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中国科学技术大学硕士毕业论文 摘要 l a m o s t ( l a r g es k ya r e am u l t i o b j e c tf i b e rs p e c t r o s c o p yt e l e s c o p e ) 全称 “大天区面积多目标光纤光谱望远镜 ，是我国在建的一种大型光纤光谱天文望 远镜，它的建成将成为世界上口径最大和同时观测目标数最多的光纤光谱望远 镜。l a m o s t 将使我国天文学研究在大规模天体光谱的测量和有关的重大前沿 领域居于国际领先水平。 l a m o s t 是一个全自动进行观测运行和数据处理的系统，以最有效获得观 测数据和取得最大的科学成果。l a m o s t 数据处理系统( d p s ) 包括两个部分：一 是二维光谱数据处理系统，一是一维光谱数据处理系统。二维光谱数据处理系统 又包括离线数据处理和在线评估系统( o e s ) 。大量的数据处理工作要放到离线中 进行，它有标准而复杂的处理过程，它将观测到的原始二维光谱数据经一系列处 理后产生一维光谱，供后继的数据分析和科学研究所使用；而在线评估系统是在 观测现场及时、快速地分析观测产生的二维光谱数据，并对每一根光纤的观测结 果给出质量评估，为制定后续的观测计划提供及时的反馈信息。本文研究讨论了 l a m o s t 在线评估系统的组成及其功能，主要做了以下几方面的工作： 1 根据l a m o s t 的科学要求明确了在线评估系统的工作目标，并参考美 国的大型巡天观测系统s d s s ，确定了l a m o s t 在线评估系统的组成。 2 提出了l a m o s t 在线数据处理模型及其流程，并开发出了在线数据处 理程序，可以快速、有效地对l a m o s t 观测到的二维光纤光谱数据进行处理， 得到每根光纤的流量及其信噪比，并对每根光纤给出质量评估。详细讨论说明了 相关算法的实现及其步骤。 3 完成了在线评估系统与观测控制系统( o c s ) 之间的网络接口功能，使得 在线评估系统能够在观测控制系统的调度下执行一系列动作，以满足l a m o s t 系统的工作要求。 4 开发了在线评估系统的用户交互界面，将在线评估系统的主要功能集成 到了界面上，方便用户了解在线评估系统的工作状况以及进行一系列相关操作。 关键字：l a m o s t ，在线评估系统，在线数据处理，网络接口，用户交互界面 中国科学技术大学硕士毕业论文 a bs t r a c t l a m o s t ，、地i c h i sd e n o t e dt o “l a 唱es k ya r e am u l t i - 0 b j e c t f i b e r s p e c t r o s c o p yt e l e s c o p e ”，i so n eo f t h en a t i o n a lm 萄o rs c i e n t i f i cp r i d j e c t su n d e r t a k e n b yt h ec h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e l a m o s ti sa na u t o m a t i cs y s t e mf o ri t so b s e a t i 。na n dd a t ap r o c e s s i n g i t s d a t ap r o c e s s i n gs y s t e m ( d p s ) i sc o m p o s e do ft 、0 - d i m e n s i o n a ia 1 1 do n e d i m e n s 的n a l s p e c t r u md a t ap r o c e s s i n g o n l i n ee v a l u a t i o ns y s t e m ( o e s ) i sav e 拶i m p o r t a n tp a i to f t w o - d i m e n s i o n a ls p e c t m md a t ap r o c e s s i n g i tw i np r o c e s st l l et w o d i m e n s i o n a l s p e c t m md a t at i m e l ya n dq u i c k l y a tt h eo b s e r v a t i o ns c e n e ，柚de v a l u a t et h e o b s e r v a t i o nr e s u l t s ，a n dp r o v i d et h ef e e d b a c ki 晌肺a l i o nt oo b s e r v a t i o nc o n t r o l s y s t e m ( o c s ) f o rd e v e l o p i n gm e1 a t e