros parámetros que no tenemos: aerosoles atmosfericos, humedad etc. 
Sería interesante conocer esos parámetros a fin de mejorar y comprender las medidas de contaminación lumínica.

La verdad, no tenía la menor idea de por donde empezar. Había un parámetro atmosférico del que había oído hablar y del que apenas sabía nada, y menos de como medirlo: la columna de vapor de agua. Sabía que la usan en algunos observatorios, por lo que tenía cierta curiosidad.

Water Vapor (1 month - Aqua/MODIS) | NASA

Mapa mundial de columna de agua según el satelite Aqua/MODIS para los últimos días de Mayo de 2014.

Buscando información al respecto, encontré hace dos semanas un articulo de David R. Brooks y otros, publicado por la American Meteorological Society en 2011:
En él se analiza el uso de termometros IR de mano para medir la columna de agua atmósferica, pero lo bueno es que habla de la relación entre columna de agua y transparencia atmosférica.

Ya conocía a Brooks por usar diodos led como sensores monocromáticos en la fabricación de instrumentos de medida atmosféricos baratos para el programa GLOBEDe hecho Brooks ya había fabricado un fotometro con leds para medir la columna de agua y el espesor de los aerosoles. Lo bueno es que para  la columna de agua es mucho más sencillo con termometro IR que con leds. 
Y la buena noticia por mi parte, es que casualmente hace ya un año, añadí  un termometro IR a la estación EMA con el propósito de redundar su sensor de nubes basado en peltier. Pero además, resulta que he instalado ese mismo termómetro en el TESS (Telescope Encoder & Sky Sensor), que ya va estando en posesión de algunos aficionados.

Resumiendo, creo que un simple termómetro de infrarojos puede complementar y mejorar las medidas de contaminación lumínica. Por mi parte, el programa EMA empezará a guardar las lecturas de temperatura aparente del cielo para una posterior calibración. Una vez calibrado el sensor IR, se podrá estudiar la relación entre el agua en la atmósfera y las medida de brillo que toma la estación.

Como me ha parecido muy interesante, pongo un resumen de resultados del articulo:
Midiendo la Columna Total de Vapor de Agua 
apuntando un termometro de infrarojos al cielo.
por Forrest M. Mims III , Lin Hartung Chambers, and David R. Brooks

Se llama columna de vapor o agua precipitable al espesor de agua que resultaría de condensar todo el vapor de agua contenido en una columna vertical de atmósfera.
Se mide con fotómetros solares, que comparan la luz recibida en dos bandas de luz, una que es atenuada por el agua y otra que no. También se calcula analizando las señales de satélites GPS cuya propagación se ve afectada por la cantidad total de agua que atraviesan.

La cantidad de agua contenida en la atmósfera es de gran importancia para la meteorología, pero también es de interés en la observación astronómica, ya que incluso en días completamente despejados, la cantidad de agua contenida en la atmósfera, mezclada con los aerosoles atmosmféricos higroscópicos, influye en la transparencia del cielo.

Dos años comparando la temperatura aparente del cielo en el zenith tomada con termómetro IR y el agua precipitable ( precipitable water, PW, a la dercha) medida con un instrumento de referencia. Lugar del experimento situado a 27ºN y 97ºW

A continuación vemos los resultados obtenidos en los dos años que dura el estudio en base a dos termómetros IR comparando con un fotómetro Microtops II de una estación próxima.  La curva roja representa el ajuste a una exponencial. Se observa como cada uno requiere su propia calibración.

Termometro de mano modelo OS540.
Termómetro de mano modelo IRT0421.
En la siguiente tabla aparece la comparativa completa de cinco termómetros. En las líneas inferiores hay dos intrumentos de referencia, un fotómetro y uno basado en GPS. Ambas referencias estaban situados a 30 Km de distancia. Entre los dos intrumentos de referencia también se observan diferencias.



