對(duì)空間物體進(jìn)行自動(dòng)化的無縫光譜處理和波長(zhǎng)定標(biāo)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間物體數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種對(duì)空間物體無縫光譜的快速處 理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無縫光譜鑒于有可以同時(shí)多目標(biāo)觀測(cè)，不受狹縫限制，不需要很高的指向精度等 優(yōu)點(diǎn)，在空間物體和其它方面上具有廣泛的用途，尤其如果配上大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，可以進(jìn)行大 規(guī)模的高效率的光譜巡天。然而對(duì)其數(shù)據(jù)處理具有較大的技術(shù)難度，尤其是要在各波長(zhǎng)上 進(jìn)行均勻的平場(chǎng)改正、精確的波長(zhǎng)一直是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，需要大量的人力物力，而且 對(duì)于空間物體等觀測(cè)，需要快速甚至準(zhǔn)實(shí)時(shí)地得到最終的處理結(jié)果。因而需要采用新的自 動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理方法來對(duì)無縫光譜進(jìn)行快速處理和波長(zhǎng)定標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明主要針對(duì)目前的無縫光譜進(jìn)行自動(dòng)的預(yù)處理（儀器響應(yīng)改正）、二維光譜 自動(dòng)識(shí)別、定位、抽譜、波長(zhǎng)定標(biāo)過程。
[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種對(duì)空間物體進(jìn)行自動(dòng)化的無縫光譜處理和波長(zhǎng)定標(biāo)方 法，該方法基于傳統(tǒng)光譜數(shù)據(jù)處理和波長(zhǎng)定標(biāo)，能夠解決無縫光譜的自動(dòng)化高效批量處理 問題。本發(fā)明的方法可以進(jìn)行自動(dòng)化的批量處理，在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)批量無縫光譜進(jìn)行處理， 可靠性高，運(yùn)行穩(wěn)定，處理速度快，人工參與程度低，自動(dòng)化程度較高，因此本方法為無縫光 譜的動(dòng)畫化批量處理供了很好技術(shù)支持。
[0005] 本發(fā)明的對(duì)空間物體進(jìn)行自動(dòng)化的無縫光譜處理和波長(zhǎng)定標(biāo)方法包括以下步 驟：
[0006] 對(duì)空間物體的二維光譜圖像進(jìn)行分類和預(yù)處理的步驟，用于對(duì)本底圖像、平場(chǎng)圖 像和暗場(chǎng)圖像分別進(jìn)行合并，并進(jìn)行本底和暗流改正；
[0007] 對(duì)空間物體的二維光譜進(jìn)行識(shí)別、定位、剪切的步驟，用于對(duì)經(jīng)過預(yù)處理后的圖像 中的光譜進(jìn)行識(shí)別和定位，然后對(duì)二維光譜進(jìn)行剪切；
[0008] 對(duì)定標(biāo)燈的二維光譜做上述同樣的處理；
[0009] 對(duì)剪切的定標(biāo)燈的二維光譜進(jìn)行追跡、旋轉(zhuǎn)和抽譜的步驟，用于對(duì)剪切的二維光 譜圖像順次進(jìn)行平滑處理、追跡擬合處理、旋轉(zhuǎn)處理和抽譜等處理；
[0010] 根據(jù)已知定標(biāo)燈一維譜得到色散方程，然后根據(jù)色散方程利用觀測(cè)的多波段平場(chǎng) (X，Y，A)對(duì)剪切的空間物體二維光譜完成平場(chǎng)改正；
[0011] 對(duì)剪切的空間物體二維光譜進(jìn)行追跡、旋轉(zhuǎn)和抽譜的步驟，用于對(duì)剪切的二維光 譜圖像順次進(jìn)行平滑處理、追跡擬合處理、旋轉(zhuǎn)處理和抽譜處理；
[0012] 波長(zhǎng)定標(biāo)的步驟，用于將定標(biāo)燈譜得到的色散方程，運(yùn)用到待定標(biāo)的空間物體一 維光譜中，就完成波長(zhǎng)定標(biāo)；以及
[0013] 歸檔整理所有觀測(cè)結(jié)果的步驟，用于對(duì)整晚波長(zhǎng)定標(biāo)后的空間物體的一維光譜進(jìn) 行整理，按照用戶的需求生成固定格式的表格。
[0014] 本發(fā)明能夠產(chǎn)生以下有益的技術(shù)效果：
[0015] 本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理的過程自動(dòng)化程度高，需要很少的人工干預(yù)，容易操作，對(duì)數(shù)據(jù) 處理人員的數(shù)據(jù)處理能力要求低，便于應(yīng)用和推廣，同時(shí)減少了由于不同操作人員而造成 的結(jié)果差，便于不同系統(tǒng)的處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
