多目标光纤光谱观测中亮源和暗源同时观测的方法
【专利摘要】本发明公开了一种在多目标光纤光谱光学望远镜观测中同时观测亮源和暗源，而暗源又不被亮源污染的方法，包括步骤：输入亮星星表及观测目标星表；利用天气监测软件获得大气视宁度；确定观测星等范围，当需要观测超出规定星等范围的亮源时，则此目标的坐标需要偏置；在光纤定位无偏差的情况下，由视宁度得到点源模型的动态效率；确定亮源需要变暗的星等数，计算出光纤需要偏置的角秒数；如果需要观测的亮源在60角秒内没有源，可以直接偏置源的赤经或者赤纬坐标；如果需要偏置亮源的60角秒内有目标，则向着远离对它影响大的源的反方向偏离，如果偏置之后，邻近亮源对被偏置源的影响不可忽略，则不安排此源观测，反之观测。
【专利说明】
多目标光纤光谱观测中亮源和暗源同时观测的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种多目标光纤光谱天文望远镜同时观测亮源和暗源的技术，尤其适 用于光纤数量很多的光学光谱观测系统。
【背景技术】
[0002] 研究遥远天体的光学光谱能获得丰富的物理信息。要解决天文和天体物理学诸多 前沿问题，需要获取大量天体的光学光谱。目前很多国家都拥有自己的多目标光纤光谱天 文望远镜。我国的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAM0ST)兼具大口径和大视场， 是目前世界上光谱观测获取率最高的望远镜。LAM0ST是我国自主研发的大天区面积多目 标光纤光谱天文望远镜，它由反射施密特改正板、球面主镜和在中间的焦面构成。天体的光 经反射施密特改正板反射到球面主镜，再经球面主镜反射后成像在焦面上。LAM0ST望远镜 有5度视场，焦面直径为1. 75米，焦面上放置着4000根光纤。焦面上放置的光纤，将天体 的光分别传输到光谱仪的狭缝上，然后通过光谱仪后的CCD探测器同时获得几千个天体的 光谱。
[0003] 通常情况下，在像LAM0ST这样的多目标光纤光谱观测，两个相邻观测天体的星 等差5个星等以上，则在C⑶探测器上亮源的轮廓线翼会污染到相邻的暗源光纤。星等 (magnitude)是衡量天体光度的量，星等值越小，星就越亮；星等的数值越大，星就越暗。通 常在多目标光纤光谱观测中，为了避免亮源的污染，要求同一个观测天区内的目标星等范 围在5个星等内。但是有时又希望在同一个天区内能同时观测星等差距较大的亮源和暗 源。如果在不影响暗源观测效果的基础上满足少数亮源的观测，则能提高观测效率。
[0004] 因此，需要有一种能在同一个天区内同时观测亮源和暗源的方法，来满足观测需 求，提高观测效率。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，我们提出一种对亮源的坐标进行偏置减少其进入光纤光子的方 法，这种方法可以使亮源和暗源在同一个天区内被同时观测。这种方法既不影响暗源的观 测效果，又能满足一些亮源的观测需求。这种技术不仅可以用在LAM0ST观测中，也可以用 在其他多目标光纤光谱的望远镜上。
[0006] 本发明提出一种在多目标光纤光谱观测中能同时观测亮源和暗源的方法，以满足 观测需求，提高观测效率，该方法使得在一个天区内需要观测的亮源目标较少时，能同时观 测亮源和暗源，又能避免亮源对暗源光纤的污染。
[0007] 在一个方面，本发明涉及一种在多目标光纤光谱观测中避免亮源轮廓线翼污染相 邻的暗源光纤，使同一个天区的亮源和暗源能同时观测到的方法，具体地，该方法是，对亮 源进行坐标偏置，把本来对准亮源的光纤在原来位置的基础上移开一定的距离，减少进入 到光纤中的光子数，偏置之后检查被偏置亮源是否被其他亮星污染。
[0008] 在另一个方面，本发明涉及一种亮源坐标偏置方向的方法，具体地，该方法使得被 偏置亮源附近60角秒内没有目标源的直接偏置此亮源的赤纬或者赤经坐标；被偏置亮源 60角秒有多颗亮源，则向着对其影响最大的那颗源的反方向偏置。
[0009] 在另一个方面，本发明涉及一种亮源坐标偏置方法，具体步骤为：
[0010] a)在光纤定位无偏差情况下，点源动态效率和视宁度相关，视宁度可以由每天的 天气监测数据得到，则由视宁度，可以计算得到点源的动态效率；
[0011] b)如果一个亮源的星等超出了一个天区规定的星等范围，则需要偏置它的坐标， 进而使其进入光纤的光子数减少，偏移的角秒数和亮源的星等和其需要变暗的星等有关；
