（信号与信息处理专业论文）lamost二维光谱数据处理方法研究与软件开发.pdf

摘要 摘要 多目标光纤光谱技术的使用和发展促进了现代天体物理学研究的巨大进步。 天体光谱是包含着天体重要物理信息的载体，已经成为天文学和天体物理研究 的重要工具。获得大量天体光学光谱，是大视场、大样本天文学研究的关键， 涉及到天文学和天体物理学领域诸多前沿问题。 正在建造的l a m o s t ( 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜) 将产生大 量的天体光谱数据。面对这些海量数据，如何进行快速有效处理的问题就摆在 我们面前。l a m o s t 二维光谱数据处理作为l a m o s t 天文光谱数据处理的重要 组成部分，为进一步的光谱识别和分析并最终获取天体的各种物理信息( 如红 移、视向速度等) 提供可靠的数据来源。 本文从l a m o s t 观测流程出发，研究l a m o s t 光谱数据的形成机理，参考 国外成熟望远镜的数据处理系统，研究l a m o s t 二维光谱数据处理方法并开发 处理软件。论文主要工作和创新有： 根据实际观测流程建立l a m o s t 观测物理模型和数学模型，参照l a m o s t 设计参数产生了l a m o s t 观测模拟数据。为l a m o s t 二维光谱数据处理方法 的研究，并验证方案的可行性，提供了测试数据。 研究了美国s d s s 的数据处理系统，根据l a m o s t 观测流程，确立了 l a m o s t 天文望远镜的二维光谱数据处理流程，研究完成了“l a m o s t 二维光 纤光谱数据处理软件1 o 和2 0 版本”的开发。并用模拟数据进行了测试。实现 了l a m o s t 二维光谱数据处理的基本功能。 在多目标光纤光谱观测中，目标光谱受到了天光的严重干扰，减天光方法直 接影响目标天体真实光谱的获取质量，这是二维光纤光谱数据处理的一个重点 和难点问题。考虑到观测天区里天光背景的存在空间差异，而现有方法忽略了 天光谱的这种空间差异，仅用有限天光采样光纤光谱的简单合成代替整个观测 天区的天光，直接影响了多目标光纤光谱的减天光精度，这也是影响光纤光谱 观测深度的最主要原因。本文根据天光采样光谱及其空问位置信息，提出了一 种基于b 样条曲面拟合天光谱的减天光方法，并进行了初步的模拟实验，结果 表明，该方法能更有效地消除天光背景的空间差异导致的减天光误差。 摘要 单幅二维光谱图像宇宙线自适应剔除算法的研究。提出一种单幅光谱c c d 图像宇宙线去除方法。先采用一种改进的自适应中值滤波算法识别出可能被宇 宙线污染的像素点并将其作为噪声的候选点，然后采用边缘保持算法t v i n p a i n t i n g 恢复被噪声污染像素点的值。模拟实验结果表明，该方法既能够很好 地去除宇宙线，又能精确地恢复被宇宙线污染像素点的流量值。 关键词：l a m o s t 二维光谱数据处理减天光曲面拟合宇宙线数字全变差 修补 u a b s t t a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to v e rt h el a s tt w od e c a d e so fe f f i c i e n ta n dr e l i a b l em u l t i o b j e c t f i b e rs p e c t r o s c o p yh a sr e s u l t e di ne n o r m o u sa d v a n c e si nm o d e ma s t r o p h y s i c s t h e i m p o r t a n ta s t r o p h y s i c a li n f o r m a t i o ni sh i d d e ni ns p e c t r a ll i n e so fa s t r o n o m i c a ls p e c t r a , w h i c hi st h e i m p o r t a n tc h a n n e lo fo b t a i na s t r o p h y s t e a l i n f o r m a t i o na n di st h e i m p o r t a n tt o o lf o rr e s e a r c ho na s t r o n o m ya n da s t r o p h y s i c s ，t h ek e yp r o b l e mo ft h e w i d e f i e l da n dl a r g es a m p l ea s t r o n o m yr e s e a r c hi sh o wt oo b t a i nv a s ta s t r o n o m i c a l s p e c t r a , w h i c hi sr e l a t e dt oa s t r o n o m ya n da s t r o p h ) ，s i c sf o r e f r o n to f m a n yi