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    重庆时时彩大小单双走势: 一种空间天文宇宙线观测图像仿真方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201310287611.4

    申请日:

    2013.07.10

    公开号:

    CN103324812A

    公开日:

    2013.09.25

    当前法律状态:

    终止

    有效性:

    无权

    法律详情: 未缴年费专利权终止IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20130710授权公告日:20151223终止日期:20160710|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20130710|||公开
    IPC分类号: G06F17/50 主分类号: G06F17/50
    申请人: 中国科学院国家天文台
    发明人: 吴潮; 邓劲松; 裘予雷; 魏建彦
    地址: 100012 北京市朝阳区大屯路甲20号
    优先权:
    专利代理机构: 中国航天科技专利中心 11009 代理人: 庞静
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201310287611.4

    授权公告号:

    |||||||||

    法律状态公告日:

    2017.08.25|||2015.12.23|||2013.10.30|||2013.09.25

    法律状态类型:

    专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种空间天文宇宙线观测图像仿真方法,(1)根据需要仿真的空间天文观测仪器特性选择已存在的空间望远镜图像;(2)对空间望远镜图像按照观测时的不同轨道位置进行分组,每一组图像都进行如下处理:(2.1)提取图像中的每个宇宙线事件,构建宇宙线事件模板库;(2.2)对针对每组图像构建的宇宙线事件模板库分别进行统计分析,统计单位像元面积单位时间内CCD靶面上所遭遇的事件数,记为宇宙线遭遇率CRsRate,宇宙线事件的能量分布,每个宇宙线事件所占像元数目;(3)根据待仿真图像的信息,从宇宙线事件模板库中提取宇宙线事件;(4)利用步骤(3)中提取的宇宙线事件生成仿真宇宙线图像,除宇宙线事件外图像中的其余像元作为背景,其值设为零。

    权利要求书

    权利要求书
    1.   一种空间天文宇宙线观测图像仿真方法,其特征在于步骤如下:
    (1)根据需要仿真的空间天文观测仪器特性选择已存在的空间望远镜图像;
    (2)对步骤(1)中选择的空间望远镜图像按照观测时的不同轨道位置进行分组,每一组图像都进行如下处理:
    (2.1)提取图像中的每个宇宙线事件,构建宇宙线事件模板库;
    (2.2)对针对每组图像构建的宇宙线事件模板库分别进行统计分析,统计单位像元面积单位时间内CCD靶面上所遭遇的事件数,记为宇宙线遭遇率CRsRate,宇宙线事件的能量分布,每个宇宙线事件所占像元数目;
    (3)根据待仿真图像的信息,从宇宙线事件模板库中提取宇宙线事件;
    (4)利用步骤(3)中提取的宇宙线事件生成仿真宇宙线图像,除宇宙线事件外图像中的其余像元为背景,其值设为零。

    2.   根据权利要求1所述的一种空间天文宇宙线观测图像仿真方法,其特征在于:所述步骤(2.1)中提取图像中的每个宇宙线事件处理步骤如下:
    (2.1.1)对一组空间望镜图像中同一视场观测三次或以上的原始图像进行平场、减本底、去暗流基本处理,并去除坏像素点;
    (2.1.2)对步骤(2.1.1)处理后的同一视场的图像进行图像对齐处理;
    (2.1.3)将对齐处理后的图像进行中值法合并处理;即所有图像的每个像元响应值pixvali的中值作为合并后图像的相应像元的响应值pixvalcom;
    (2.1.4)将步骤(2.1.2)得到的对齐处理后的图像减去合并后的图像,即可得到宇宙线图像;
    (2.1.5)从宇宙线图像中提取宇宙线事件,构建宇宙事件模板库,提取的每个宇宙线事件以如下格式表示:[<总能量>,<总像元数>,<事件数列>],其中,总能量Ee为根据图像的增益值Gain将宇宙线事件的总能量EADU值换化为电子数值;事件数列为每个宇宙线事件的数列值乘以Gain。