[0012] c)如果一个需要观测的亮源，在60角秒内没有相邻目标，则偏置此源的赤纬或者 赤经，如果在亮源附近60角秒内有源，则向对它流量影响最大的源的相反方向偏移，如果 偏置之后，邻近亮源对此源的影响不能忽略，则放弃对此源的观测，如果没有影响，则保留 观测。
[0013] 在实际观测中，既需要考虑需要观测的亮源对其他要观测暗源的影响，也要考虑 在观测天区内客观存在的其他亮源对要观测源的影响。在观测时需要输入观测星表，这个 星表通常只是科学家们关心的观测目标源，但不是全部目标。在偏置亮源坐标时，还需要知 道除了观测星表的亮源之外，这个天区内其他客观存在的亮源的信息。要避免亮源的污染 就要包括天区中所有的亮源。亮源星表可以下载依巴谷星表（HIP，极限星等为13等）和美 国海军天文台星表（UCAC，极限星等为21等），这两个星表取其合集在小于16等的范围内 是完备的。在计算亮星影响时，应包含这些星表里的亮星。
【附图说明】
[0014] 图1为一个天区的观测目标星等-信噪比关系图，目标坐标均为原始坐标；
[0015] 图2为一个天区的观测目标星等-信噪比关系图，亮于15等的目标的坐标已被偏 置，其落在光纤上的光子数相当于15等的目标，
[0016] 图3为同一个源坐标偏置前后信噪比变化。
[0017] 图4为多目标光纤光谱观测中亮源和暗源同时观测的流程图
【具体实施方式】
[0018] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，通过以下实施方式结合附图对本 发明进行详细说明。
[0019] 本发明通过偏置亮源坐标达到减少其进入光纤光子数的目的，相当于降低了亮源 的星等，使亮源和暗源能在一个天区同时观测。要进行坐标偏置首先要根据具体需要计算 出确切的偏置角秒数以及偏置方向。偏置角秒数和亮源的原始星等及需要降低的星等直接 相关。下面详细说明为使某亮源降低到某个星等，它的坐标要偏置的角秒数的计算方法。
[0020] 步骤1，在光纤定位无偏差情况下，点源动态效率和视宁度相关，视宁度可以由每 天的天气监测数据得到。通常以大气视宁度表示大气对点源的扩展作用，其相当于点扩展 函数的半高全宽。
[0021] 此四= 2V21n2r0 (1)
[0022] 其中seeing是视宁度，r。是点扩展函数的半高全宽，把视宁度代入由公式（1)可 以得到点扩展函数的半高全宽。
[0023] 点源模型的动态效率为：
[0025] 其中（x-c)2+y2 = r。2表示光纤端面与焦面星像耦合部分，r。表示光纤截面半径， 由具体的望远镜光纤可知，r。是由公式（1)得出的点扩展函数的半高全宽，c是观测目标偏 离光纤中心的角秒数。
[0026] 步骤2,如果一个星等为的源超出了一个观测天区规定的星等范围，则需要偏 置它的坐标，进而达到减少其进入光纤光子数的目的。可以由需要偏置到的星等计算坐标 偏置量。星等为m +的源如果使它被光纤收集到光子数相当于m星等的源，其中心相对于光 纤中心需要偏移的角秒数可以由下面公式推导出：
[0028] 由公式（3)计算出的c就是光纤需要偏移的角秒数。
[0029] c = 3600 X arccos (sin 8 0sin 8 j+cos 8 Ocos 8 jcos ( a a 0)) (4)
[0030] 步骤3,公式（4)中c是需要偏移的光纤角秒数，a。、s。是源偏置前的赤经、赤纬 坐标，ct i、Si是偏置后的赤经、赤纬坐标。从公式（4)可以得出坐标移动一个角秒对应于 纬度移动一个角秒，或者赤经移动l/cos( S。）个角秒。如果一个亮源，在60角秒内没有相 邻的目标，则可以直接偏置此源的赤纬或者赤经。如果60个角秒内有源，则向着远离对它 流量影响最大的源的方向偏移，这样会减少对邻近源的污染。如果偏移之后，邻近亮源对已 偏置源的影响不可忽略，则安排观测计划时，不安排对此偏置源的观测，反之则偏置成功， 安排观测。
[0031] 以LMA0ST望远镜某次观测为例，说明亮源坐标偏置的具体过程。在此本发明的示 意性实例用于解释本发明，但不作为对本发明的限定。
[0032] 对同一天区的观测目标，用原始坐标和对亮源偏置后的坐标分别进行观测，本实 例把小于15等的观测目标通过坐标偏置的方法，让其通过光纤的流量相当于15等的目标。
[0033] 下面，详细描述亮星偏置过程，其中包括如下步骤：
[0034] 步骤101输入观测目标星表和亮源星表。观测星表来自于科学家提供，在此实例 用从SDSS下载的星表，亮源星表从网站下载UCAC和HIP星表。