En resumen, la columna total de agua precipitable en la atmósfera puede medirse razonablemente bien con un simple termómetro IR calibrado adecuadamente.
En el articulo, la referencia de calibración era una estación próxima de la NOAA, la agencia americana de meteorológia, que ofrece el histórico de medidas online. 


domingo, 16 de febrero de 2014

Cámara de vigilancia IP HD.


Cámara Modelo IPG-63H13(38)PL-S 
Las nuevas cámaras de vigilancia ofrecen alta definición y funcionamiento en red. Los potentes procesadores de imagen hacen compresión hardware con cierta calidad,  por lo que no es imprescindible una LAN gigabit.

Mi intención es ver si este modelo, aparentemente muy sensible para ser un CMOS, puede ser útil tanto para allsky como para autoguiado.

Se trata de tecnología punta 100% china, sensor y procesador.
La placa, sin accesorios ni cables cuesta $50 por internet.

Un extracto mínimo de sus características:

Sensor Aptina AR0130 
CMOS 1/3'' alta sensibilidad.
Color 0.01Lux a F1.2 ,B/W 0.001 Lux a F1.2.
Resolución: 1280H x 960V (1.2Mp)
Pixel: 3.75μm x 3.75μm.
Color Array: Monocromo, RGB Bayer.
ADC 12-bit interno, salida raw paralelo.
Rango dinámico 83.5 dB
SNRmax: 44 dB
QE  50% a 60% en los canales RGB.

Procesador HiSilicon Hi3518C 
Sistema RTOS embebido, dual core 32 DSP, compresión hardware.  
Consumo 270mW
Compresión H.264
Servidor WEB , detección de movimiento, captura JPEG etc.


Montaje de la placa.
La placa viene sola, sin cables ni adaptador. Para hacer una prueba rápida he soldado los cables directamente a los conectores. La distancia entre pines es pequeña y requiere cuidado. Con todo solo hace falta soldar dos cables para la alimentación de 12v y cuatro para la red.
El adaptador a rosca C puede ser más problemático, ya que hay al menos dos distancias entre tornillos, afortunadamente tenía el adecuado, o mejor dicho casi, porque he tenido que rebajar la altura para conseguir el enfoque. 
Montaje del adaptador a rosca C.

Adaptador de 1 '1/4 a rosca C.

Primeras tomas de ejemplo.

Detalle macro, sin filtro IR pero con iluminación LED de muy baja potencia.

Captura de día añadiendo un filtro de corte IR.

Captura nocturna en cielo muy contaminado sin filtro IR. Objetivo C 12mm F1.2. 
Primeras Conclusiones.
La impresión general es muy positiva, sobre todo por la sensibilidad. La cámara se adapta automáticamente a cualquier ambiente para dar la mejor imagen. 
Llama la atención la diferencia de actualización de la imagen en función del movimiento de la escena. Cuando se mueve toda la escena, el vídeo se relentiza, en cambio, cuando solo se mueven algunas partes de la escena apenas hay retrasos.

El software de captura que me mandaron con la cámara es muy potente, aunuque claro está, enfocado a la vigilancia. Puede manejar muchas cámaras simultáneamente, hacer capturas programadas y mucho más. 
Me queda mucho que averiguar, lo más importante que aún no he conseguido reproducir el video capturado salvo con el mismo programa, debido a la compresión H264. Tambén me falta por saber como pedirle una imagen via web.


PRUEBAS CON TELESCOPIO SC 8' + reductor a f6.3
Lo siguiente son capturas sueltas sobre el video, sin ningún  apilado ni tratamiento adicional.
mulo M48, salen estrellas de magnitud 12. También se observan pixeles calientes.



 Así se ve M42 en el vídeo.  Parece que salen las mismas estrellas en BW que en color. 
video
Este video de M42 es orientativo en pequeño. A pantalla completa no representa el video real porque youtube lo ha comprimido. El original y otro de la Luna con la resolución nativa estan en el grupo de Yahoo ObservatorioRemoto.

La Luna con el SC8' a 6.3. Las atopistas de abajo son pelusas sobre el sensor.