s s u e s t h el a m o s t ( l a r g es k ya r e am u l t i o b j e c to p t i c a lf i b e rt e l e s c o p e ) i si nt h e s t a g eo fd e v e l o p m e n t ，a n dw i l ly i e l dv e r yl a r g ea m o u n to fa s t r o n o m i c a ls p e c t r a t h e q u e s t i o nh o wt of a s ta n de f f e c t i v ec o p ew i t ht h ea n t i c i p a t e df l o o do fs p e c t r o g r a p h i c d a t ai sr a i s e d a sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h el a m o s td a t ap r o c e s ss y s t e m ，t h e t w o d i m e n s i o n a ls p e c t r o g r a p h i cd a t ap r o c e s s i n gs y s t e mp r o v i d ear e l i a b l es o u r c eo f d a t af o rf u r t h e rs p e c t r a lr e c o g n i t i o na n da n a l y s i sa n df o ro b t a i n i n gt h eu l t i m a t e p h y s t e a li n f o r m a t i o n ( e ，g r e d s h i f t ，r a d i a lv e l o c i t ye ta 1 ) a c c o r d i n gt ot h el a m o s to b s e r v a t i o np r o c e s s ，t h ep a p e rs t u d i e dt h ef o r m a a o n m e c h a n i s mo ft h el a m o s tt w o - d i m e n s i o n a ls p e c t r o g r a p h i cd a t a , p r o p o s e dt h e t w o - d i m e n s i o n a l s p e c t r o g r a p h i cd a t ap r o c e s sm e t h o da n dd e v e l o p e dt h ep r o c e s s s o f t w a r e t h em a i nw o r ka n di n n o v a t i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： l a m o s to b s e r v a t i o np h y s i c a lm o d e la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lh a v eb e e nb u t i t b yt h ea c t u a lo b s e r v a t i o np r o c e s s i no r d e rt or e s e a r c ho nl a m o s tt w o d i m e n s i o n a l s p e c t r o g r a p h i cd a t ap r o c e s sm e t h o da n dv e i l f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d ，t h e s i m u l a t e dd a t ah a sb e e np r o d u c e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g np a r a m e t e r s r e f e r r i n gt os d s s ，t h et w o d i m e n s i o n a ls p e c t r o g r a p h i cd a t ap r o c e s sm e t h o do f l a m o s tw a se s t a b l i s h e d n l ev e r s i o n1 0a n d2 0o ft w o - d i m e n s i o n a ls p e c t r ad a t a p r o c e s ss o f t w a r ew a sa l s oc o m p l e t e d w h i c hw a st e s t e dw i t hs i m u l a t e dd