    3.   根据权利要求1所述的一种空间天文宇宙线观测图像仿真方法,其特征在于:所述步骤(3)的提取过程如下:
    (3.1)根据待仿真图像的轨道位置,从宇宙线事件模板库中提取相应轨道位置的一组模板;
    (3.2)根据步骤(2.2)中统计的提取模板的宇宙线遭遇率CRsRate,综合曝光时间texp和仿真图像靶面总像素大小CCDpixels,计算出在仿真靶面上遭遇到的总宇宙线事件数NCR,计算公式为:NCR=CCDpixels*texp*CRsRate;
    (3.3)利用二维平面上均匀分布的随机函数生成NCR个在CCD靶面上的宇宙线事件随机点作为宇宙线事件的位置,再随机生NCR个指向宇宙线事件模板库地址的随机数,随机从宇宙线事件模板库中提取宇宙线事件的能量和轮廓作为仿真过程中对应位置上遭遇的宇宙线事件图像的能量和轮廓值。

    说明书

    说明书一种空间天文宇宙线观测图像仿真方法
    技术领域
    本发明涉及一种空间天文宇宙线观测图像仿真方法,适用于仿真空间天文观测(主要指光学波段)中宇宙线在观测的CCD图像中的观测图像(效应),能够较真实地仿真出宇宙线的能量分布、形状结构等基本参数。为研发中的空间天文观测项目提供有力的仿真数据支持,达到真实有效地分析宇宙线对所观测的天体目标带来的干扰与影响,合理地评估科学目标观测实现的可行性。
    背景技术
    宇宙线对于天文观测的相机终端设备CCD(Charge Coupled Device:电荷藕合器件图像传感器)将会产生严重的干扰噪声影响,在CCD的靶面上会形成随机分布、形状各异的噪声点,这种噪声点对于天文观测中的主要天体科学目标的观测产生极大的干扰。无论是空间天文观测还是地面天文观测,宇宙线的干扰与影响都是不可避免的。如何较为真实地仿真天文观测图像中的宇宙线在CCD图像中的观测图像(噪声效应),对于研发中天文观测项目尤其是空间观测项目用来评估仪器的观测性能更具有重要的指导意义,但是真实地仿真宇宙线观测图像具有较大的难度。主要是因为宇宙线在观测图像上的噪声效应是由许多因素决定的。
    根据宇宙线观测图像的产生机制:来自外太空的高能宇宙线(其主要成份是:质子、α粒子(氦核子)、原子核、电子、γ射线和中微子等)与CCD芯片的原子相碰撞激发出电子,激发的电子在CCD响应电路中的效果等同于光子在CCD中的响应,从而在CCD采集到的图像中会产生亮斑。这些亮斑在CCD上的位置分布是随机的,因为每次宇宙线粒子事件的位置是随机的。亮斑的形状是随机的,亮斑形状从一个像元到多个像元不等,地面观测受地球大气对于部分宇宙线事件的屏蔽作用的影响,大部分宇宙线事件在CCD像元上的影响仅为一个像元,而在空间观测中则占数个像元(最多能到十几个像元)。受到复杂空间环境如太阳活动活跃期或者卫星处于不同轨道位置而受地磁屏蔽的效果差异,遭受到的宇宙事件也会有很大的不同。
    现有的宇宙线在CCD上的图像仿真方法是利用较为简单模型,如天文上流行的IRAF软件包mknoise主要是利用高斯分布的椭圆化的半长轴和半短轴来描述不同的宇宙线形状,这与现实中的宇宙线尤其是空间观测中宇宙线在CCD上的像斑形状有很大的差异。另外,该软件包未提供宇宙线能量的分布和遭受宇宙线事件数的计算参数和依据,这些参数在软件包中都是一个自由参量,具有很大的人为随机性,难以达到真实地仿真宇宙线在CCD中的观测图像,使其具有真实的宇宙线事件能量分布和轮廓形态结构的特性。
    发明内容
    本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种空间天文宇宙线观测图像仿真方法,该方法能够真实有效地仿真空间天文观测中宇宙线在CCD上生产的图像,为评估研发中的空间天文项目的科学目标和观测策略提供重要的仿真数据。
    本发明的技术解决方案是:一种空间天文宇宙线观测图像仿真方法,步骤如下:
    (1)根据需要仿真的空间天文观测仪器特性选择已存在的空间望远镜图像;
    (2)对步骤(1)中选择的空间望远镜图像按照观测时的不同轨道位置进行分组,每一组图像都进行如下处理:
    (2.1)提取图像中的每个宇宙线事件,构建宇宙线事件模板库;
    (2.2)对针对每组图像构建的宇宙线事件模板库分别进行统计分析,统计单位像元面积单位时间内CCD靶面上所遭遇的事件数,记为宇宙线遭遇率CRsRate,宇宙线事件的能量分布,每个宇宙线事件所占像元数目;
    (3)根据待仿真图像的信息,从宇宙线事件模板库中提取宇宙线事件;
    (4)利用步骤(3)中提取的宇宙线事件生成仿真宇宙线图像,除宇宙线事件外图像中的其余像元为背景,其值设为零。
    所述步骤(2.1)中提取图像中的每个宇宙线事件处理步骤如下:
    (2.1.1)对一组空间望镜图像中同一视场观测三次或以上的原始图像进行平场、减本底、去暗流基本处理,并去除坏像素点;
    (2.1.2)对步骤(2.1.1)处理后的同一视场的图像进行图像对齐处理;
    (2.1.3)将对齐处理后的图像进行中值法合并处理;即所有图像的每个像元响应值pixvali的中值作为合并后图像的相应像元的响应值pixvalcom;
    (2.1.4)将步骤(2.1.2)得到的对齐处理后的图像减去合并后的图像,即可得到宇宙线图像;
    (2.1.5)从宇宙线图像中提取宇宙线事件,构建宇宙事件模板库,提取的每个宇宙线事件以如下格式表示:[<总能量>,<总像元数>,<事件数列>],其中,总能量Ee为根据图像的增益值Gain将宇宙线事件的总能量EADU值换化为电子数值;事件数列为每个宇宙线事件的数列值乘以Gain。
    所述步骤(3)的提取过程如下:
    (3.1)根据待仿真图像的轨道位置,从宇宙线事件模板库中提取相应轨道位置的一组模板;
    (3.2)根据步骤(2.2)中统计的提取模板的宇宙线遭遇率CRsRate,综合曝光时间texp和仿真图像靶面总像素大小CCDpixels,计算出在仿真靶面上遭遇到的总宇宙线事件数NCR,计算公式为:NCR=CCDpixels*texp*CRsRate;
    (3.3)利用二维平面上均匀分布的随机函数生成NCR个在CCD靶面上的宇宙线事件随机点作为宇宙线事件的位置,再随机生NCR个指向宇宙线事件模板库地址的随机数,随机从宇宙线事件模板库中提取宇宙线事件的能量和轮廓作为仿真过程中对应位置上遭遇的宇宙线事件图像的能量和轮廓值。
    本发明与现有技术相比的优点在于:
    (一)本发明仿真得到的宇宙线在CCD中的观测图像,其特性参数:像斑数目、能量分布、形状轮廓较为真实可靠??梢晕蟹⒅械目占涮煳墓鄄庀钅刻峁┙衔媸档挠钪嫦叻抡媸?,为项目的观测性能评估提供合理的仿真数据。
    空间天文观测中仿真宇宙线在CCD中的图像难点在于:遭遇到的宇宙线事件数目、宇宙线事件的能量分布仿真、宇宙线事件的轮廓形状(即多少个像元会影响)。本发明采用从已有空间望远镜的观测图像中提取的宇宙线事件构成宇宙线事件模板库,通过该模板库的统计参数宇宙线事件遭遇率CRsRate,即单位像元面积单位时间内CCD靶面上所遭遇到的宇宙线事件数,从而计算出在要求的曝光时间内在仿真的CCD靶面上所遭遇到的宇宙线事件,同是从模板库中随机取出相应的数目的宇宙线事件参数:轮廓形态与总能量。达到较为真实地仿真宇宙线图像的目的。
    (二)本发明的基于实际观测数据统计分析所得出的结果真实,并能仿真出卫星在不同轨道位置下的宇宙线图像。
    因为遭遇到的宇宙线事件数、能量及轮廓形状都与卫星所处轨道位置的空间环境有着密切的关系。本发明通过在不同轨道位置时的实测数据的统计分析,构造在不同轨道位置时的模板库。较好地解决了仿真在不同轨道位置下的宇宙线图像仿真问题。
    附图说明
    图1为本发明的空间天文宇宙线观测图像仿真实施流程图;
    图2为本发明的宇宙线模板构造数据处理实施流程图;
    图3为本发明的宇宙线事件模板提取实施演示图;
    图4为本发明的从宇宙线模板库提取宇宙线事件示意图;
    图5为本发明的实施例子的宇宙线能量分布图;
    图6为本发明的实施例子的宇宙线所占像元数目的分布图;
    图7为本发明的实施例子的仿真的宇宙线观测图像。