Estas pruebas sobre telescopio confirman la impresión de que la cámara promete.
En la nebulosa, el vídeo está a 5 cuadros por segundo, en la Luna a 20. En ambos casos la exposición es automática con un máximo de 80msg. Aún hay bastantes parámetros que no he tocado porque aún no entiendo.

La sensibilidad parece buena, sensación que se confirma a la vista de la documentación del fabricante. Según las curvas de respuesta, este sensor CMOS sobrepasa el 50% de eficiencia en los canales RGB. En la versión BW su QE max. es del 78% en 550 nm.

El aspecto que veo más crítico es el retraso en la respuesta en función de la cantidad de información.  Me refiero al tiempo entre que movemos el telescopio y vemos el movimiento en el monitor. A máxima resolución, cuando solo hay estrellas sueltas, la respuesta es bastante rápida, quizás medio sg.  En el caso del video lunar, con la turbulencia haciendo crepitar toda la imagen, este retraso llega a los 5sg.  La caputura está realizada con una CPU Atom de hace cuatro años, tengo que ver con otra más rápida por si influye.
Afortunadamente el autoguiado no lo hacemos sobre la Luna, por lo que confío que sea viable.

A la vista de la documentación, hay opciones muy interesantes para su aplicación en el observatorio. Las principales son el bining y la capacidad de explorar fragmentos de imagen. Esto sería ideal para el guiado. Falta saber si están implementadas en el procesador Hi3518C, el encargado de manejar al sensor.





domingo, 9 de febrero de 2014

Camara IP con Raspberry PI.

NOTA: nueva entrada de máximo interes sobre este tema: MotionEyeOS.

Del boom PI se escapan pocos enredas. Servidor no iba a ser menos, esta que muestro la adquirí en la primera tirada, es decir, la compré antes de ser fabricada, tan interesante me pareció, y vaya por delante que no me manejo en Linux.
Debo admitir, como tantos otros, que después de la espera inicial, la PI pasó algún otro mes en el cajón. Y después de trastear un poco para ir aprendiendo algo, volvió al cajón otra temporada, no por falta de ganas, sino de tiempo. Hasta que sacaron la  cámara hace unos meses. Así que está va a ser la primera aplicación practica: actuar como cámara IP, en mi caso para la estación meteorológica EMA.
Normalmente vengo usando cámaras cctv de diferente índole con un adaptador de vídeo ethernet IP9100 que admite cuatro entradas analógicas.

 La Raspberry y la cámara en una misma caja de 125x105x35 queda muy compacta. La salida HDMI es accesible por un lateral, mientras que el conector de vídeo y sonido quedan dentro dado que no se van a usar.

La PI va conectada a una placa, aún en prototipo, que contiene un regulador conmutado para entrada a 12v, el driver RS232 y un relé auxiliar. La cámara está al fondo, sujeta con separadores de plástico y dos tornillos M2.

Gracias a vivir en un piso alto, simplemente colocando las cámaras detrás de la ventana de la terraza puedo  tener unas buenas vistas hacia la sierra norte de Madrid.


 La calidad de imagen para este tipo de aplicación es superior, en el horizonte se ven incluso las torres de control de Barajas y algunos aviones.
 Para subir fotos a la web periódicamente, los particulares podemos tener limites de trafico, por lo que solo se captura el centro de la imagen. Este pequeño trozo de 800x600 con calidad jpg 30%, ocupa 122KB. La cámara puede comprimir aún más, a 60KB sin gran perdida. 


 De noche la imagen también tiene buen aspecto, gracias a que se puede aumentar el tiempo de exposición hasta 2.5sg. Este cambio de modo de exposición no es automático, se consigue mediante un script que tiene en cuenta la altura del Sol. 

Dejo para otro momento hablar del software, del que se está encargando R. Gonzalez. 
Tan solo comentar que la captura periódica se guarda en disco RAM, para no machacar la SD y que la imagen, una vez adquirida, se pide al servidor web incorporado en el magnifico Webiopi.