a t a t h e r e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ep r o c e s sc o u l db a s i c a l l ym e e tt h ed e s i g n e dd e m a n do f l a m o s t f o rt h eo b j e c ts p e c t r ac o n t a m i n a t e db yt h es k yb a c k g r o u n d ，a c c e s st ot h et r u e o b j e c ts p e c t r aw a sa f f e c t e db yt h es k ys u b t r a c t i o na p p r o a c hw h i c hi sa l li m p o r t a n ta n d i l l a b s t r a c t d i f f i c u l tp r o b l e mo f t w o d i m e n s i o n a ls p e c t r ad a t ap r o c e s s t h e r ea r es p m i mv a r i a t i o n s i nt h es k yb a c k g r o u n di no b s e r v a t i o na r e a b u ta l lc u r r e n tm e t h o di g n o r e dt h es p a t i a l v a r i a t i o n sa n dc o m b i n e dt h es a m p l e ds k ys p e c t r at or e p l a c et h es k yb a c k g r o u n d s o t h ep r e c i s i o no fs k ys u b t r a c t i o nw a si m p a c t e d ，w h i c hi st h eu p m o s tf a c t o ro f o b s e r v i n gd e p t h i nt h ep a p e r , t h es k ys u b t r a c t i o nm e t h o dw a sp r e s e n t e db a s e do n b s p l i n es u r f a c ef i t t i n gs k ys p e c t r a ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w n t h a tm e t h o dc a n i m p r o v et h ep r e c i s i o no fs k ys u b t r a c t i o nb e c a u s eo fs p a t i a l v a r i a t i o n si nt h es k y b a c k g r o u n d am e t h o dw a sp r o p o s e dt of i n da n dr e m o v ec o s m i c r a y sf r o mas i n g l e s p e c t r o s c o p i cc c di m a g e s f i r s t ，am o d i f i e dm e d i a nf i l t e ri su s e dt oi d e n t i f yp i x e l s w h i c ha r el i k e l yt ob ec o n t a m i n a t e db yc o s m i c - r a y s ，a sn o i s ec a n d i d a t e s t h e na n e d g e - p r e s e r v i n gt e c h n i q u e ，c a l lt vi n p a i u t i n g ，w a s , u s e dt or e s t o r et h en o i s ec o r r u p t e d p i x e l s s u c ha m e t h o di sa p p l i e dt os p e c t r o s c o p i cc c di m a g e s t h er e s u l ts h o w st h a t t h ec o s m i c - r a yc a nb ew e l l 厕e c t e db yt h em e t h o dw i t h o u to b v i o u sd e g r a d a t i o no nt h e p i x e lf l u xv a l u e k e yw o r d s ：l a m o s t , m u l t i o b j e c tf i b e rs p e c t r o g r a p h s ，s k ys u b t r a c t i o n ，s u r f a c e f i t t i n g ，c o s m i cr a y s ，t vi n p a i n t i n g 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：圣& 丝 ；0 0 7 匀e8 只 b 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1l a m o s t 的建设背景与意义 1 1 1l a m o s t 建设背景 当前天文学正进入一个蓬勃发展的新时期。