[0016] 本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理結(jié)果穩(wěn)定，可靠性高，多次運(yùn)行結(jié)果穩(wěn)定，不存在系統(tǒng)偏差。
[0017] 本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理效率高，速度快。運(yùn)行速度取決于波長(zhǎng)范圍、波長(zhǎng)分辨率、運(yùn)行 機(jī)器的性能等因素，可以在較短時(shí)間內(nèi)完成大量的數(shù)據(jù)，一般幾秒鐘可完成一條光譜數(shù)據(jù) 的處理，基本可實(shí)現(xiàn)在一天時(shí)間內(nèi)完成前一天晚上的所有光譜觀測(cè)數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的對(duì)空間物體進(jìn)行自動(dòng)化的無縫光譜處理和波長(zhǎng)定標(biāo)方法的流程 圖；
[0019] 圖2示出本發(fā)明的本底圖像；
[0020] 圖3示出本發(fā)明的SDSS濾光片系統(tǒng)透過率曲線；
[0021] 圖4示出本發(fā)明的原始二維光譜圖像；
[0022] 圖5示出本發(fā)明的已知定標(biāo)燈譜；
[0023] 圖6示出本發(fā)明的色散方程擬合結(jié)果；
[0024] 圖7示出本發(fā)明的平滑后的二維光譜圖像；
[0025] 圖8示出本發(fā)明的二維光譜追跡擬合結(jié)果；
[0026] 圖9示出本發(fā)明的經(jīng)旋轉(zhuǎn)后二維光譜圖像；
[0027] 圖10示出本發(fā)明的沿垂直色散方向的光譜輪廓高斯擬合結(jié)果；
[0028] 圖11示出本發(fā)明的抽譜后得到的一維光譜；
[0029] 圖12示出本發(fā)明的±1級(jí)譜合并后的一維光譜；
[0030] 圖13示出本發(fā)明的波長(zhǎng)定標(biāo)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 以下將參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的示例性實(shí)施方式。在本發(fā)明中，以現(xiàn)代衛(wèi)星作 為觀測(cè)目標(biāo)的示例，但這不是限制性的，包括現(xiàn)代衛(wèi)星在內(nèi)的任何具有不同的姿態(tài)穩(wěn)定方 式的同步軌道空間物體（以下簡(jiǎn)稱為空間物體）都可以作為本發(fā)明的觀測(cè)目標(biāo)。
[0032] 本發(fā)明的對(duì)空間物體進(jìn)行自動(dòng)化的無縫光譜處理和波長(zhǎng)定標(biāo)方法包括五個(gè)步驟： 對(duì)光譜圖像進(jìn)行分類和處理的步驟；對(duì)空間物體和定標(biāo)燈二維光譜進(jìn)行識(shí)別、定位、剪切的 步驟；對(duì)定標(biāo)燈譜剪切的光譜進(jìn)行追跡、旋轉(zhuǎn)和抽譜的步驟；根據(jù)定標(biāo)燈譜得到色散方程， 對(duì)空間物體剪切的光譜進(jìn)行平場(chǎng)改正，再進(jìn)行追跡、旋轉(zhuǎn)和抽譜的步驟；根據(jù)定標(biāo)燈譜得到 色散方程，進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)的步驟；以及歸檔整理所有觀測(cè)結(jié)果的步驟。
[0033] 以下將分別上述各個(gè)步驟進(jìn)行詳細(xì)說明，圖1為流程圖。
[0034] 步驟一：對(duì)空間物體的二維光譜圖像進(jìn)行分類和處理的步驟。
[0035] 該步驟具體包括以下子步驟：
[0036] 子步驟A:獲取本底圖像（Bias)、平場(chǎng)圖像（Flat)、暗場(chǎng)圖像（Dark)。
[0037] 對(duì)于無縫光譜的數(shù)據(jù)，最終的處理精度會(huì)受到光學(xué)系統(tǒng)（包括光源）和探測(cè)器的 均勻度、線性度以及響應(yīng)度的影響，因此，無縫光譜的處要求先消除CCD的象元間的像素差 異和光學(xué)系統(tǒng)的差異，校正像畸變等。為保證數(shù)據(jù)處理精度，除了需要空間物體的無縫光譜 時(shí)，需要一批用于系統(tǒng)校正的圖像，主要包括：本底圖像（Bias)、平場(chǎng)圖像（Flat)和暗流圖 像（Dark) 〇
[0038] 本底（Bias)圖像如圖2所示，一般每晚的數(shù)據(jù)中包含10-20幅，ADU讀數(shù)一般在 500-2000 之間。