    具体实施方式
    本发明通过从已知空间天文观测的图像数据中提取宇宙线事件构建宇宙线事件模板库(下称模板库),利用模板库的统计信息和需要仿真的空间天文观测仪器的特点,随机地从模板库中选取事件模板仿真重构空间天文宇宙线观测图像,为预研中的空间天文观测项目提供较真实的宇宙线观测图像仿真数据。其具体实施过程如图1如所示:
    (1)获取已知空间天文观测数据(即空间望远镜图像),主要的已存在空间天文观测项目可以参见网页:
    //science.nasa.gov/astrophysics/missions/,一般选用与待仿真的仪器工作轨道和终端设备较为相近的空间天文项目,以下以哈勃望远镜为例。数据下载网址://hla.stsci.edu/或
    //archive.stsci.edu/vo/mast_services.html。
    (2)根据获取图像的观测时间和卫星飞行数据即可得出相应观测时刻的卫星轨道位置。对步骤(1)中选择的空间望远镜图像按照观测时的不同轨道位置进行分组,每一组图像都进行如下步骤(3)、(4)的处理。
    不同轨道位置的分组方法从原理上说,每组之间的空间位置间隔越小,即采样分辨率越高,所描述不同位置的空间环境情况越精细。但实际处理时需要根据已有空间望远镜观测数据的实际情况来定,一般15度(一轨的1/24)的间隔,基本能满足要求(如每轨周期为90分钟,则每幅图的曝光时间一般以小于225秒为宜)。每组数据要求有10幅以上的已有观测图像为宜。
    (3)处理一组空间望远镜图像,提取宇宙线事件信息。具体的处理过程如图2所示。实施过程如下:①对于同一视场观测三次或以上的原始图像进行,平场、减本底、去暗流等基本处理(利用天文图像处理软件IRAF完成),同时利用坏像元表,去除热点、暗点等坏像素点。②对以上(三个或三个以上)经过处理后的同视场图像进行图像的对齐处理。即首先对每幅图像进行点源提取,获取一组位置坐标(x,y)和星等参数(mag)。将某一图像i中的一组点源参数记为(xi,yi,magi)与其中一幅参考图像ref的一组点源参数,记为(xref,yref,magref)。然后,利用三角形匹配方法进行匹配,匹配成功后得到第i图像与参考图像ref之间的转换关系。最后,利用这一关系即可将图像i与参考图像ref对齐。除参考图像外,其它图像都可进行以上处理过程将所有图像对齐到其中的参考图像。③对齐后的图像进行中值法合并处理。即所有图像的每个像元响应值(pixvali)的中值作为合并后图像的相应像元的响应值pixvalcom,计算公式为:pixvalcom=Median(pixvali)④将以上第②步得到的对齐后的图像减去合并后的图像,即可得到宇宙线图像(亦称残差图,其中的天体目标已去除)。⑤从上一步相减得的残差图中提取宇宙事件,构建模板库。具体过程如图3所示。⑥根据图像的增益值(Gain)将宇宙线事件的总能量(ADU单位)EADU值换化为电子数值Ee,转换公式:Ee=EADU×Gain。同时,由图3过程提取的每个宇宙线事件,即以数列表示,数列的每个行列值都(数列的值),也需要乘以Gain以完成单位的转换。提取的每个宇宙线事件以如下格式表示:[<总能量>,<总像元数>,<事件数列>]。
    图3为本发明的宇宙线事件模板提取实施演示图。宇宙线事件是指每次遭遇的宇宙线。宇宙线事件判断与提取主要基于条件:①高于背景达到其涨落5σ的像元为遭遇宇宙线事件像元,其余为背景响应像元。②有两两相邻的像元遭遇宇宙线事件,它们记为受同一个宇宙线事件影响。宇宙线事件的提取过程,通过图(a)(b)(c)来示例。步骤为:①图(a)的每个格子表示以上经减图像处理后的残差图的每个对应的像元,图中表示两个宇宙线事件其左边事件占两个像元的为一个事件。格子里的值为宇宙线事件在相应像元上的响应值。其计算过程为:首先,计算出每个格子的真实信号值PvalCRi,计算公式为PvalCRi=Pvali?B,其中Pvali为图2第4步得到的残差图的像元值,B为背景值,其中背景值B的计算过程为三次3σ迭代计算得出。然后,将PvalCRi>5Bσ的像元在图(a)中对应的格子计为零,其中Bsigma为背景的标准差。最后得到如图(a)所示的格子。②建立一个数列图(a)所示像元相同行列的数列。单元格赋值规则为,将图(a)中所有像元为不为零的格子,在图(b)数列的对应格子中计为1,其余的记为0。其中圆圈表示图(a)的图像经过点源提取程序SEXtractor(为公知软件,可以在