ro b s e r v a t i o np l a n t h ec o m p o n e n to fo e sa i l d i t sf u n c t i o i l sa r ed i s c u s s e di nd e t a i li n t h i sp a p e f t h em a i nw o r k sa r ed e s c 曲e da s f o i i o 、鹕： 1 w en a i ld o w nt h ea s s i g n n l e n ta n d9 0 a 】o fo e sa c c o r d i n gt 0l a m o s t s c i e n t i f i cd e m a n d s ，a n da s c e n a i nt h ec o m p o n e n t so fo e sc o n s u j t i i 唱s l o a nd i g i t a l s k ys u r v e y ( s d s s ) i na m e r i c a 2 w bp r e s e n tt h ed a t a - p r o c e s s i n gm o d e la i l di t sp r o c e d u l ef o rl a m o s to e s a n dw ed e v e l o pt h ea l g o r i t p r o g r a mo ft h ep r o c e s s i n gp r o c e d u r e t h i si sm o s t i m p o r t a n tp a r ta 1 1 de l a b o r a t e di nt h ep a p e r 3 w ed e v e i o pm en e t w o r k i n gc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e b e t w e e no e sa n d o b s e a t i o nc o n t r o ls y s t e m ( 0 c s ) o fl a m o st o e sc a nf e c e i v et h es e r i e so f c o m m a u l d sf 如mo c st h r o u g hn e t w o r k i n a n dt h e nh a l l d l et h e s ec o m m a n d s c o m p l i a b l y 4 w ed e v e l o pt h eg r a p h i cu s e ri n t e r 份c e ( g u i ) f o r0 e s a n dt h e 如n c t i o n so f o e si si n t e g r a t e di ng u i ，b yw h i c hu s e r sc a nc o m p l e t et h er e l a t e dt a s ko fo e s k e y w o r d s ：l a m o s t o e s ，o n i i n es p e c t r u md a t ap r o c e s s i n g ，n e t w o r l 【i n g c o m m u n i c a “o ni n t e r f a c e ，g u i 中国科学技术大学硕士毕业论文 第一章绪论 天文学从本质上讲是一门以观测为基础的科学，其发展在很大程度上依赖于 对尽可能多的天体光谱进行尽可能多的观测并进行科学分析而总结出来的统计 规律。天文学中的大多数课题在试图认识某一天文现象之前，观测并记录下成千 上万个天体的光谱资料是绝对必须的。天文望远镜是观测天体的重要手段，可以 毫不夸大地说，没有望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学。随着望远镜在各 方面性能的改进和提高，天文学也正经历着巨大的飞跃，迅速推进着人类对宇宙 的科学认识。 1 1 研究背景及意义 大天区面积多目标光纤光谱望远镜( l a 娼es k ya r e am u l t i o b j e c tf i b e r s p e c t r o s c o p yt e l e s c o p e ，l a m o s t ) ，是我国正在研制的一种大型反射施密特天 文望远镜i l 】，它正是针对大规模天体光谱的开拓这一新形势而设计的。l a m o s t 的有效通光口径为4 米，焦距为2 0 米( 焦比为f 5 ) ，视场为2 0 平方度，光纤有 4 0 0 0 根，可以对较大天区范围( 2 0 平方度) 内的4 0 0 0 个目标的光谱进行长时间 的跟踪积分记录( 积分时间可至1 5 小时) ，是一种高效率、高分辨力的新型天 文望远镜。它的建成将成为世界上口径最大和同时观测目标数最多的光纤光谱望 远镜。l a m o s t 将使我国天文学在大规模光学光谱观测中，在大视场天文学研 究上，居于国际领先的地位。