[0039] 對(duì)于無縫光譜的平場(chǎng)，和一般的測(cè)光或者長(zhǎng)縫光譜相比拍攝難度較大，因?yàn)闊o縫 光譜在CCD上成像的二維譜位置是不固定的。理想的狀態(tài)是拍攝一系列的單色光，然后 根據(jù)不同顏色的平場(chǎng)來修正某波長(zhǎng)處的顏色響應(yīng)，最終修正整條光譜。實(shí)際上可使用一 系列濾光片系統(tǒng)來近似，如圖3所示的SDSS(SloanDigitalSkySurvey)濾光片系統(tǒng)的 u'g'r'i'z' 5個(gè)波段，從而對(duì)無縫光譜的平場(chǎng)進(jìn)行近似，當(dāng)然也可采用其它測(cè)光系統(tǒng)如 Johnson-CousinsUBVRI等。
[0040] 對(duì)于暗場(chǎng)（Dark)圖像，主要是消除探測(cè)器本身的暗電流。拍攝時(shí)要和曝光時(shí)間保 持一致。
[0041] 子步驟B:合并本底圖像，對(duì)所有光譜圖像進(jìn)行本底改正，消除探測(cè)器及光電觀測(cè) 設(shè)備的偏置電壓及不均勻性影響。
[0042] 本底在數(shù)據(jù)處理時(shí)要進(jìn)行合并，在所有的圖像中都要進(jìn)行修正。由于本底圖像還 存在一定的二維結(jié)構(gòu)，因此必需進(jìn)行改正。
[0043] 子步驟C:對(duì)不同波段的平場(chǎng)圖像，做歸一化的三維平場(chǎng)（X，Y，入）。
[0044] 我們得到每個(gè)象元不同波長(zhǎng)的平場(chǎng)響應(yīng)，需要對(duì)每個(gè)波段的平場(chǎng)都做歸一化，得 到歸一化的三維平場(chǎng)（X，Y，A)，然而平場(chǎng)改正必需要進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)后才可以進(jìn)行。
[0045] 子步驟D:合并暗場(chǎng)圖像，進(jìn)行暗場(chǎng)改正，消除探測(cè)器上暗電流的影響。
[0046] 對(duì)于一般(XD，通常小時(shí)級(jí)的曝光，只有幾個(gè)電子，對(duì)于短曝光（如幾分鐘之內(nèi)）， 幾乎可以忽略其影響。
[0047] 步驟二：對(duì)空間物體和定標(biāo)燈的二維光譜進(jìn)行識(shí)別、定位、剪切的步驟。
[0048] 該步驟具體包括以下子步驟：
[0049] 子步驟E:對(duì)經(jīng)過本底和暗流改正后的圖像中的二維光譜進(jìn)行識(shí)別和定位，主要 根據(jù)光譜的0級(jí)譜。
[0050] -般在二維光譜中，由于空間物體零級(jí)譜的形狀類似點(diǎn)源，可通過信噪比 (Signal-to-NoiseRatio,SNR)以及銳度（Sharpness)和圓度（Roundness)來判斷，比較明 亮且容易辨認(rèn)；而對(duì)其它恒星而言，其零級(jí)譜是一條線。
[0051] 信噪比可用如下公式計(jì)算：
[0053] 其中DN為CCD讀數(shù)，Gain為增益。
[0054] 銳度（Sharpness)需要給出截至的上下限，定義為
[0056] 其中DN_是零級(jí)譜探測(cè)中最大讀數(shù)值，DNnm是周圍臨近像素的平均值，h是二維 高斯擬合的半高全寬FWHM。對(duì)于該參數(shù)一般默認(rèn)取[0. 2, 1. 0]范圍。
[0057] 圓度（Roundness)用來判斷零級(jí)譜圓的程度，定義為
[0059] 其中匕和h,分別為在X和y方向的一維高斯擬合的半高全寬FWHM，一般取 [-1. 0, 1. 0]的范圍，顯然對(duì)于該參數(shù)零級(jí)譜越圓越接近0。
[0060] 子步驟F:對(duì)空間物體和定標(biāo)燈的二維光譜圖像中辨認(rèn)出的零級(jí)譜進(jìn)行定位，然 后對(duì)光譜進(jìn)行剪切（CutoutSpectrum)，以0級(jí)光譜為中心，沿色散方向剪切成一長(zhǎng)條。
[0061] -般在跟蹤空間物體的模式中，對(duì)于空間物體而言，其零級(jí)譜是點(diǎn)源，容易識(shí)別， 而其它恒星的零級(jí)譜是一條線，因此很容易區(qū)分。然后根據(jù)零級(jí)譜的位置對(duì)光譜進(jìn)行剪切 (CutoutSpectrum)，以0級(jí)光譜為中心，沿色散方向剪切成一長(zhǎng)條（如圖4所示）。
[0062] 可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行二維光譜剪切，在色散方向盡量保證0級(jí)和±1級(jí)譜的完 整性。在空間方向，對(duì)于空間物體的光譜，盡量不讓別的星光進(jìn)入造成污染，也要保證一定 量的天光進(jìn)行背景估計(jì)。
[0063] 步驟三：對(duì)定標(biāo)燈譜剪切的光譜進(jìn)行追跡、旋轉(zhuǎn)和抽譜，并擬合色散方程的步驟。
[0064] 該步驟具體包括以下子步驟：
[0065] 子步驟G:對(duì)剪切后的定標(biāo)燈光譜圖像進(jìn)行平滑處理便于光譜追跡。
[0066] 對(duì)光譜圖像進(jìn)行平滑處理可以去除一些隨機(jī)噪聲，增強(qiáng)光譜的信噪比，便于進(jìn)行 光譜的追跡和擬合。需要特別指出的是，二維光譜圖像的平滑僅僅用于追跡和擬合