[0035] 步骤102确定观测星等范围，获得天气视宁度数值，计算观测中亮源需要偏置的 角秒数。在这个实例中星等范围限定为15-18等，小于15等的源需要偏置坐标，使其进入光 纤的光子数相当于15等的源。利用公式（3)可以算出小于15等的源需要偏置的角秒数。 观测仪器是位于中国河北省兴隆县的LAM0ST望远镜，观测时间是2012年1月2号晚上，当 晚视宁度为 4. 8 角秒。观测天区为 0102_TMl_nooff 和 0102_TMl_off，0102_TMl_nooff 是 亮源坐标没有经过偏置的天区，0102_TMl_ofT是亮于15等源的坐标偏置后的观测天区。这 两个天区的原始观测目标是一样的，不同的就是一个天区内的亮源坐标偏置了，一个没有 偏置。
[0036] 步骤103确定偏置方向。如果被偏置的亮源A周围60角秒内没有亮的目标，则可 以直接偏置赤纬或者赤经；如果被偏置亮源A周围60角秒内有一颗亮于15等的源，则向远 离此颗亮源方向偏置；如果被偏置亮源A周围有多颗亮源，则向着远离对其影响最大的那 颗源方向偏置。比如离被偏置亮源A 12角秒处有一颗14等的源，而离A 15角秒处有一个 6等的源，由公式（3)可知，对A影响大的是15角秒处6等的源，而不是离它12角秒处14 等的源。这时就需要把它的坐标朝着远离15角秒处那个源的方向偏置。
[0037] 步骤104坐标偏置之后进行检查，看是否受邻近目标影响。亮源坐标偏置之后，再 用偏置后的坐标计算是否受邻近其他亮源的影响，判断标准为偏置后星等和邻近亮源的星 等差是否大于5个星等。如果没有大于5个星等则没有影响保留观测，如果有影响则在观 测中舍弃这颗被偏置的亮源。附图1是偏置前观测目标的星等-信噪比关系图，附图2是 亮源坐标偏置之后的。从附图2能看出小于15等的星在偏置后，观测到的信噪比和15等 的星相当。附图1和2中有一些离散的点是由于个别坏光纤以及仪器性能造成的。0102_ TMl_n 〇〇ff和0102_TMl_off由于观测时间不同，仪器性能不稳定等原因，它们的信噪比-星 等对应关系是不同的。同一天区不同星等的信噪比差异更能反映问题。附图3列出的是一 个13. 92星等的源的观测结果的典型实例。此源由13. 92等偏置到15. 0等需要偏置3. 34 角秒，由于此源邻近没有目标，所以偏置了此源的赤经坐标。在偏置之前的观测中此源信噪 比为39. 8,是同一天区15等目标信噪比的1. 87倍（15等信噪比平均为21. 3);此源偏置 坐标后信噪比为27. 0,是同一天区15等目标信噪比的1. 04倍（15等信噪比平均为25. 9)。 由此结果看出13. 92等的源经过偏置后，流量和15等的源是相当的。
【主权项】
1. 一种在多目标光纤光谱观测中避免亮源轮廓线翼污染相邻的暗源光纤，使同一个天 区的亮源和暗源能同时观测到的方法，包括输入观测星表和亮源星表，规定观测星等范围， 其特征是：对于在星等范围外的需要观测的亮源进行坐标偏置，把本来对准亮源的光纤在 原来位置的基础上移开一定的距离，减少进入到光纤中的光子数，偏置之后检查被偏置亮 源是否被其他亮星污染。2. 根据权利要求1所述的亮源坐标偏置方法，其特征是：被偏置亮源附近60角秒内没 有目标源的直接偏置赤纬或者赤经坐标；被偏置亮源60角秒有多颗亮源，则向着对其影响 最大的那颗源的反方向偏置。3. 根据权利要求1或2所述的亮源坐标偏置方法，其特征是： a) 在光纤定位无偏差情况下，点源动态效率和大气视宁度相关，视宁度可以由每天的 天气监测数据得到，则由视宁度，可以得到点源的动态效率； b) 如果一个亮源的星等超出了一个天区规定的星等范围，则需要偏置它的坐标，进而 使其进入光纤的光子数减少，偏移的角秒数和亮源的星等和其需要变暗的星等有关； c) 如果一个需要观测的亮源，在60角秒内没有相邻目标源，则偏移此源的赤纬或者赤 经，如果在此亮源附近60角秒内有多颗源，则向对它流量影响最大的源的相反方向偏置， 如果偏置之后，邻近亮源对此源的影响不能忽略（即偏置之后星等与相邻亮源星等差大于 5个星等），则放弃对此源的观测，反之保留。
【文档编号】G01J3/28GK105892031SQ201410563871
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年10月22日
【发明人】雷亚娟, 董义乔, 袁海龙, 张昊彤, 白仲瑞, 李广伟, 杨卉沁
【申请人】中国科学院国家天文台