l a m o s t 由光学系统、机械结构系统、控制系统、 光纤系统、光谱仪和c c d 系统、计算机集成和观察室共7 个子系统构成。 l a m o s t 的研究课题包括：宇宙结构和演化及宇宙大尺度结构、星系演化问题、 活动星系核、星系团、奇特天体的发现、各类恒星的光谱和恒星演化问题等。 l a m o s t 每夜将观测上万个天体的光谱，而总的计划是观测上千万条光谱。 因此l a m o s t 应该是一个全自动进行观测运行和数据处理的系统，以最有效地 获得观测数据，并通过数据处理取得最有价值的科学成果。为此目的，l a m o s t 设计了一套完整的自动化观测与处理的软件【卜3 1 ，其中主要包括巡天战略系统 ( s s s ) 、望远镜控制系统( t s c ) 、焦面仪器控制系统( i c s ) 、观测控制系统( o c s ) 和 中国科学技术大学硕士毕业论文 图1 2l a m o s t 数据处理系统组成结构 本文研究讨论了数据处理系统中的在线评估系统，包括在线评估系统的组 成、在线数据处理、与观测控制系统的网络接口、光谱质量评估以及用户交互界 面这五个部分。 1 2 研究现状 随着l 剐o s t 的建成及其软件系统的日渐成熟，数据处理的地位越来越显 得重要，对数据处理的精确度要求也越来越高。l a m o s t 在线评估系统一方面 要在观测现场及时、快速地处理二维光谱数据，得到光纤流量及其信噪比：一方 面要对观测结果给出质量评估，同时还要将信噪比和质量评估结果反馈给观测控 制系统，以便后者及时制定观测计划；另一方面还要保存观测得到的良好光谱数 据以供日后进行离线数据处理。可见，l a m o s t 在线评估系统在整个数据处理 系统中也扮演着相当重要的角色。随着l a m o s t 整个系统的日臻完善，在线评 估系统需要很好地完成所承担的相关任务和要求。 美国的斯隆数字巡天观测( s l o a nd i g i t a ls k ys u r v e y ，s d s s ) 是目前国际上比 较成熟的大型望远镜观测系统之一1 4 】，它的望远镜口径2 5 米，装备有1 2 0 兆象 素的照相机，一次可以观测1 5 平方度的天区，相当于一个满月面积的8 倍。它 的两块光谱仪一次可以记录超过6 0 0 个星系和类星体的光谱，并有一套数据处理 系统可以随时对观测到的数据流进行处理。其数据处理系统已经比较成熟，对很 多观测数据进行了一系列处理、分析和研究，也公开发表了许多有价值的各种研 究数据。我们借鉴s d s s 取得的优秀成果，研究开发了适合l a m o s t 的在线评 估系统，完成了l a m o s t 数据处理的相关任务。 中国科学技术大学硕士毕业论文 测控制系统的网络调度命令下执行相关动作。当它接收到来自观测控制系统的计 算信噪比命令时，就开始按照在线数据处理流程对当时观测到的目标观测图像进 行完整的在线数据处理，最终得到每根光纤的流量及其信噪比，并根据信噪比对 每根光纤做出可靠的质量评估，然后再将得到的信噪比结果和评估结果及时返回 给观测控制系统。l a m o s t 在线评估系统主要包括在线数据处理、光谱质量评 估、与观测控制系统的网络接口以及用户交互界面四个部分，如图2 1 所示。其 中在线数据处理就是对单幅目标观测图像进行二维光谱数据处理，得到光纤流量 和比较准确的信噪比，它也是在线评估系统中最重要的部分；光谱质量评估就是 根据计算得到的信噪比结果对目标观测图像的质量进行可靠评估；与观测控制系 统的网络接口完成在线评估系统在观测控制系统的调度下执行相关动作的功能： 用户交互界面是给在线评估系统用户提供可视界面，并通过界面完成在线评估系 统的所有相关功能。 图2 1l a m o s t 在线评估系统的组成 2 3 l a m o s t 在线评估系统的工作过程 结合前一节介绍的在线评估系统四个组成部分，在线评估系统一次完整的工 作过程如图2 2 所示。首先，用户启动在线评估系统等待接收来自观测控制系统 的网络命令，这是用户交互界面的功能；当接收到读取光谱数据的命令时就从 c c d 缓存空间读取相应的光谱数据，这是网络接口的功能；当接收到计算信噪 比的命令时就对刚才读取的光谱数据进行数据处理得到信噪比，这是在线数据处 理的功能；然后对当前的观测结果按照要求做出各种质量评估，这是光谱质量评 估的功能；最后将得到的信噪比结果和质量评估结果反馈给观测控制系统，这是 中国科学技术大学颁士毕业论文 第三章在线数据处理 在线数据处理是l a m o s t 在线评估系统中最主要和最重要的部分，它的任 务就是对单幅目标观测图像进行一次简化的二维光谱数据处理，得到每根目标光 纤的流量及其信噪比。在线数据处理离不开离线数据处理，前者是在后者的基础 上建立起来的，所以首先我们介绍下离线数据处理的相关问题，然后再具体讨论 在线数据处理。 3 。1 离线数据处理 3 。1 ill a m o s t 观测流程 l a m o s t 的光路如图3 1 所示【1 】： 图3 1l a m o s t 光路图 目标天体的光经过两个反射镜a 和b 之后汇聚到焦平面c 上，然后通过接 在焦平面上的光纤束d 到达光栅，再经过光栅的散射，分成红、蓝两端分别投 影在两块c c d 上，最后在c c d 上会得到红蓝两端各一幅目标观测光谱图。 