国际上在上世纪9 0 年代n - 十 一世纪初陆续投入运行近十种重大天文项目，它们都是数亿和数十亿美元级的 设备，每项设备基本上分工开拓一个特定的实测领域。2 1 世纪初，无论从地面 还是空间，在射电、红外、可见光、紫外、x 射线、t 射线各个波段的观测都将 实现多波段、高信息量的开拓，这将使天文学的发展更上一层楼。 对于天体的性质和行为的认识，光学波段光谱的物理信息含量最大、积累最 多、运用也虽成熟。它们导致了二十世纪天体物理学的巨大进展。但是，迄今 由“成像巡天”记录下来的数以百亿计的天文目标中，只有很小一部分( 约万分之 一1 进行过光谱测量。天体光谱测量效率低的原因是分光之后探测器上的光流量 减少，而且一台望远镜同一时间只能观测一个天体的光谱，不同于成像观测， 一次可以同时记录下成千上万个目标。解决光谱测量的低效率，首先需要能够 测量多个天文目标光谱的技术。进入上世纪9 0 年代，英美天文界为之奋斗十余 年的“多目标光纤光谱仪技术”趋于成熟，即能够用4 0 0 根光纤将视场中4 0 0 个目 标的光引入光谱仪同时测量。这为大规模天文光谱的测量创造了技术条件。应 当说，这是近百年来天文技术的一大进步( 王绶珀1 9 9 5 ) 。 同时，要做到跨世纪所需要的大天区范围内的大规模光谱测量，还必须具备 两个条件：一是望远镜口径必须足够大，二是由于待测天体分布在全天( 约4 万 平方度) ，望远镜必须有足够大的视场。可是普通4 米级望远镜视场只有十分之 几度( 约合o 1 平方度) 。现有的施密特望远镜视场虽有五、六度( 合二十几平方度) ， 但是由于受施密特改正板材料和工艺的限制口径只有一米多。“大口径和大视场 第1 章绪论 难以兼备”是长期以来天文学上的一个难题，也是许多天文学家一直关心的问题。 最早朝着大口径兼大视场方向努力的有3 9 米的英澳望远镜( a ，它配上 新的改正镜系统后，视场达3 平方度，并有4 0 0 根光纤。最近美国芝加哥大学 等六个单位的北银极数字巡天计划( s d s s s l o a nd i g i t a ls k ys u r v e y 计划) ，其望远 镜口径2 5 米、视场7 平方度，将在北银极周围1 万平方度天区内进行成像巡天 和光谱巡天。光谱巡天将用6 6 0 根光纤，在本世纪初完成极限积分星等为1 8 7 的星系红移巡天，目标数量约为1 0 6 。在北半球，2 0 0 0 年以后的多目标光谱设备 必须以s d s s 已达到的前沿为起点。从a a t 和s d s s 的情况可以看出，目前在 解决望远镜大口径与大视场兼备的问题上还存在着很大的发展余地，这对我们 来说是一个重要的机遇( 苏洪钧崔向群1 9 9 9 ) 。 因此我国科学家根据与欧美发达国家“不比财力比智力”的原则，针对跨世 纪时期天文学国际合作和角逐的形势，选定了在大规模光学光谱开拓上进行竞 争，提出的“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜( l a m o s t - l a r g es k ya r e a m 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 ) ”，其构思巧妙、设计新颖、投资相对 较少。l a m o s t 建成后，将成为世界上最大视场( 5 度) 兼最大口径( 4 米) 的光学 天文望远镜。由于它的大视场，在直径约为1 7 5 米的大焦面上可放置4 0 0 0 根光 纤，同时获得4 0 0 0 个天体的光谱，将成为世界上光谱观测效率最高的望远镜。 又由于它兼有的大口径，可以观测到2 0 5 等暗弱天体，这是目前世界上的其它 大视场望远镜所不可及的。因其可实现“大口径兼备大视场”，在大规模光谱观测 中将处于国际领先地位，将s d s s 可能达到的前沿再向前推进一步，将获得l o 7 个天文目标的光谱( 王绶瑁，苏定强，崔向群等1 9 9 4 ) 。 1 1 ，2l a m o s t 结构 l a m o s t 是一架卧式中星仪式反射施密特望远镜，突破了传统的设计思想。 其总体结构示意图( 国家天文台2 0 0 1 ) ，如图1 1 第l 章绪论 北“南 主动厦舯臆1 i 特最i e 董 母荐 雌蹦主馈 ，图1 1 大天区面积多目标光纤光谱望远镜( l a m o s t ) 示意图 如图1 1 所示，l a m 0 s t 在结构上由三部分组成：反射施密特改正板m a ，球 面主镜m 8 和焦面。在观测过程中，天体的光经m 一反射到m b ，再经m b 反射后 成像在直径为1 7 5 m 的焦面上。