对空间物体的一维光谱进行自动的波长定标和流量定标方法

摘要

本发明涉及一种通用的对空间物体的一维光谱进行自动的波长和流量定标方法，所述方法包括以下步骤：波长定标步骤，用于根据波长定标星光谱对空间物体进行波长定标；流量定标步骤，用于根据标准星的光谱得到的响应曲线对波长定标后的光谱进行改正，获得流量定标后的光谱；以及归档整理步骤，用于对整晚定标后的光谱结果进行整理，按照用户的需求生成固定格式的表格。本发明的方法不需要定标灯谱，可靠、精度高、操作简单、易于实现。

说明书

技术领域

本发明涉及空间物体的光谱数据处理领域，涉及一种不依赖定标灯谱、 通用的对空间物体的一维光谱进行自动的波长和流量定标方法。

背景技术

空间物体的光谱包含比测光多几十倍甚至上百倍的信息，然而对其进行 精确的波长和流量定标一直是一件费时费力的工作，且精度不高。实际上对 于一些望远镜的观测系统而言，并不具备安装波长定标系统(定标灯)的条 件，无法利用定标灯谱进行波长定标。因此，一种能够对不依赖于定标灯谱 的光谱波长定标和流量定标的方法显得尤为重要。另外对于空间物体，一般 采用短曝光，每晚的观测数据量大，通常需要快速(准实时)的得到最终的 定标结果。一套不依赖于定标灯谱的自动化进行光谱波长、流量定标管道式 处理方法可以用于解决通用光谱的自动化批量波长和流量定标问题。

发明内容

技术问题

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是：对不具备定标灯的系统，对空 间物体的光谱进行精确地波长和流量定标费时费力，而且精度不高。

解决方案

为了解决上述技术问题，根据本发明提供了一种不需要定标灯谱、通用 的对空间物体的一维光谱进行自动的波长和流量定标方法。所述方法可以进 行自动化的批量处理，在较短时间内对抽出的光谱进行批量定标，可靠性高， 运行稳定，运行速度快，人工参与程度低，因此本发明的方法为光谱的批量 定标供了很好的技术支持。

所述方法包括以下步骤：

步骤一：波长定标步骤，用于根据波长定标星光谱对空间物体进行波长 定标；

步骤二：流量定标步骤，用于根据标准星的光谱得到的响应曲线对波长 定标后的光谱进行改正，获得流量定标后的光谱；以及

步骤三：归档整理步骤，用于对整晚定标后的光谱结果进行整理，按照 用户的需求生成固定格式的表格。

所述波长定标步骤包括以下子步骤：

子步骤A：获取具有发射线的波长定标星的已知光谱；

子步骤B：对实测的波长定标星光谱进行抽谱处理，得到抽出的一维光 谱；

子步骤C：根据已定标好的波长定标星光谱图证认实测谱线的波长，然 后根据拟合得到的对应谱线的像元位置，拟合得到光谱的色散方程；以及

子步骤D：把插值后的色散方程运用到待定标的空间物体光谱中，完成 波长定标。

所述流量定标步骤包括以下子步骤：

子步骤E：对于每天若干流量标准星数据，进行基本的数据处理，以及 步骤一的处理，得到波长定标后的流量标准星的一维光谱；

子步骤F：计算拍摄流量标准星的天顶角，从而计算出大气质量，然后 再根据当晚的消光曲线和大气质量计算出不同波长处的大气消光值，进行大 气消光改正；

子步骤G：用经过波长定标和大气消光改正后的光谱除以标准星的理论 光谱，得到响应曲线，综合多条不同标准星的光谱得到每天平均的响应曲线；

子步骤H：利用子步骤F的方法和消光曲线对空间物体的完成波长定标的 光谱进行大气消光改正；以及

子步骤I：把子步骤G中的响应曲线对子步骤H中的光谱进行改正，修正 系统效率、系统零点、系统响应的影响，从而得到了流量定标后的空间物体 光谱。

有益效果

本发明的技术方案能够产生如下技术效果：

本发明在波长定标过程中完全不需要定标灯，解决了没有定标灯系统的 光谱数据定标问题。

本发明的数据处理方法自动化程度高，需要较少的人工干预，容易操作， 对数据处理人员要求低，便于应用和推广，而且基本不存在由于不同操作人 员处理而造成的结果偏差，因此结果唯一。

本发明的数据处理结果稳定，定标精度和可靠性高。通过利用多颗标准 星的观测检测，显示结果准确可靠，多次运行结果稳定，不存在系统偏差。

本发明的数据处理效率高，速度快。运行速度取决于波长范围、波长分 辨率、运行机器的性能等因素，可以在较短时间内完成大量的数据，一般2-3 秒钟可完成一条光谱数据的处理，基本可实现空间物体光谱数据的准实时定 标。

附图说明

图1示出本发明的用于空间物体光谱的波长定标和流量定标方法；

图2示出沃尔夫-拉叶星的已知光谱；

图3示出抽谱后的沃尔夫-拉叶星的一维光谱；

图4示出本发明的插值后的色散方程；

图5示出本发明的空间物体波长定标后的光谱；

图6示出典型的兴隆观测站的大气消光曲线；

图7示出本发明的综合的光谱响应曲线(红线)；

图8示出本发明的定标后的实测标准星光谱(蓝线)和理论光谱(红线) 的比较结果。

具体实施方式

以下将参照附图详细说明本发明的示例性实施方式。本发明的用于空间 物体光谱的波长定标和流量定标方法针对通用光谱进行波长定标和流量定 标，最后是数据整理。第一步的波长定标是第二步的流量定标的基础，最后 一步是数据结果整理。