中国科学技术大学硕士毕业论文 目标天体光谱形成的物理模型如图3 。2 所示【j j ： 图3 2 目标天体光谱形成的物理模型 最后得到的观测信号或目标观测图像就是离线数据处理的对象，它是一幅二维光 纤光谱图像。其中红端的图像如图3 3 所示，横轴是色散方向，表示波长：纵轴 是空间方向，表示光纤的轮廓( 见3 3 3 节) ；象素值表示c c d 的读数值。蓝端 的光谱图像与红端相似，仅是波长覆盖范围不同而已。 黪黪彩g 鳓耢锈黼i 缀i 荔，缪群鬻耢黪鹳棼嚣。# 骥雅搦鳓露谚戮赣碧缪彩糍j 鳜缓黪魏勰鹫臻j 黪1 ：缓缓嬲黪缫獭 黪簇麟缀缓l 戮t ；一t 瑶谚豢：缓荔黟甏鹜。，雾瓣器瑟荔攀委j 鳜獭谚缓擎黪黪缓缀缀缓- 缓貔麓缓彩鳜鳜缓缓 r 目一一 ，一川i ! t l 一，匕、，1 、i 斗r 日，丘 图j j 红炯聃一z 佳尢升尤谐图像 l a m o s t 一次观测过程需要观测以下几种数据：目标光谱，天光谱，平场 图3 4 离线数据处理模型 相应地，离线数据处理流程如图3 5 所示： 图3 5 离线数据处理流程图 3 2 在线数据处理模型及流程 由于在线数据处理需要及时、快速地处理得到的目标观测图像，并且最后只 中国科学技术大学硕士毕业论文 要得到每根光纤的流量和信噪比，所以它不可能有离线数据处理那样繁琐复杂的 过程。在实际的观测过程中，光谱仪基本是不需要重新调整的，那么色散曲线、 光纤轨迹和光纤轮廓等参数是不变的，就不需要再利用平场灯谱和定标灯谱每次 求得，而只要读取之前求得的这些参数即可，所以在线数据处理只需进行b i a s 改正、光谱抽取、平场改正、计算天光和计算信噪比等几个主要步骤即可。在线 数据处理模型如图3 6 所示： 图3 6 在线数据处理模型 从上面的模型可以看出，在线评估系统不需要进行流量定标和合并红蓝光谱的过 程，而减天光实际上放在了计算信噪比的步骤中，后面会具体讨论。 相应地，在线数据处理流程如图3 7 所示： 中国科学技术大学硕士毕业论文 读出噪声的平方的倒数，类似于一种误差，在以后的光谱抽取和减天光中要用到， 它在天文学中的计算公式为： 溉唯3 际丽丽砺赤而丽磊两( 3 1 ) 其中切w 甜( f ，_ ) 表示第( ，) 象素上的倒方差，砌孵( f ，_ ，) 表示第( f ，) 象素上的 值，砌d 括p 表示c c d 的读出噪声，朋加表示c c d 增益。 3 3 3 光谱抽取 光谱抽取就是通过多项式曲线拟合的方法，对b i a s 改正后的目标观测图像 进行处理，得到所有光纤在每个波长上的流量【9 - l5 1 。下面具体讨论研究光谱抽取 的方法。 ( 1 ) 光纤轮廓形式 所谓光纤轮廓形式是指光纤光谱在c c d 上成像后，光纤流量在给定波长的空 间方向上的扩展形式【9 1 3 】。在l a m o s t 数据处理中假定每根光纤的轮廓都是高斯 轮廓，即其轮廓形式是一高斯分布函数。而为减小因轮廓标准差估算不准带来的 误差，常采用多高斯函数来逼近真实的光纤轮廓【1 4 1 ： 厂( x ) = a 蛩l ( x ) + 冬，7 2 ( x ) ( 3 2 ) 其中们，= 击唧 一譬卜标准的高斯轮廓，而是光纤轨迹帕，仃 是轮廓标准差；仍( x ) = 垒丢笙玩( x ) 是7 7 l ( 工) 的二阶矩函数，用于改正轮廓宽度。 逼近真实光纤轮廓的示意图如图3 8 所示： 图3 8 光纤轮廓示意图 中国科学技术大学硕士毕业论文 纤附近的采样点，按照( 3 6 ) 式规则最终求得的( x ) 即是与实际光纤轮廓最贴 近”的函数形式。 假定光纤总数为p ，这样在某波长上，p 根光纤轮廓的叠加就构成了此波长 空间方向上的目标观测图( 如图3 9 所示) ，即此波长空间方向上每一象素点对 应的流量值可用下式表示： 其中 图3 9 某波长上目标观测图的一部分 pp j ，( ) = z ( t ) = 【乃。巩。( 薯) + 厶：巩：( t ) 】 ( 3 7 ) 删= 南唧 一掣) 删幺一 8 ， 嘣班半删删，2 ， ( 3 9 ) 毛表示象素点，而。表示第扮根光纤的轨迹中心，吒表示第行根光纤的轮廓标准 兰 z lo 同时还要考虑到光谱中杂散光的影响。用q 阶契比雪夫多项式拟合此杂散 光，有如下形式： d l s ( ) = k 乙( 薯) ( 3 1 0 ) 肿= 0 其中，s ( 而) 是象素点薯上的杂散光值，是契比雪夫多项式的系数，瓦，( x ) 是对 应的契比雪夫多项式函数。 中国科学技术大学硕士毕业论文 写成矩阵形式如下：吼c o v = 局，= l ，2 ， ( 3 1 8 )七t lc = p ( 3 19 )icov嘶l c o v 嘶| vi其中c = j；。； j ，a = 【q ，r ，p = 【属，屈，风】7 。利用l c o v l c o v 口j cholesky分解原理即可求出方程组cn=p的解n【13嘲。 