焦面上放置有4 0 0 0 根光纤，由光纤将天体的光 分别传输到焦面下面的光谱仪房内的1 6 台光谱仪的狭缝上，然后通过光谱仪后 端的高灵敏的c c d 探测器获得4 0 0 0 条光谱。l a m o s t 巧妙地采用卧式中星仪 的形式，将望远镜的大部分固定在地基上，从而使望远镜省去了传统的施密特 望远镜的很长的镜筒，又可以得到较慢的焦比( 较小的相对口径) ，从而获得了5 度( 2 0 平方度天区) 的大现场。又用近十几年发展的主动光学技术控制反射施密特 改正板，打破了五十年来由于不能得到大尺寸的透射光学材料造成的施密特望 远镜的口径不能超过1 3 米的限制，在世界上首先得到一台4 米通光口径和5 度 视场的大口径兼大现场的望远镜。l a m o s t 的建成将使我国天文学在大规模光 谱观测中处于国际领先地位。 第1 章绪论 1 1 3l a m o s t 建设的重大意义 1 ) l a m o s t 是根据“中华人民共和国国民经济和社会发展九五7 计划和 2 0 1 0 年远景目标纲要”中关于科教兴国的战略方针，在瞄准国际科学发展前沿， 选择我国有优势的领域，集中力量开展研究的背景下提出来的重大科学工程。 它的建成届时成为大规模光谱观测中世界上威力最大的设备，达到国际领先水 平。4 0 0 0 根光纤多目标光谱观测的突破。达到每三年1 0 7 个光谱的高生产率， 使l a m o s t 能在研究宇宙系、星系和恒星天文学中，不断地有新的重大发现。 l a m o s t 在大规模天文光谱巡天过程中，将得到一个巨大天文信息的储存库。 它既是研究基础，又引导研究，对整个天文学的发展作用将是巨大和持久的。 l a m o s t 由于突出的大视场和大口径，还存在着许多潜在的应用可能性， 例如对暗弱天体的寻找和研究，就具有国防和民用上的重大价值。 2 1 研究一台像l a m o s t 这样新型的望远镜，也将对我国高技术的发展起到 推动和促进作用。例如，光学技术方面：特别是薄镜面加工、镜面拼接、主动 光学技术和大口径高精度薄镜面检验技术。精密机械方面；包括精密定位技术 和适应野外工作环境的高精度、高稳定性的大型机械的设计和制造方法。以及 高密度大容量图像和数据处理技术、c c d 探测器技术，计算机控制技术等等， 不仅对建造大型天文望远镜是必要的，而且还可用于国防和民用的通讯、监测 设备和仪器中。在建造l a m o s t 过程中将锻炼和培养一大批我国在光学、精密 机械、自动控制、微电子和图像、数据信息科学方面跨世纪人才，以适应下世 纪初我国在科学、经济、技术上高速起飞的需要，带来巨大的经济效益和社会 效益( 中国科学院，1 9 9 7 ) 。 1 1 4 本课题的意义 天文学是基于观测的实验科学，就这个意义上讲，天文观测数据分析在天文 学的发展中起着决定性的作用。随着“多目标光纤光谱仪技术”的发展，各种大型 天文仪器设备相继投入使用，天文学家获得的数据量正以惊人的速度迅猛增长， 4 第1 章结论 十年前所预言的天文数据雪崩如今已经成为现实，大量珍贵的天文观测资料急 需处理( 李启斌1 9 9 6 ) 。同时，由于“多目标光纤光谱仪技术”完全区别于传统的 天体光谱观测技术，其系统集成的复杂度远远超出传统的观测系统，整个观测 过程受到光谱仪内部的杂散光、观测区域的天光变化、望远镜效率、邻近光纤 的污染、光纤透过率和波长定标的精度等因素的影响，这些都大大增加了数据 处理的难度和复杂度。对观测的光纤光谱数据进行精确有效的处理是观测成功 并获得有科学价值的研究成果的有力保证。二维光纤光谱数据处理作为光纤光 谱数据处理的重要组成部分，它为进一步的光谱识别和分析并最终获取天体的 各种物理信息( 如红移、视向速度等) 提供可靠的数据来源( 李宗伟，肖兴华2 0 0 0 天体物理学) 。因此对二维光纤光谱数据处理进行深入的研究是至关重要的。 1 2 二维光谱数据处理系统简介及国内外研究现状 二维光纤光谱数据处理流程主要包括c c d 改正、平场改正、宇宙线剔除、 谱抽取、波长定标、减天光、流量定标等。国内外天文工作者从二维光谱数据 处理过程出发，开展了广泛研究。 相对于传统的狭缝光谱，多目标光纤光谱可以同时观测多个目标天体。前者 天光光谱直接在目标两侧采样；后者用一定数量的天光采样光纤采样天光光谱， 每根光纤有各自的透过率。由于有限的天光采样光纤和天光背景的空间变化， 多目标光纤光谱的减天光精度，成为一个重要的影响因素( e l l i s ，p a r r y , 1 9 8 8 ) 。 已发表的多篇论文( e l s t o na n db a r d e n1 9 8 9 ；w y s ea n dg i l m o r e1 9 9 2 ；m i g n o l i a n d c u b y1 9 9 4 ) 对该技术了做了详细的讨论： 1 )实际应用中，减天光精度在1 2 的范围内是满足要求的。但是 根据理论分析，减天光精度可以达到i 以下。 2 )减天光精度受限于光谱仪内部的杂散光、观测区域的天光变化( 由 气辉等引起) 、望远镜效率( w y n n e1 9 9 3 ) 、邻近光纤的污染( c r o s s t a l k ) 、光纤透过率和波长定标的确定。 