Sayısal zenit kamera bileşenlerinin test ve kalibrasyon ölçmeleri
Calibration and testing of digital zenith camera components
Yazar: RAŞİT ULUĞ
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA TEVFİK ÖZLÜDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry

Özet:
Yüksek doğruluklu global bir geoit modeli oluşturulması kuşkusuz jeodezi çalışmaları
arasında çağımızın en büyük uğraşlarından birisidir. Nitekim GNSS'yi en etkin şekilde
kullanabilmenin yolu yüksek doğruluklu geoit belirleme ile mümkündür . Farklı
geoit belirleme yöntemleri arasında çekül sapmalarının önemi 17. yüzyıldan itibaren
bilinmesine rağmen ölçme zorlukları çekül sapmalarının arka planda kalmasına neden
olmuştur.
20. yüzyılın ikinci yarısından itibaren CCD teknolojisinin icadıyla birlikte birçok
alanda büyük gelişmelerin önü açılmış ve jeodezi bu gelişmelerden etkilenen
alanlardan birisi olmuştur.
CCD teknolojisi ile birlikte astro-jeodezik çekül
sapmalarının belirlenmesinde geleneksel yöntemin neden olduğu zorluklar ortadan
kalkmış ve tamamen otomatize sistemler geliştirilmesi mümkün hale gelmiştir.
Aynı zamanda yüksek doğruluklu yıldız kataloglarının yardımıyla astronomik
koordinatların elde edilme doğruluğu artmıştır.
Yüksek kuantum çözümüne sahip CCD kameralar ve GPS donanımlarıyla birlikte
geliştirilen Sayısal Zenit Kamera Sistemleri (SZKS) Avrupa genelinde Almanya,
Polonya, Sırbistan, Avusturya, Letonya, İsviçre, Asya'da Çin ve son olarak Türkiye'de
üretilmiş ve gözlemleri başarılı olarak gerçekleştirmiştir. Kerem Halıcıoğlu tarafından
geliştirilen ve Türkiyenin ilk ulusal SZKS olma özelliğini taşıyan bu sistem 2015
yılında tamamlanmış ve İstanbul metropoliten Alanının Anadolu yakasında 4 noktada
başarılı şekilde astro-jeodezik çekül sapmaları belirlenmiştir.
ACSYS (Astro-geodetic Camera System) bir prototip sistem olarak tasarlanmış
olmasına rağmen kısmen otomatik olarak çalışmaktaydı. Donanımsal özellikleri
nedeniyle uzun ölçme hazırlık aşamaları gerekmekteydi. Ölçme süresinin asgari
düzeye indirilmesi, astro-jeodezik çekül sapmasının elde edilme doğruluğunun
arttırılması için 2016 yılının başlangıcından itibaren ilk ulusal SZKS'de donanım
ve yazılım modernizasyonuna gidilmiştir. Modernizasyon sürecinde görüntü elde
etme ve işleme süreçlerinin otomatize hale getirilmesi ve yenilenen SZKS taşıyıcı
altyapı sistemi ile birlikte temin edinilen Yüksek Prezisyonlu Eğimölçer (High
Resolution Tiltmeter-HRTM) ve yıldız görüntülerinin odaklanması için kullanılan
focuser sisteminin entegrasyonu gündeme gelmiştir.
Bu tez çalışması kapsamında yenilenen ulusal SZKS'nin tüm mekanik ve optik
bileşenlerinin test ve kalibrasyon ölçüleri gerçekleştirilmiş, donanımların sisteme
entegrasyonundan önce karakteristik özellikleri ortaya konulmaya çalışılmış ve
yenilenen sistemin ölçme hassasiyeti ve doğruluğu belirlenmeye çalışılmıştır. Sıcaklık
ve nem değişiminin eğimölçerler üzerindeki etkileri incelenmiş, farklı çevre
koşullarında sistemin gözlem stabilitesi test edilmiştir.
Sistem bileşenlerinin kalibrasyon çalışmaları için teleskop kalibrasyonu, CCD
kameranın shutter gecikmesi, azimut ve göksel kalibrasyon çalışmaları, görüntü
kalibrasyonu ve son olarak eğimölçer kalibrasyonu tamamlanmıştır.