得到解a = 心，二一；羹1 2 引；雠薹猖一瓷茎霪希联刮藉皆剜鞲副孤篓窭 蓁i 国蓁；趸蒌硅雾袋潜蓁；摹薹，；菁s ，莹；i 篓i 篓鞫髫剡刮蜊割裂魏胜割型乳基 葡掣鑫衡，馏霜；摧巢蒜辔铡谣孺协债i 萋怕囊始篓霸堡巧牡雾萋膏妊戳刳亘静 委孓蟹爨雾糯嘲疆磲悔；日 l 纠酬酚；够薹雾釜罄墼蓠型蓊搿妄雾茉鎏蒂 薹釜i 虿剐：喜囊露豢涵瀚添埔； 猩吲嗜每瑚雾羹i 季尹骄霎额疆蕊；勤蓥瞳与酒鏊薹型萋：别斟薹雠理塑可以看出，蓝端在线数据处理计算天光的结果与离线数据处 理计算天光的结果是极其相近的，由于我们只关心最后信噪比结果的精度，这里 不再具体讨论在线数据处理中计算天光的精度问题。 c r o s s a i s o er s i o n p i x e ( o ) c r o s 5 一d ； x 中国科学技术大学硕士毕业论文 求，就修改坏点的标志位再次进行光谱抽取，直到完成。 在线数据处理光谱抽取的程序流程如图3 1 2 所示： 图3 1 2 光谱抽取的程序流程图 ( 4 ) 在线数据处理与离线数据处理光谱抽取的结果对比 下面给出对同一幅目标观测图像进行光谱抽取后，在线数据处理得到的部分 光纤流量与离线数据处理得到的同根光纤流量对比，分别如图3 1 3 和图3 1 4 所 示。 2 0 中国科学技术大学硕士毕业论文 3 o 参 兽 卫 三 3 d 毒 竺 ! 量 c r o s s d ；s p e ! s i o n p i x e i ( a ) b j l u x o f f f i b e rl d ：2 21 3 凸 未 ：宝 旦 c c r 0 5 s d i s p e ! s ；o n p i x e i ( b ) b - f l u x o n f b e r l d ：2 21 5 3 一d i 3 潜5 协啦刮 5 5 刮5 弼如n 曲e 图3 1 3 在线与离线数据处理蓝端光谱抽取结果的对比 图3 1 3 所示是对蓝端同一幅目标观测图像进行光谱抽取后得到的结果，其 中( a ) 表示离线数据处理得到的第1 0 4 根光纤的流量，( b ) 表示在线数据处理 得到的此根光纤的流量；( c ) 表示离线数据处理得到的第2 2 1 根光纤的流量，( d ) 表示在线数据处理得到的此根光纤的流量。从上图的比较可以看出，蓝端在线数 据处理的光谱抽取结果与离线数据处理的光谱抽取结果是极其相近的，由于我们 只关心最后信噪比结果的精度，这里不再具体讨论在线数据处理中光谱抽取的精 度问题，下同。 2 l c r o s s d ；s p e r s j o n p i x e ( b ) 中国科学技术大学硕士毕业论文 3 呈 言 至 兰 图3 1 4 在线与离线数据处理红端光谱抽取结果的对比 图3 1 4 所示是对红端同一幅目标观测图像进行光谱抽取后得到的结果，其 中( a ) 表示离线数据处理得到的第1 0 4 根光纤的流量，( b ) 表示在线数据处理 得到的此根光纤的流量；( c ) 表示离线数据处理得到的第2 2 l 根光纤的流量，( d ) 表示在线数据处理得到的此根光纤的流量。同样从上图的比较可以看出，红端在 线数据处理的光谱抽取结果与离线数据处理的光谱抽取结果是极其相近的。 3 3 4 平场改正 光谱观测和数据处理中，平场方法( n a t 6 e l d i n g ) 是一项必要的仪器改正与 数据定标步骤【2 2 诩】。平场方法的目的是对观测仪器的响应不均匀性进行改正， l a m o s t 仪器响应的不均匀性主要有：c c d 象素的相对灵敏度、光纤的相对透 过率、光谱仪的响应不均匀性和望远镜的响应不均匀性。在离线数据处理中这些 不均匀性会经过一些处理体现在归一化平场文件和超级平场文件中，因此在线数 据处理中的平场改正是将光谱抽取得到的目标光纤流量分别除以读取的归一化 平场和超级平场( 也叫平场除法) ，从而消除上述各种仪器响应的不均匀性。 3 3 5计算天光 计算天光是指在光谱抽取后计算每根目标光纤在每一波长( 或象素) 上的天 光流量值，它是采用b 样条曲线和曲面拟合方法实现的【2 5 。们。 ( 1 ) 天光概念 太阳落入地平线下1 8 。以后的无月晴夜，在远离城市灯光的地方，夜空所 呈现的暗弱弥漫光辉，又称夜天辐射：在测光工作中，则称为天空背景或夜天背 中国科学技术大学硕士毕业论文 景，我们称之为天光。它的主要来源是【3 1 】：气辉：高层大气中光化学过程产 生的辉光( 约4 0 ) ；黄道光：行星际物质散射的太阳光( 约1 5 ) ；弥漫 银河光：银道面附近星际物质反射或散射的星光( 约5 ) ：恒星光( 约2 5 ) ： 河外星系和星系间介质的光( l ) ；地球大气散射上述光源的光( 约1 5 ) 。 每平方角秒夜天背景的亮度约相当于目视星等2 1 6 等，蓝星等约2 2 6 等。在地 球大气外，夜天背景的亮度比地面观测的亮度大约暗一个星等。 对天文观测而言，天光谱的存在，在多数情况下会对观测造成不利影响，因 为作为背景，它降低了光谱观测的信噪比，所以在数据处理过程中必须将其去除。 ( 2 ) 天光计算方法 对一幅目标观测图像进行光谱抽取后会得到2 5 0 根光纤在每个波长上的流 量，这2 5 0 根光纤包括2 4 0 根目标光纤和1 0 根天光光纤。