第1 章绪论 目前在建的l a m o s t ( 大天区面积多目标光纤光谱望远镜) 在相应于5 度 视场的1 7 5 m 的焦面上可以放置多达4 0 0 0 根光纤，将天体的光分别传输到多台 光谱仪中，同时获很它们的光谱，成为世界上光谱获取率最高的望远镜。设计 能观测星等为2 l 甚至更暗的天体，这为减天光精度提出了更高的要求。 因此，充分调研目前的各种减天光方法，开发出适合l a m o s t 天文望远镜 的城天光方法具有重要的现实意义。 1 2 1 基本的减天光方法 多目标光纤光谱观测的标准方法包括采用一些光纤采样天光光谱。理想情 况下，这些天光采样光纤均匀分布在望远镜和光谱仪的范围内，但是这个条件 通常不能满足。 为了确定所有光纤的相对透过率，我们需要知道平场( 天光平场或者灯光 平场) 。所有的光纤都有独立的相对透过率。 对每个天光光谱，我们可以按下式计算( l i s s a n d r i n ic ，c r i s t i a n is ，f r a n c a f 1 9 9 4 ) ： ( s k y ) = ( s k y s p e c t r u m , ) 罟 ( 1 1 ) 这里，f 表示某一根光纤。( s x y s p e c t r u m i )( f e ) 分别表示进入某根光纤， 沿色散方向给定象素范围内的总流量。( 而) 是观测的平场( e ) 流量的均值， ( 舛r ) 表示根据第i 根光纤估计出来的天光流量。 我们可以计算所有( 艇r ) 的均值，蛩j ( s k y ) ，然后计算： ( 蹦= 器一1 ( 1 2 j 采用点的均方根作为减天光精度的评估标准。在连续谱处的减天光精度远 远好于在大气发射线处的减天光精度。因此，如果观测的波长范围靠近红光波 6 第1 章绪论 长，大量的o h 发射线使得昏暗目标的减天光精度极其不可靠。 这种基本的减天光方法是基于如下的一些假设： 1 ) 对所有光纤而言。光纤的光谱透过率轮廓是一致的： t , ( z ) l ( z ) 苁 ( 1 r 3 ) 2 ) 邻近光纤的影响( c r o s st a l k ) 可以忽略不计。同时没有外部的杂散光进 入光谱仪； 3 ) 由于气辉和b l u eg a l a x i e s 引起的天光变化忽略不计。 1 9 9 3 年，b a r d e n 等人指出了多目标光纤光谱系统存在的一些缺陷： 1 ) 天光背景的空间差异 2 ) 光谱仪光谱效率的空间差异 3 )光纤光谱透过率的差异 4 ) 光谱仪扭曲 5 ) 光谱仪图像轮廓采样率过低 正是这些缺陷与“标准”减天光方法假设相矛盾，造成“标准”方法减天光精度 不高。 1 2 2 改进的方法 由于“标准”方法减天光精度不能满足要求，一些天文工作者尝试了各种减天 光方法改进减天光精度。结果显示，利用这些方法，减天光精度可以达到2 一 下。 利用大气发射线 l i s s a n d r i n i 等人1 9 9 4 年提出，当观测的光谱范围内包含大气发射线时( 尤 其包括天光发射线0 1 5 5 7 7 ) ，可以利用这些大气发射线确定每根光纤的相对透过 率。他们的研究结果表明，在波长方向上，采用高斯拟合o i 发射线得到的平场 代替标准的平场，在低色散条件下，减天光精度从4 左右变成1 2 1 6 左 右。 第1 章绪论 然后这种方法也有它的一些缺点： i ) 它仅仅反应了光纤对应波长5 5 7 7 a 的相对透过率； 2 ) 这些发射线只在c c d 上一小部分区域内存在，因此，一个坏象素( 失 效或者被宇宙线污染) 都能导致减天光精度损失； 3 ) o i 发射线强度不仅仅反应光纤相对透过率，而且反应了天光谱空间 变化。而o i 发射线强度的空间变化不能代替连续谱背景的空间变化； 4 )该方法并不适用用所有的光谱波长范围。 宇宙线剔除 在多幅光谱图像的宇宙线剔除方面，常规的中值滤波方法已经能够取得很好 的效果。现在国际上重点研究的是单幅二维光谱图像宇宙线的剔除问题。 s a l z b e r g e t a l ( 1 9 9 5 ) 提出的基于决策树的人工神经网络方法，检测概率达到9 5 。 r h o a d sf 2 0 0 0 ) 采用线性滤波器来检测、剔除宇宙线。v a nd o k k u m ( 2 0 0 1 ) 提出基 于拉普拉斯边缘检测算子的宇宙线剔除方法，该方法的处理效果依赖于宇宙线 与周围像素的梯度。p y e h ( 2 0 0 4 ) 采用直方图法剔除单幅二维光谱图像中的宇宙 线。s h a m i r ( 2 0 0 5 ) 将模糊逻辑概念引入到宇宙线剔除的处理中，对大尺寸宇宙线 的检测概率达到9 7 5 ，虚警概率为0 0 2 。 模拟仪器背景 w h s e g i l m o r e ( 1 9 9 2 ) 指出，天光光纤的流量不仅仅是来自天光，还必须 考虑来自光谱仪的杂散光( “仪器天光”) ，尤其是邻近的观测天体非常的亮。这 些噪声源与天光扮演着同样重要的角色，因此，在减天光的过程中需要单独考 虑。 这里的“仪器天光”分成均匀杂散光和局部杂散光。均匀的杂散光与入射光总 量成正比。比例常数可能随仪器参数变化。另一方面，局部杂散光来自邻近光 纤或者光谱的污染。 