对空间物体进行自动化的无缝光谱处理和波长定标方法技术

本发明专利技术涉及一种对空间物体进行自动化的无缝光谱处理和波长定标方法。该方法包括如下步骤：对空间物体的光谱图像进行分类和预处理的步骤；对空间物体和定标灯的二维光谱进行本底和暗场图像进行预处理的步骤；对空间物体的光谱进行识别、定位、剪切的步骤；对定标灯谱进行识别和定位，然后进行剪切的步骤；对剪切的定标灯光谱进行追迹、旋转和抽谱的步骤；根据已知定标灯谱拟合色散方程的步骤；根据色散方程利用拍摄的多波段平场对空间物体的二维光谱进行平场改正的步骤；对剪切的空间物体二维光谱进行追迹、旋转和抽谱的步骤；波长定标的步骤；以及归档整理所有观测结果的步骤。

【技术实现步骤摘要】
对空间物体进行自动化的无缝光谱处理和波长定标方法
本专利技术涉及空间物体数据处理领域，尤其涉及一种对空间物体无缝光谱的快速处理方法。
技术介绍
无缝光谱鉴于有可以同时多目标观测，不受狭缝限制，不需要很高的指向精度等优点，在空间物体和其它方面上具有广泛的用途，尤其如果配上大视场望远镜，可以进行大规模的高效率的光谱巡天。然而对其数据处理具有较大的技术难度，尤其是要在各波长上进行均匀的平场改正、精确的波长一直是一件费时费力的工作，需要大量的人力物力，而且对于空间物体等观测，需要快速甚至准实时地得到最终的处理结果。因而需要采用新的自动化的数据处理方法来对无缝光谱进行快速处理和波长定标。
技术实现思路
本专利技术主要针对目前的无缝光谱进行自动的预处理(仪器响应改正)、二维光谱自动识别、定位、抽谱、波长定标过程。本专利技术的目的是提供一种对空间物体进行自动化的无缝光谱处理和波长定标方法，该方法基于传统光谱数据处理和波长定标，能够解决无缝光谱的自动化高效批量处理问题。本专利技术的方法可以进行自动化的批量处理，在较短时间内对批量无缝光谱进行处理，可靠性高，运行稳定，处理速度快，人工参与程度低，自动化程度较高，因此本方法为无缝光谱的动画化批量处理供了很好技术支持。本专利技术的对空间物体进行自动化的无缝光谱处理和波长定标方法包括以下步骤：对空间物体的二维光谱图像进行分类和预处理的步骤，用于对本底图像、平场图像和暗场图像分别进行合并，并进行本底和暗流改正；对空间物体的二维光谱进行识别、定位、剪切的步骤，用于对经过预处理后的图像中的光谱进行识别和定位，然后对二维光谱进行剪切；对定标灯的二维光谱做上述同样的处理；对剪切的定标灯的二维光谱进行追迹、旋转和抽谱的步骤，用于对剪切的二维光谱图像顺次进行平滑处理、追迹拟合处理、旋转处理和抽谱等处理；根据已知定标灯一维谱得到色散方程，然后根据色散方程利用观测的多波段平场(X,Y,λ)对剪切的空间物体二维光谱完成平场改正；对剪切的空间物体二维光谱进行追迹、旋转和抽谱的步骤，用于对剪切的二维光谱图像顺次进行平滑处理、追迹拟合处理、旋转处理和抽谱处理；波长定标的步骤，用于将定标灯谱得到的色散方程，运用到待定标的空间物体一维光谱中，就完成波长定标；以及归档整理所有观测结果的步骤，用于对整晚波长定标后的空间物体的一维光谱进行整理，按照用户的需求生成固定格式的表格。本专利技术能够产生以下有益的技术效果：本专利技术的数据处理的过程自动化程度高，需要很少的人工干预，容易操作，对数据处理人员的数据处理能力要求低，便于应用和推广，同时减少了由于不同操作人员而造成的结果差，便于不同系统的处理结果进行对比。本专利技术的数据处理结果稳定，可靠性高，多次运行结果稳定，不存在系统偏差。本专利技术的数据处理效率高，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，一般几秒钟可完成一条光谱数据的处理，基本可实现在一天时间内完成前一天晚上的所有光谱观测数据。