Teleskop kalibrasyonu için teleskop gökyüzünde parlak bir yıldıza yönlendirilmiş,
görüntü sistematik olarak bozulmuş ve bozulan görüntünün oluşturduğu daire
görüntüleri kaydedilmiştir. İşlem sonucunda iç ve dış aynalar tarafında oluşan
daire merkezlerinin çakıştığı görülmüştür. CCD kameranın shutter gecikmesini
belirlemek için ise MaximDL yazılımı kullanılmıştır. Kandilli Rasathanesi Deprem
Araştırma Enstitü'sünde yapılan deneylerde shutter gecikmesi 0.02 saniye olarak
belirlenmiştir. Zenit kamera sistemi ile elde edilen çekül sapmaları azimuta
bağımlıdır bu yüzden azimut kalibrasyonu yapılarak gözlem yapılan her bir
yıldıza ait azimut değeri belirlenmiştir. Görüntü kalibrasyonü ile görüntülerde
bulunan termik, kozmik, kamera veya atmosferik kaynaklı gürültüler (noise)
elimine edilmiştir. Görüntülerdeki yıldızların belirlenmesi için ise Astrometry.net
yazılımı kullanılmıştıştır. Eğimölçer kalibrasyonları üzerinde en çok uğraşılan konu
olmuştur. İmal ettirilen bir plaka üzerine yerleştirilen iki eğimölçer ile yaklaşık
30 gün boyunca eğim değerleri kaydedilmiş ve farklı çevre koşulları, sıcaklık gibi
etkenlerin eğimölçerler üzerindeki ilişkisi incelenmiştir. Plaka üzerine yerleştirilen
eğimölçerler ile aynı çevresel koşullarda gözlem yapıldığı için değerlendirmelerde
eğimölçerlerin birlikte ve bağımsız kullanımları incelenmiştir. HRTM'nin yüksek
performans ile kullanılabilmesi için Rterm ACSYS Levelling Software programı
Matlab kullanılarak geliştirilmiştir. 30 günlük gözlem süresinde kullanılan eğim
düzeneğinin sıcaklık değişimlerinden etkilendiği düşünülerek eğimölçerler Kandilli
Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü Deprem Laboratuvarı'nda sarsma tablası
ve hava odası kullanılarak tekrar incelenmiştir. Çalışma sonucunda sıcaklık ve
eğimölçerler arasında ihmal edilemeyecek düzeyde korelasyon olduğu belirlenmiştir.
Yenileme çalışmaları devam eden SZKS'ye ait ön bilgiler sunulmuş, sistem donanım
ve yazılımları detaylı olarak incelenmiş ve modernizasyon sonrası yenilenen SZKS'ye
ait çalışmalar incelenmiştir.
Bu çalışma TÜBİTAK Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Projelerini Destekleme
Programı tarafından 115Y237 numaralı proje kapsamında desteklenmektedir.

Abstract:
Determination of a high accuracy geoid models is doubtlessly one of the main tasks
among geodesists in our age. Thus the most efficient way to use the developing GNSS
technology is dependent on the development of a geoid model with an accuracy at cm
level. Thouch the importance of vertical deflection determination out of other geoid
modelling methods has been known since the beginning of the 17th century, it was
ignored because of difficult measurement procedures.
Starting from the second half of the 20th century, thanks to the invention of CCD
(Charged Couple Device) technology, many disciplines, including geodesy, went under
great changes. With the invention of CCD technology, the difficulties of traditional
observation methods have been overcome with the progress that had taken place with
the use fully or partly automatic systems. At the same time thanks to the star catalogues
covering all the sky, determination of astronomical coordinates has become easier.
With the integration of GNSS and CCD technology, Digital Zenith Camera Systems
(DZCS) have been developed in many European countries such as Germany, Poland,
Serbia, Austria, Latvia, Swiss, Turkey and China in Asia. Using Turkey's first
national DZCS, developed by Kerem Halıcıoğlu in 2016, deflections of vertical were
successfully determined at 4 points on the Anatolian side of Istanbul.
In the first DZCS of Turkey, retrieval and processing of star images were done partly
automatically. Levelling of the whole system and turning it to the azimuth direction
were done manually by the observer. Therefore, skilled and experienced observers
were needed and due to hardware shotcomings, long observation periods were
required. To minimize the observation period and increase the accuracy of vertical
defletion, with the beginning of 2016, DZCS of Turkey went under modernization
process. The main objective of the modernization process is to minimize the
observation period by implementing a fully automatic system and increase accuracy
of vertical deflection by removing disprutive effect like wind, levelling etc.