他们强调除了要对目标和天光谱进行杂散光改正，还必须对平场做杂散光 改正。局部的杂散光可以利用稀疏分布在光谱仪上的亮源来构建，同时在c c d 8 第1 章绪论 的昏暗区域得到均匀杂散光。 w h s e 和g i l m o r e 的研究结果表明，评估减天光结果成功与否，仅仅考虑减 去天光后的残余量是不充分。不考虑“仪器天光”的减天光通常会得到具有欺骗性 的结果。他们给出了一个例子，考虑“仪器天光”的影响，减去天光后的天光残余 量从3 ，降到0 1 ，标准方差从4 ，变成3 。 此外杂散光问题也许可以依赖精确的光谱仪设计解决。例如，b i n g h a me ta l ( 1 9 9 4 ) 提出的自动校准设计对杂散光比传统的光纤光谱仪( 例如：2 d fg r a ye t a 1 1 9 9 3 ) 更敏感。 光谱抽取 r o b e r t s o n ( 1 9 8 6 ) 、h o m e ( 1 9 8 6 ) 和m a r s h ( 1 9 8 9 ) 等人从统计分析和算法 实现角度出发，研究了孔径相加光谱抽取方法，但是该方法并不能直接用于存 在交叉污染的多目标光纤光谱数据。随后t r m a r s h ( 1 9 8 9 ) 、m u r r a ye t a l ( 2 0 0 0 ) 、 b e r s h a d ye ta l ( 2 0 0 4 ) 、r o t he ta l ( 2 0 0 5 ) 和k e l ze ta l ( 2 0 0 6 ) 等人根据二维光 纤光谱成像机理，研究了轮廓拟合抽取光谱的方法，并在交叉污染、轮廓参数 等方面做了深入的分析；b e c k e r ( 2 0 0 1 ) 和r o t he ta l ( 2 0 0 5 ) 通过建立仪器轮廓 库的方法抽取光谱。这类方法的光谱抽取精度在很大程度上受到光谱仪系统参 数的限制。s f s a n c h e z ( 2 0 0 6 ) 采用了孔径抽取和多次高斯函数拟合相结合的方 法进行抽谱，这种方法能够较好地消除相邻光谱问的交叉污染，得到较高的抽 谱精度，但是它对光谱轮廓、光谱在c c d 上的分布、光纤位置等参数的要求相 当严格。 高精度的波长定标 p a r r y 和c a r r a s c o ( 1 9 9 0 ) 利用计算机模拟，证明了减去天光后的光谱信噪比 依赖于在波长方向上亚象素级的采样。他们的研究结果说明，1 0 的波长定标 的误差将使光谱信噪比降低3 个数量级，表明高精度的波长定标对二维光纤光 谱处理是非常重要的。张吴彤、褚耀泉等人( 2 0 0 1 ) 在对俄罗斯6 米望远镜光 纤光谱数据处理研究中认为，大部分光纤定标灯谱的信号较弱，谱线模糊不清， 第1 章绪论 甚至根本没有谱线，因此难以对每根光纤单独做波长定标，他们选取信噪比最 高的一条定标灯谱做波长定标，得到色散曲线并应用到其它光纤。这种方法简 单易行，但是忽略了光纤之间差异，因此存在一定误差。j o sh gm v a i lg e f f e n 和r o e l a n dev a no s s ( 2 0 0 3 ) 提出了一种利用高分辨率光谱作为参考信号的波长 定标方法。该方法通过设置偏移参数和压缩参数，由高分辨率光谱波长坐标经 过非线性拟合得到低分辨率光谱的波长坐标，定标精度高，但需要相应的高分 辨率光谱。在s d s s 光谱处理报告第二版中，a b a z a j i a ne ta l ( 2 0 0 4 ) 提出一种改 进的波长定标方法，在光谱亚象素级上实现波长定标，有效扣除了o h 发射线的 影响。e d i s a n t e rl o 和a u g u s t u sw f o u n t a i n ( 2 0 0 6 ) 提出一种基于线性回归模型的 波长定标算法，可以有效提高波长定标的精度，但这种方法要求图像只在一个 方向具有相关性。 b e a m - s w i t c h i n g 1 9 8 7 年w a t s o n 等人提出了b e a m - s w i t c h i n g 方法，以成对光纤进行观测，一 根光纤观测目标源，另一根光纤做天光观测，这两根光纤在天区和c c d 上都尽 量靠近，使天光位置差异和仪器的差异都尽量减小。 但是该方法在很长时间内都缺乏实际的应用价值，首先，天文工作者不愿 用一半的光纤用来观测天光。其次，在很多观测区域，由于观测目标过于集中， 很难成对的放置光纤。 1 9 9 3 年b a r d e n 等人提出了改进的偏置天光的方法，将望远镜偏离目标天区， 单独观测天光谱，偏离应在l 度范围内。这样获得的天光谱采样与目标光谱内 的天光接近一致。但是该方法需要牺牲一半的观测时间，所以实际应用的也很 少。 基于p c a 的减天光方法 天文光谱数据处理中，p c a 方法被广泛应用于各种目标谱的分类与认证 ( c o r m o l l ye ta 1 1 9 9 5 ；f o l k e s ，l a h a v & m a d o x1 9 9 6 ；m a d g w i c ke ta 1 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ； y i pe t a l 2 0 0 4 a ；y i pe t a l 2 0 0 4 b ；f r a n c i se ta 1 1 9 9 2 ，w h i t n e y , c a 1 9 8 3 ) 。 