    //www.astromatic.net/software/sextractor网站上下载,或者采用目前常用的电源提取算法自行编制程序)得到的事件位置。最后结果如图(b)所示。③再次复制一个与图(b)的数列,如图(c)所示,宇宙线事件的查找过程完全通过图(c)数列的读写与修改进行。首先将SEXtractor得到的事件位置处的单元格记为值2,然后找出此圆圈格子周围的8个单元格,如果有值大于0的则记为2。沿着这8个单元格再找出每个格子周围的8个单元格,从中心向外不断查找相邻的格子。总搜索像元为上下左右各25个像元数。最后,在图(c)数列中同一宇宙线事件影响的所有格子值都变为2,从图(a)中选出图(c)值为2的对应格子,即为相应的宇宙线像元。统计这些像元即可单位为ADU的统计参数:总能量、总像元数、事件数列,其中事件数列为从图(a)中根据事件覆盖的大小剪切出来的矩形数列。
    说明:三次3σ迭代过程为:①计算图像中像元的中值Bmea,记为Bmea=Median(Pvali);②滤除3σ像元,即滤除Pvali>3σ+Bmea,其中σ为标准差记为:σ=std(Pvali);重复三次以上计算过程,即通多次3σ过滤计算,消除信号的干扰,最后计算出背景B值。
    (4)对针对每组图像构建的宇宙线事件模板库分别进行统计分析,主要的统计量为:单位像元面积单位时间内CCD靶面上所遭遇的事件数(记为宇宙线遭遇率CRsRate),宇宙线事件的能量分布,每个宇宙线事件所占像元数目的统计。
    (5)根据待仿真图像的信息,从模板中提出宇宙线事件。过程为:根据观测图像的轨道位置,从模板库中提取相应轨道位置一组模板。根据其统计量宇宙线遭遇率CRsRate,并综合根据仿真需求输入的曝光时间(texp)和仿真图像靶面总像素大?。–CDpixels),计算出在仿真靶面上遭遇到的总宇宙线事件数(NCR)。计算公式为:NCR=CCDpixels*texp*CRsRate。
    (6)利用二维平面上均匀分布的随机函数生成NCR个在CCD靶面上的宙线事件随机点作为宇宙线事件的位置,再随机生NCR个指向模板库地址的随机数,随机从模板库中提取宇宙线事件的能量和轮廓作为在对应位置上遭遇的宇宙线事件图像的能量和轮廓值。
    图4为本发明的从宇宙线模板库提取宇宙线事件示意图。由图3所示的过程提取的每个宇宙事件参数在模板库中存放都给出一个地址编号。提取宇宙线时,通过随机数生成一个随机地址,从模板库中提取相应地址下的宇宙线事件。
    (7)最后生成的仿真宇宙线图像,除宇宙线事件外其余的用背景值设为零,并以FITS图像格式输出,该输出图像可以直接合并到天体目标仿真图,最后使得天体观测仿真图像具有宇宙线背景的仿真特点。为空间天文项目的研发提供较真实的评估数据。
    实施例
    本实施用例为仿真一个CCD的像元数目为:2k×2k,曝光时间为300秒,轨道位置为东经120度、北纬10度时的宇宙线图像。步骤如下:
    (1)按照本发明所述的步骤(1)下载哈勃空间望远镜wfpc2照机的在要求仿真的相应轨道附近的观测图像。统计分析宇宙线事件库得:CRsRate=4.03×10?6事件/秒/平方像元,宇宙线能量分布图如图5所示,宇宙线所占像元数目的分布图如图6所示。
    (2)执行本发明其余步骤,最后到得仿真结果:仿真的宇宙线观测图像如图7所示(该图是2k×2k图像中部分区域截取放大图)。
    本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

    关 键 词:
    一种 空间 天文 宇宙线 观测 图像 仿真 方法
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