附图说明图1是本专利技术的对空间物体进行自动化的无缝光谱处理和波长定标方法的流程图；图2示出本专利技术的本底图像；图3示出本专利技术的SDSS滤光片系统透过率曲线；图4示出本专利技术的原始二维光谱图像；图5示出本专利技术的已知定标灯谱；图6示出本专利技术的色散方程拟合结果；图7示出本专利技术的平滑后的二维光谱图像；图8示出本专利技术的二维光谱追迹拟合结果；图9示出本专利技术的经旋转后二维光谱图像；图10示出本专利技术的沿垂直色散方向的光谱轮廓高斯拟合结果；图11示出本专利技术的抽谱后得到的一维光谱；图12示出本专利技术的±1级谱合并后的一维光谱；图13示出本专利技术的波长定标结果。具体实施方式以下将参照附图详细说明本专利技术的示例性实施方式。在本专利技术中，以现代卫星作为观测目标的示例，但这不是限制性的，包括现代卫星在内的任何具有不同的姿态稳定方式的同步轨道空间物体(以下简称为空间物体)都可以作为本专利技术的观测目标。本专利技术的对空间物体进行自动化的无缝光谱处理和波长定标方法包括五个步骤：对光谱图像进行分类和处理的步骤；对空间物体和定标灯二维光谱进行识别、定位、剪切的步骤；对定标灯谱剪切的光谱进行追迹、旋转和抽谱的步骤；根据定标灯谱得到色散方程，对空间物体剪切的光谱进行平场改正，再进行追迹、旋转和抽谱的步骤；根据定标灯谱得到色散方程，进行波长定标的步骤；以及归档整理所有观测结果的步骤。以下将分别上述各个步骤进行详细说明，图1为流程图。步骤一：对空间物体的二维光谱图像进行分类和处理的步骤。该步骤具体包括以下子步骤：子步骤A：获取本底图像(Bias)、平场图像(Flat)、暗场图像(Dark)。对于无缝光谱的数据，最终的处理精度会受到光学系统(包括光源)和探测器的均匀度、线性度以及响应度的影响，因此，无缝光谱的处要求先消除CCD的象元间的像素差异和光学系统的差异，校正像畸变等。为保证数据处理精度，除了需要空间物体的无缝光谱时，需要一批用于系统校正的图像，主要包括：本底图像(Bias)、平场图像(Flat)和暗流图像(Dark)。本底(Bias)图像如图2所示，一般每晚的数据中包含10-20幅，ADU读数一般在500-2000之间。对于无缝光谱的平场，和一般的测光或者长缝光谱相比拍摄难度较大，因为无缝光谱在CCD上成像的二维谱位置是不固定的。理想的状态是拍摄一系列的单色光，然后根据不同颜色的平场来修正某波长处的颜色响应，最终修正整条光谱。实际上可使用一系列滤光片系统来近似，如图3所示的SDSS(SloanDigitalSkySurvey)滤光片系统的u’g’r’i’z’5个波段，从而对无缝光谱的平场进行近似，当然也可采用其它测光系统如Johnson-CousinsUBVRI等。对于暗场(Dark)图像，主要是消除探测器本身的暗电流。拍摄时要和曝光时间保持一致。子步骤B：合并本底图像，对所有光谱图像进行本底改正，消除探测器及光电观测设备的偏置电压及不均匀性影响。本底在数据处理时要进行合并，在所有的图像中都要进行修正。由于本底图像还存在一定的二维结构，因此必需进行改正。子步骤C：对不同波段的平场图像，做归一化的三维平场(X,Y,λ)。我们得到每个象元不同波长的平场响应，需要对每个波段的平场都做归一化，得到归一化的三维平场(X,Y,λ)，然而平场改正必需要进行波长定标后才可以进行。子步骤D：合并暗场图像，进行暗场改正，消除探测器上暗电流的影响。对于一般CCD，通常小时级的曝光，只有几个电子，对于短曝光(如几分钟之内)，几乎可以忽略其影响。步骤二：对空间物体和定标灯的二维光谱进行识别、定位、剪切的步骤。