Levelling the system is one of the major point when determining the astro-geodetic
deflection of vertical using DZCS, because the mathematical models apply only to the
zenit point. Thus DZCS should be oriented towards local plump line. Levelling process
in the old DZCS was done manually using a pair of Nivel 210 inclination sensors and a
standart tripod. It generally took one hour or more. Resolution of Nivel 210 inclination
sensor is 0.001 mrad. To meet the growing need for a better levelling accuracy, one
of the Nivel 210 sensors was substituted with a High Resolution Tiltmeter (HRTM)
of which resolution is smaller than 1 nrad. Also instead of standart tripod system, a
carrier based system was produced. For sharpening the star images, which obtained
from DZCS, a new temperature sensitive focuser was provided. Kerem Halıcıoğlu
used Pinpoint Astrometry Engine Software V.5 (PAE) for matching stars in the images
to the star catalogues. Instead of PAE, new star matching software Astrometry.net was
used.
The calibration phase consisted of two steps. Firstly, all components were calibrated
using different calibration methods. Secondly testing of all components was carried
out. All calibration and testing procedures were carried out in Bogazici University's
Kandilli Observatory and Earthquake Research Institute. Star images have been
used for calibration of the telescope. Telescope is directed to shining star in the
sky. Star images were systematically corrupted and saved. Corrupted stars in the
images lose point view and become circle. If the centres of the circles formed in the
innner and outer mirrors coincide, calibration of telescope is completed. Observation
results showed that centres of two mirrors coincided. When obtaining astro-geodetic
deflections of vertical, time is one of the most important factor. Therefore, shutter
latency should be determined. A test environment was created in Bogazici University
and using MaximDL software, shutter latency was determined 0.02 second. According
to the studies carried out in Europe, astro-geodetic deflection of vertical depend on the
azimuth values. After azimuth calibration, azimuths of all stars in the images were
determined. Due to the thermal, cosmic, atmospheric and camera effects, star images
include noises. To eliminate this noise from images, which include same disruptive
effects were used.
The calibration of inclination sensors has been the most time consuming issue.
Firstly, in accordance with the Nivel 210 user's manual, a calibration plate was
prodeced. Using calibration plate and a standard tripod an observation system was
created to investigate temperature dependent characteristics of inclination sensors,
sensors stability and environmental effects on the inclination sensors. Nearly 30 days
observations were carried out. Leica SpiderQC software enables data acquisition from
Nivel 210 inclination sensor. Tilt and temperature values are saved automatically and
these values can be seen simultaneously. Although Hterm software provides data
received from the HRTM inclination sensor, it does not have an automatic saving
feature and the corresponding values an only can be seen as electronic bit. Also by the
use of Hterm, 300 seconds data is lost on avarage on hour. To fully control the HRTM,
save data automatically, to synchronize it with the Nivel 210 and to decreasse the data
loss, a software, namely Rterm ACSYS Levelling Software V.1, was developed using
Matlab. Thanks to the Rterm software, data loss dropped from 30 seconds to 3 seconds,
tilt and temperature values can be seen simultaneously. However, the connection has
not been established for the Nivel 210 inclination sensor via Matlab and the reason
is not clear yet. Because the laboratory is used in working hours, the observation
between 07:00 and 19:00 were not processed. 30 days observations results showed a
high correlation between temperature and inclination sensors output. However, this
correlation could be taking place as a result of tripod expansion. To determine whether
or not there is a correlation between temperature changes and tilt values, a vibration
table and air chamber was used in Bogazici University's Earquake Laboratory. Effects
of rapid temperature changes on inclination sensors were investigeted.
According to the results from obtained air chamber, there is a correlation between
temperature and tilt values and this correlation can't be negligible because temperature
may change in observation time, which last nearly two hours or more. In addition,
using vibration table both inclination sensors response to the acceleration were
determined. Natural frequency of the Nivel 210 and HRTM were found as 1 and 0.1
Hz, respectively. A new star detecting and matching software called Astrometry.net
was used with new star catalogue. In this thesis, integration of all components to the
modernized DZCS of Turkey, creation process of an optimal structure, the first results
of modernized DZCS of Turkey and future plans are discussed.
This study was supported by TUBITAK Scientific and Technological Research
Projects Funding Program with the grant number 115Y237.