此时2 4 0 根目标光纤 的流量包含了真实的目标光谱以及额外的天光谱，因为在对目标天体进行观测时 不可避免的会引进天光背景。计算天光就是根据1 0 根天光光纤的流量来计算另 外2 4 0 根目标光纤中含有的天光流量。由于每个波长上的天光流量表现为一种高 度随机性，而b 样条曲线具有造型灵活的优点【3 2 3 3 1 ，只要灵活的选择样条结点 的数量和位置，就可以构造出含有直线段、尖点、切线等特殊情况的曲线，从而 模拟出天光流量的特性。因此，我们将采用b 样条曲线和曲面拟合的方法来计 算天光。 b 样条曲线的数学定义如下： j 砂( x ) = 丑色。d ( x ) ，( ；。x 勰，2 d 订+ 1 ) ( 3 2 0 ) 七= 0 其中只为拟合参数，它也是b 样条函数的控制点，可由最小二乘法及c h o l e s k y 分解原理解线性方程组反算求得，最，d ( x ) 为b 样条混合函数，它可由下面德布 尔考克斯递推公式求得： = 三瓮l ， 2 t ， 反d c x ，2 ：；：_ ；! r _ i i 鼠d 一- c ，d + j ：! ： ：j ：上夏+ t d t c x ， ( 3 2 2 ) 耳+ d i 一黾+ d 一坼+ l 其中吒为样条结点坐标，d 为多项式次数。 中国科学技术大学硕士毕业论文 在实际计算天光的算法中，采用3 次b 样条曲线拟合。由l o 根天光光纤在 每个波长上的流量求出拟合系数的算法由b s p l i n e i t e r 函数实现，由拟合系数求 出2 4 0 根目标光纤在每个波长上的天光流量由b s p l i n ev a l u 函数实现【6 一，这里均 不再详述。 按照l a m o s t 的设计，5 度视场的观测范围内，天光谱的空间差异是不可 避免的。如果能根据有限的天光光纤采样得到的天光谱重构出整个观测天区天光 谱的空间规律，就能够更精确的从目标光谱中减去天光，从而大大提高光纤光谱 光测质量和光谱深度。所以我们还使用了b 样条曲面拟合计算天光。 b 样条曲面的数学定义如下： 册一 跏( ) = 乃m ，( ”) m 小) ( 3 2 3 ) l 暑o - o 其中只，为拟合参数，m 。( “) 是“方向的曲线函数，实际计算中选用3 次b 样条 曲线， 也( v ) 是v 方向的曲线函数，实际计算中选用l e g e n d r e 正交多项式，它 们共同构成b 样条曲面函数。进行b 样条曲面拟合，由1 0 根天光光纤在每个波 长上的流量求出拟合系数的算法由b s p l i n e 2 di t e r 函数实现，由拟合系数求出2 4 0 根目标光纤在每个波长上的天光流量由b s p l i n e 2 d 一v a l u 函数实现【6 ，7 】，这里也不 再详述。 ( 3 ) 计算天光的程序流程 在线数据处理中计算天光的程序流程图如下所示： 中国科学技术大学硕士毕业论文 将所有天光光纤对应的波长、流量 及其倒方差分别存入变量 s k y 、v a v e 、s k y f l u x 和s k y i v a r 中 将天光光纤的光谱s k y f l u x 及其倒方 差s k y i v a r 按波长大小进行排序 调用b s p l i n e - i t e r 和b s p l i n e - v a i u 用3 次b 样条函数拟合s k y f l u x ，得到拟 合的天光谱s b f i t 计算拟合天光谱的信躁比s n s q r t 将s n s q n 大于0 的点与宽度为 2 n s k i e s 的高斯核进行卷积 重新选择样条节点，调用 b s p l n e - i t e r 再次拟合天光谱，得拟 合系数w ，剔掉的点写入o u t m a s k 由以上得到得的o u t m a s k ，调用 b s p l i n e 2 d j t e r 对s k y f l u x 做二维拟 合，得到拟合系数w 2 是 b s p li n e 2 d 拟合成功? 调用 b s p i i n e 2 d l v a l u 由w 2 计算拟合 天光谱f i j l l f i t 否 调用 b s p l i n e - v a i u 由 w 计算拟合天 光谱如l l f i t 调用b s p l i n e - i t e r 和b s p l i n 9 j a l u 用3 次b 样条函数拟合s k y i v a r ，得到拟 合的天光谱倒方差 计算拟合天光谱的卡方值 图3 1 5 计算天光的程序流程图 由以上流程最后可以求出2 4 0 根目标光纤在每个波长上包含的天光流量及 其倒方差，另外还会得到拟合天光谱的卡方值，以供后面的计算信噪比步骤使用。 ( 4 ) 在线数据处理与离线数据处理计算天光结果的对比 下面给出对同一幅目标观测图像进行光谱抽取以及计算天光后，在线数据处 理得到的部分光纤中的天光流量与离线数据处理得到的同根光纤中的天光流量 对比，分别如图3 1 6 和图3 1 7 所示： 2 5 中国科学技术大学硕上毕业论文 r j i u o f f f b e ri d ：2 21 c r o s s d i s p e r s i o n p i e lc r o s s d i s p e r s l o n p i x e i ( c )( d ) 图3 1 7 在线与离线数据处理得到的红端天光流量值对比 图3 1 7 所示是对红端同一幅目标观测图像进行光谱抽取并计算天光后得到 的结果，其中( a ) 表示离线数据处理得到的第1 0 4 根光纤中的天光流量值，( b ) 表示在线数据处理得到的此根光纤中的天光流量值；( c ) 表示离线数据处理得到 的第2 2 1 根光纤中的天光流量值，( d ) 表示在线数据处理得到的此根光纤中的天 光流量值。同样从上图的比较可以看出，红端在线数据处理计算天光的结果与离 线数据处理计算天光的结果是极其相近的。 3 3 6 计算信噪比 计算信噪比是在线数据处理的最后一个步骤，而信噪比结果的精确性是在线 数据处理必须达到的要求。 ( 1 ) 信噪比计算方法 参考s d s s 中计算信噪比的方法，在线数据处理中的信噪比计算方法如下： 定义单根光纤在波长五处的信噪比计算公式为： ( 剐) a = ( 一) 吃+ ( z 2 1 ) 略 ( 3 2 4 ) 其中，和分别为以上步骤求得的此根光纤在同一波长上的目标光谱流量 和天光谱流量；吒和吐分别为目标光谱和天光谱对应的倒方差；z 2 为拟合天 光谱的卡方值，值总是大于1 ，它是计算天光时求得的一个参数。由于l a m o s t 目标观测图像分红蓝两端，红端的波长范围为5 7 0 0a 9 0 0 0a ，蓝端的波长范 围为3 7 0 0a 5 9 0 0a ，为保证在线数据处理得到的信噪比更可靠，我们仅选择 每根光纤在红端6 9 1 0 a 8 5 0 0 a 波长范围内每个波长上的信噪比，或在蓝端 中国科学技术大学硕士毕业论文 4 0 0 0 a 5 5 0 0 a 波长范围内每个波长上的信噪比，因为在这些波长范围内宇宙射 线的影响很小。 按照( 3 2 4 ) 式计算单根光纤在波长范围内每个波长上的信噪比之后，将这些 信噪比值按波长排列成一维数组a 。= ( 剐) z ，然后对该数组进行窗口宽度为 w 鼬的中值滤波可得到数组a 。踟，最后再对a 一求均值，此结果即是此根 光纤的信噪比。其中中值滤波采用延拓的方法：先将原a 五数组进行两头延拓， 即在首部添加a 五中的第1 至第w f 旃衫2 ( w 础办一般取奇数，所以这里w f 衍形2 的 值取整即可) 个元素，尾部添加a 。中的倒数第w 触形2 至第1 个元素，得到新的 数组a 2 ，然后对a 五中的第w 础2 个元素( 即a 。的第1 个元素) 至倒数第 w 触形2 个元素( 即a 五的最后一个元素) 进行窗口宽度为w 抛的通常的中值滤 波得到数组a 。幽。w 抛一般取m 和k 础。中较小的那个值，而m 是该光纤 所在波长范围内波长的数目，w 卅踟是系统设置的一个固定窗口宽度，实际取值 为2 5 综上所述，若以( 剐) 。协表示某根光纤的信噪比，则有： ( 剐) 加= 击a 。幽= 击 m ：妒( a 名) ( 3 筋) ( 2 ) 在线数据处理与离线数据处理计算信噪比结果的对比 下面给出按照同样的信噪比计算方法，在线数据处理得到的信噪比结果与离 线数据处理得到的结果对比，如图3 1 8 和图3 1 9 所示。 6 0 5 0 4 0 世 云3 0 2 0 1 0 0 o5 01 0 01 5 0 2 0 0 05 01 0 0 1 5 0 2 0 0 f i b e rf df i b e r d ( o )( b ) 图3 1 8 在线与离线数据处理得到的蓝端各光纤信噪比的对比 o 叱z 中国科学技术大学硕士毕业论文 其中，p 肿，表示误差百分比，表示离线数据处理得到的信噪比，眠 表示在线数据处理得到的信噪比。 按照以上公式对图3 1 8 和图3 1 9 中的信噪比进行误差计算，得到误差图如 下所示： b s n r e r r o rr s n r er r o 2 u d 兰 乞 面 l 占 价 图3 。2 0 在线数据处理得到的信噪比相对离线数据处理的信噪比误差 其中，图3 2 0 ( a ) 表示的是图3 1 8 中在线数据处理得到的信噪比相对离线数据 处理的信噪比误差( 蓝端) ，( b ) 表示的是图3 1 9 中在线数据处理得到的信噪比 与离线数据处理得到的信噪比误差( 红端) 。经计算，蓝端信噪比误差最大值为 0 3 4 ，均值为0 0 6 ；红端信噪比误差最大值为0 8 7 ，均值为0 1 6 。 这里再给出另外几组实验数据的误差图： h 1s n r e r r o rr 1s n r e r r o 中国科学技术大学硕士毕业论文 图3 2 l 在线数据处理得到的信噪比相对离线数据处理的信噪比误差 其中，图3 2 l ( a ) 和( c ) 所示的是对两组蓝端数据处理后，在线数据处理得到 的信噪比相对离线数据处理的信噪比误差，( b ) 和( d ) 所示的是对两组红端数 据处理后，在线数据处理得到的信噪比相对离线数据处理的信噪比误差。经计算， ( a ) 中的误差最大值为0 2 6 ，均值为0 0 7 3 ，( b ) 中的误差最大值为0 7 5 ，均值为o 1 5 ，( c ) 中的误差最大值为o 3 3 8 ，均值为o 0 7 9 ，( d ) 中的 误差最大值为o 7 8 ，均值为0 1 7 。 