该步骤具体包括以下子步骤：子步骤E：对经过本底和暗流改正后的图像中的二维光谱进行识别和定位，主要根据光谱的0级谱。一般在二维光谱中，由于空间物体零级谱的形状类似点源，可通过信噪比(Signal-to-NoiseRatio,SNR)以及锐度(Sharpness)和圆度(Roundness)来判断，比较明亮且容易辨认；而对其它恒星而言，其零级谱是一条线。信噪比可用如下公式计算：其中DN为CCD读数，Gain为增益。锐度(Sharpness)需要给出截至的上下限，定义为其中DNmax是零级谱探测中最大读数值，DNnei是周围临近像素的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对空间物体进行自动化的无缝光谱处理和波长定标方法，其特征在于，包括如下步骤：对空间物体的二维光谱图像进行分类和预处理的步骤，对本底图像、平场图像和暗场图像分别进行处理和合并，并对空间物体和定标灯的二维光谱进行本底和暗流的改正；对空间物体的二维光谱进行识别、定位、剪切的步骤，对经过本底和暗流的改正后的图像中的空间物体的二维光谱进行识别和定位，然后对空间物体的二维光谱进行剪切；对定标灯的二维光谱进行识别、定位、剪切的步骤；对定标灯的二维光谱图像顺次进行平滑处理、追迹拟合处理、旋转处理和抽谱处理的步骤；根据已知的定标灯谱得到色散方程，然后根据色散方程利用观测的多波段平场（X, Y,λ），对剪切的空间物体二维光谱进行平场改正的步骤；对做完平场改正的空间物体的二维光谱图像顺次进行平滑处理、追迹拟合处理、旋转处理和抽谱处理的步骤；波长定标的步骤，根据定标灯谱得到的光谱色散方程，运用到待定标的抽出的空间物体的一维光谱中，就完成波长定标；以及归档整理所有观测结果的步骤，对整晚波长定标后的空间物体的一维光谱结果进行整理，按照用户的需求生成固定格式的表格。

【技术特征摘要】
1.一种对空间物体进行自动化的无缝光谱处理和波长定标方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：对空间物体的二维光谱图像进行分类和预处理的步骤，该步骤包括以下子步骤：子步骤A：获取本底图像(Bias)、多波段的平场图像(Flat)、暗场图像(Dark)；子步骤B：合并本底图像，对所有空间物体的二维光谱以及定标灯的二维光谱进行本底改正，消除探测器及光电观测设备的偏置电压及不均匀性影响；子步骤C：合并暗场图像，进行暗场改正，消除探测器上暗电流的影响；子步骤D：对不同波段的平场图像做归一化的三维平场(X,Y,λ)；步骤二：对空间物体的二维光谱进行识别、定位、剪切的步骤，该步骤包括以下子步骤：子步骤E：对经过本底和暗流改正后的图像中的空间物体和定标灯的光谱通过零级谱进行识别和定位；子步骤F：对空间物体和定标灯的二维光谱进行剪切(CutoutSpectrum)，以0级光谱为中心，沿色散方向剪切成长条形状；步骤三：对定标灯的二维光谱图像顺次进行平滑处理、追迹拟合处理、旋转处理和抽谱处理的步骤，该步骤包括以下子步骤：子步骤G：对剪切的二维灯谱图像进行平滑处理；子步骤H：对剪切的二维灯谱整体进行追迹拟合，所述光谱图像包括0级，±1级；子步骤I：通过拟合的斜率对剪切的二维灯谱进行旋转，使其色散方向和图像的X轴平行；子步骤J：对定标灯零级谱进行半高全宽拟合(FWHM)，从而对抽灯谱的孔径大小进行判断估计；子...

【专利技术属性】
技术研发人员：范舟，王建峰，徐达维，唐轶峻，葛亮，姜晓军，邹卫平，周婉，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：北京;11