本实施方式提供一种通用的对空间物体的一维光谱的波长定标和流量 定标方法，该判定方法包括3个步骤：波长定标步骤，流量定标步骤和归档 整理步骤。

以下，将分别对图1所示的这3个步骤进行详细说明。

步骤一：波长定标步骤。

所述波长定标步骤包括以下子步骤：

子步骤A：获取具有发射线的波长定标星已知光谱。

图2是典型的一颗沃尔夫-拉叶星(Wolf-Rayet，WR)的已知光谱 (300-1000nm)。从图2中可以看到较多明显的发射线，分布相对均匀，可用 于波长定标。可以从文献中查找或者利用别的望远镜观测处理后获得。

子步骤B：对实测的波长定标星光谱进行抽谱处理，得到抽出的一维光 谱。

图3是实测的抽谱后的沃尔夫-拉叶星的一维光谱，以及对应的发射线。 本实施例中使用的是无缝光谱系统，但实际上用于空间物体光谱的波长定标 和流量定标方法可以用于任何类型的光谱。

子步骤C：根据已定标好的波长定标星光谱图证认实测谱线的波长，然 后根据拟合得到的对应谱线的像元位置，拟合得到光谱的色散方程。

本实施例中采取通常使用的三次样条插值(Spline3)来进行拟合。图4 为插值后的色散方程，纵坐标是发射线对应的波长，横坐标是对应的像素值， 白线是原始的对应关系，红线是插值得到的结果。

子步骤D：把插值后的色散方程运用到待定标的空间物体光谱中，完成 波长定标。图5为空间物体波长定标后的光谱，横坐标是波长，纵坐标是ADU 值。

步骤二：流量定标步骤。

所述流量定标步骤包括以下子步骤：

子步骤E：对于每天若干流量标准星数据，进行基本的数据处理，以及 步骤一的处理，得到波长定标后的流量标准星的一维光谱；

子步骤F：计算拍摄流量标准星的天顶角，从而计算出大气质量 (Airmass)，然后再根据当晚的消光曲线和大气质量计算出不同波长处的大 气消光值，进行大气消光改正。

由于探测器接受的空间物体流量信息受到大气及探测系统的影响，需要 对其进行流量标定才能获取空间物体真实的大气层外辐射流量。根据所观测 的流量定标标准星的仪器星等，拟合出各个波段的大气消光系数及颜色修正 系数，获得大气和仪器修正方程。

使用实测的标准星仪器星等与星表标准星等，建立如下星等转换关系：

m₀＝m+C₀+βC_ij+k'X+C_ijk"X

式中，m₀是标准星大气外星等，m是仪器星等，C₀为仪器零点，βC_ij是 光学系统修正量，k'X+C_ijk"X是大气消光改正量，其中C_ij为色指数，X为大 气质量。

图6是典型的兴隆观测站的大气消光曲线(主消光系数k’随波长的变 化)。一般主消光系数k’是影响消光的主要因素。次系数k”在对定标精度要 求不是太高的情况下基本可以忽略。

大气质量X在天顶角z小于60度时可以用如下公式表示：

X＝secz

对于更大天顶角，需要使用如下公式：

X＝secz-0.0018167(secz-1)-0.002875(secz-1)²-0.0008083(secz-1)³

上述公式适用到天顶角小于85度。

子步骤G：用经过波长定标和大气消光改正后的光谱除以标准星理论的 光谱，得到响应曲线，综合多条不同标准星的光谱得到每天平均的响应曲线。

对于标准星的理论光谱，从文献上或者一些软件里都可以找到，给出的 一般是AB星等。因此需要从AB星等转化为流量，转化公式如下：

$m_{AB}=-\frac{5}{2}{\log }_{10}{f}_v-48.600$

如图7所示，每条白线都是一颗流量标准星对应一次观测得到的响应曲 线。对于每天的流量标准星数据，要综合多条不同标准星的光谱得到一条平 均的响应曲线(如红线所示)作为最终使用的响应函数。

子步骤H：利用子步骤F的方法和大气消光曲线对空间物体的完成波长 定标的空间物体光谱进行大气消光改正，从而把得到的光谱流量归算到大气 外的流量。

子步骤I：把子步骤G中的响应曲线对子步骤H中的光谱进行改正，修 正系统效率、系统零点、系统响应的影响，从而得到了流量定标后的空间物 体光谱。

为了检验定标结果，我们随意选取一颗流量标准星，进行3次拍摄，作 为待测的光谱进行波长和流量定标，最终得到了定标后的光谱，如图8的蓝 线所示，红色的是理论的光谱。可以看到，从400-800nm之间符合度还是比 较好的，即使在两端信噪比较低的情况下也可以达到<10％的误差。

步骤三：归档整理步骤。

所述归档整理步骤对整晚定标后的光谱结果进行整理，按照用户的需求 生成固定格式的表格。

…

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应以所述权利要求的保护范围为准。