除以上所列的实验结果外，我们还做了大量的数据测试，从统计结果看，按 照( 3 2 6 ) 式计算得到的蓝端误差值均在o 5 以下，红端误差值均在l 以下。在 线数据处理的精度已非常接近离线数据处理的精度，也远远超过了l a m o s t 在 线评估系统的科学要求指标。 中国科学技术大学硕士毕业论文 第四章光谱质量评估 在线评估系统计算完信噪比之后就可以对本次的观测结果进行一定的质量 评估了，并进而把评估结果反馈给观测控制系统。质量评估主要有以下几种： ( 1 ) 确定是否存在损坏的光纤或断光纤，以及损坏光纤或断光纤的位置和 编号； ( 2 ) 评估本次曝光中的光纤是否对准目标，并确定可能未对准目标的光纤 的编号： ( 3 ) 评估本次曝光中各个观测目标的信噪比是否达到要求( 曝光量是否不 足) 。 设定三个信噪比阈值互、正和五，并总是令石= o ，假设在线评估系统计算 得到的某根光纤信噪比表示为舳侬，则利用以下关系做出相应评估： ( 1 ) 当s r 互时，此根光纤是坏光纤或断光纤； ( 2 ) 当五 跚氓互时，此根光纤的信噪比没有达到要求； ( 3 ) 当互 印衄乃时，此根光纤没有对准目标a 光谱质量评估的可靠性完全依赖在线评估系统计算得到的各光纤信噪比的 精确度，由前章所述可知在线数据处理的精度非常接近离线数据处理的精度，所 以这里给出的质量评估是可靠的。 需要说明的是由于目前l a m o s t 项目正在建设中，这里的信噪比阂值7 ：、互 和兀均是根据模拟数据暂时确定的，可能还不能够适应l a m o s t 真实光谱的需 求。待l a m o s t 系统观测到质量较好的光谱后，我们将根据实际情况再做具体 修正。 中国科学技术大学硕士毕业论文 第五章与观测控制系统的网络接口 5 1 在线评估系统与观测控制系统的关系 观测控制系统( o c s ) 是l a m o s t 软件系统的核心( 见图1 1 ) ，各子系统通 过网络接口在它的调度下进行工作。同样，l a m o s t 在线评估系统( 0 e s ) 也是在 观测控制系统调度下执行相关任务的。实际上在线评估系统与两个系统有关联， 它们分别是观测控制系统和焦面仪器控制系统的c c d 缓存空间，三者之间的关 系如图5 1 所示： 图5 1o c s 、c c d 和o e s 三者之间的关系 其中，观测控制系统向在线评估系统发送各种命令，在线评估系统接收命令后执 行各种操作，然后将状态和结果一一返回给观测控制系统；而在线评估系统只从 c c d 缓存空间读取相关数据。本章主要研究讨论在线评估系统与观测控制系统 的网络接口命令的内容，以及在线评估系统是如何在观测控制系统的调度下进行 工作的。 5 2 网络命令的内容 在线评估系统与观测控制系统之间共有5 个网络命令： ( 1 ) o e s r e a d y 命令 命令i d ：5 1 0 1 1 中文名称：o e s 系统准备好 中国科学技术大学硕士毕业论文 收到此命令后，一边接收来自观测控制系统的f i t s 头信息，一边将它们写入光谱 数据文件中，如果接收和写入数据正确，就向观测控制系统返回r v = o ：如果接 收或写入数据错误，则返回r v = 1 。 ( 5 ) 0 e s c a l c s n r 命令 命令i d ：5 2 0 2 1 中文名称：o e s 计算信噪比 功能描述：此命令是所有网络命令中最核心的命令，它告诉在线评估系统对 一次曝光结束后得到的红蓝端目标观测图像同时进行在线数据处理，得到每根目 标光纤的流量及其信噪比，并做出光谱质量评估，最后将信噪比结果和质量评估 结果返回给观测控制系统。 5 3 网络命令传输过程 在线评估系统与观测控制系统间网络命令的具体传输过程如图5 2 所示。从 观测控制系统发送0 e s r e a d y 命令开始，到o e s c a l c s n r 命令结束，在线评估系统 一一对接收到的命令进行处理并返回状态和结果。值得注意的是，在线评估系统 在接收到每一个命令后，除了向观测控制系统返回r v 值外，还返回了“s t a r t 、 “a c t i v e ”和“d o n e 三种中间状态，详见见附录一和附录二。其中，“s t a r t 状态表示在线评估系统已经接收到该命令，“a c t i v e 状态表示在线评估正在 执行该命令，而“d o n e ”状态表示在线评估系统已执行命令结束。 中国科学技术大学硕士毕业论文 s o c k e t ( 又称套接口) 是通过标准的u 血x 文件描述符以及接口函数( a p i ) 与其 它程序通信的一种方法【3 6 】，一个完整的s o c k e t 由协议、本地地址、本地端口、 远程地址和远程端口五部分组成( 又称五元组) 。借助s o c k e t 编程，就可以实现 在线评估系统与观测控制系统间的网络通信。我们采用基于客户一服务器的 s o c k e t 模型，其中在线评估系统( o e s ) 作为服务器，等待接收各项命令并执行各 种相应动作；观测控