1 0 第l 章绪论 k u r z t 和m i n k ( 2 0 0 0 ) 最早提出了基于p c a ( 主分量分析) 方法的减天光 方法。他们提出了一种不需要同时进行天光观测的方法扣除天光谱。但是由于 该方法的目标和观测方法在实际光谱观测中不实用，并没有引起人们的兴趣。 w i l d 和h e w e r ( 2 0 0 5 ) 提出了一种改进的p c a 方法，用于扣除s d s s 光谱 中大量残余的o h 发射线。 w i l d 和h e w e t t 提出的基于p c a 的方法主要思想是：由天光谱的主分量 ( p c a ) 得到一系列正交的分量，这些分量严谨的描述了由减天光过程引起的系 统残余。然后，将这些分量进行线性合并，用于减去目标光谱的残余天光。 他们的结果证明，该方法的应用在本质上不会因为o h 发射线减除不完全， 导致光谱衰减。而光谱质量得得到了显著的改进，尤其是对于那些昏暗的目标 天体( 例如高红移的类星体) 。 上述分析表明，二维光纤光谱数据的分析与处理研究，可以为多目标光纤 光谱观测提供重要的技术支持，对天体光谱测量的发展具有重要的意义。但是 目前这方面的研究成果还十分有限，难以满足天体光谱测量发展的需求。本论 文拟在对二维光纤光谱数据处理过程的透彻理解和正确把握的基础上，系统、 深入地分析和研究影响二维光纤光谱数据处理精度的各种因素，将信息处理领 域中的一些新理论、新技术应用于天文观测领域，以满足多目标光纤光谱仪技 术应用的实际需要。 1 3 本论文主要研究内容 本研究项目以二维光纤光谱的基本处理流程为基础，借鉴包括l a m o s t 二 维光纤光谱数据处理软件( 0 0 版) 在内的已有研究成果，选取当前二维光纤光 谱处理中的几个热点和难点问题作为研究内容。具体包括以下几个方面： 1 ) 由于l a m o s t 天文望远镜目前尚未建成，为了研究l a m o s t 二维光谱 数据处理过程，并验证结果。我们根据实际观测流程建立l a m o s t 天文望远镜 第1 章绪论 观测物理模型和数学模型，参照l a m o s t 设计参数产生l a m o s t 观测模拟数 据。以期通过对这些模拟数据的分析，验证二维光谱数据处理系统方案的可行 性。 2 ) 我们研究了美国的s d s s 的数据处理系统和l a m o s t 二维光纤光谱数 据处理软件( o 0 版) ，在以此为蓝本进行改造和创新，确立了l a m o s t 天文望 远镜的二维光谱数据处理流程，研究完成了“l a m o s t 二维光纤光谱数据处理软 件1 0 和2 0 版本”的开发。并用模拟数据进行了测试。实现了l a m o s t 二维光 谱数据处理的基本功能。 3 ) 在多目标光纤光谱观测中，目标的观测光谱受到了天光的严重干扰，减 天光方法直接影响目标天体真实光谱的获取，这是二维光纤光谱数据处理的一 个重点和难点问题。考虑到观测天区里天光背景的存在空间差异，现有方法忽 略了天光谱的这种空间差异，仅用有限天光采样光纤光谱的简单合成代替整个 观测天区的天光，直接影响了多目标光纤光谱的减天光精度，这也是影响光纤 光谱观测深度的最主要原因。我们根据天光采样光谱及其空间位置信息，提出 了一种基于b 样条曲面拟合天光谱的减天光方法，并进行了初步的模拟实验， 结果表明，该方法能更有效的消除天光背景的卒问差异导致的减天光误差。 4 ) 宇宙中的高能粒子撞击到c c d 传感器上可以在单个象素或者较小范围象 素内产生很强的信号，因此，引入了一个明显的非高斯轮廓的噪声源一宇宙线 噪声。宇宙线噪声明显不同于真实光谱的点扩展函数( p s f ) ，天文观测发现宇 宙线噪声通常具有尖锐的边缘。天文工作者采用了各种方法识别和替代c c d 光 谱图像中的宇宙线。其中，最直接的方法就是对同一观测区域进行多次曝光拍 摄图像。通常，给定的象素仅仅在一次或者两次曝光中会受宇宙线污染，这样 其他曝光获得的数据可以用于替代被宇宙线污染的象素值。 然而在某些环境下，单次曝光获得c c d 光谱图像的宇宙线剔除是必需的。 例如，我们感兴趣的目标是变化的或者在小的时间间隔内移动，再或者观测狭 缝光谱时，天光发射线和目标谱的强度、位置可能在变化。此外，某些象素不 第l 章绪论 止在一次曝光中被宇宙线污染，在合并了多次曝光后，有些受宇宙线影响的象 素仍然存在。如果拍摄的c c d 光谱图像相互间存在非整数象素的偏移或者在多 次曝光期间视宁度( s e e i n g ) 发生变化，这就要求对单幅c c d 光谱图像进行宇 宙线去除。因此，在这些情况下，多次曝光的方法并不总是适用的。我们从分 析宇宙线与光谱数据的特点入手，参考图像处理中噪声去除的方法，提出检测 一恢复的两步式处理方法：第一步采用一种改进的自适应中值滤波算法识别出 可能的宇宙线噪声点集，第二步中我们采用全变差模型( t v ) 来完成对噪声点值 的恢复。 第2 章l a m o s t 观测模型和数据模拟