AST3圖像相減測(cè)光模板系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

康文東，于 策，張旭明，孫濟(jì)洲，商朝暉，陳錦言，曹 瑋

(1.天津大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072;2.天津師范大學(xué)天體物理中心，天津 300387)

AST3(Three Antarctic Schmidt Telescopes)是3個(gè)50 cm口徑的施密特望遠(yuǎn)鏡，將安裝于昆侖站。AST3的每個(gè)望遠(yuǎn)鏡配備了10 K×10 K的CCD相機(jī)，可以覆蓋約3°×3°的天空，空間采樣1″/pixel。

AST3基于圖像相減的變?cè)礈y(cè)光軟件主要目的是通過圖像相減的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)部署在南極Dome A地區(qū)的天文望遠(yuǎn)鏡獲得的天文數(shù)據(jù)的處理，從而獲得變?cè)磾?shù)據(jù)。

AST3項(xiàng)目每半年連續(xù)觀測(cè)能夠產(chǎn)生至少43 T的數(shù)據(jù)，而且地處南極地區(qū)，無人職守的環(huán)境要求軟件高度的自動(dòng)化、智能化。因此AST3處理軟件將為未來其他天文軟件的發(fā)展提供很好的借鑒，特別是將來還要在南極Dome A部署的4 m口徑望遠(yuǎn)鏡。

1 圖像相減測(cè)光

圖像相減測(cè)光是將已知的模板圖像與要檢測(cè)的圖像進(jìn)行相減，從而找到其中的差異，并利用已知的領(lǐng)域知識(shí)判斷差異代表的實(shí)際物理意義或者差異根源的方法［1］。

在進(jìn)行圖像相減前，必須完成必要的準(zhǔn)備工作，包括模板制作、新來圖像質(zhì)量判斷、圖像配準(zhǔn)、亮度歸一化處理、卷積處理。本文重點(diǎn)論述模板制作的過程，針對(duì)漂移掃描和定點(diǎn)追蹤觀測(cè)這兩種不同的觀測(cè)模式，提出并實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的模板制作流程。

一幅新來圖像進(jìn)入圖像相減模塊后，首先要判斷該圖像質(zhì)量，只有質(zhì)量足夠好，才能繼續(xù)相減流程，否則將該圖像拋棄。

望遠(yuǎn)鏡不同時(shí)間對(duì)同一天區(qū)拍攝的圖像可能會(huì)出現(xiàn)圖像平移、旋轉(zhuǎn)，為此需要圖像配準(zhǔn)，圖像配準(zhǔn)是指將新拍攝到的圖像與模板圖像按照赤經(jīng)赤緯對(duì)齊。模板是質(zhì)量最好的圖像，其亮度與新來圖像是有差異的，不能直接進(jìn)行圖像相減，要經(jīng)過亮度歸一化處理，使二者亮度相同。

模板是經(jīng)過若干幅質(zhì)量足夠好的圖像疊加而成的，模板圖像的視寧度最小，PSF(Point Spread Function，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù))最銳。質(zhì)量足夠好的新圖像的視寧度、PSF與模板圖像是有差異的，不能直接進(jìn)行圖像相減，要將模板圖像進(jìn)行卷積處理，使得模板圖像的視寧度、PSF與新圖像相同。

圖1 圖像相減原理圖［1］Fig.1 The principle of image subtraction［1］

2 AST3模板制作流程設(shè)計(jì)

2.1 功能介紹

2.1.1 兩種觀測(cè)模式

AST3望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)模式分為兩種，第1種是漂移掃描，第2種是定點(diǎn)追蹤觀測(cè)，其中定點(diǎn)追蹤觀測(cè)是主要的觀測(cè)模式，可以通過遠(yuǎn)程發(fā)送信號(hào)來改變觀測(cè)模式。

漂移掃描是指望遠(yuǎn)鏡相對(duì)地面靜止不動(dòng)，鏡片本身不轉(zhuǎn)動(dòng)，隨地球的自轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡的鏡頭掃過的天空，形成一個(gè)環(huán)形，CCD每個(gè)通道每2.4 min讀出一次圖像，CCD的10個(gè)通道讀出圖像的動(dòng)作是同時(shí)進(jìn)行的，將每個(gè)通道讀出的圖稱為“小圖”，同一時(shí)刻讀出的10幅小圖是連續(xù)的，將其按照CCD的左右順序依次簡(jiǎn)單拼接，得到的是一幅記錄著連續(xù)天區(qū)的大圖。

定點(diǎn)追蹤觀測(cè)方式是指望遠(yuǎn)鏡自身可以調(diào)節(jié)一定的角度，在特定時(shí)刻對(duì)某一特定的天區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，默認(rèn)的方式為，確定1250個(gè)固定的天區(qū)，每天對(duì)部分天區(qū)進(jìn)行追蹤觀測(cè)，將觀測(cè)到的圖像記錄下來，進(jìn)入到圖像相減流程與對(duì)應(yīng)模板相減。

2.2 模板制作流程設(shè)計(jì)

2.2.1 整體流程

漂移掃描和定點(diǎn)追蹤觀測(cè)兩種模式下，圖像的獲得機(jī)制不同，所得圖像的尺寸和天區(qū)位置也不同，需要分開處理，為方便地區(qū)分所得圖像的方式，還需要將所得的原圖像分開存儲(chǔ)。兩種模式在輸入圖像和模板的對(duì)應(yīng)方式上有所不同，而一旦找出了輸入圖像和對(duì)應(yīng)的模板，不論是繼續(xù)進(jìn)行相減流程還是進(jìn)行模板疊加流程，兩種觀測(cè)方式下的過程都是相同的。即整個(gè)的系統(tǒng)流程主要分為圖像與模板的對(duì)應(yīng)、模板疊加、圖像相減3大部分。系統(tǒng)的整體流程如圖2。

預(yù)處理過程(圖3)，在整個(gè)系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)之前，首先要讀入模板位置信息到數(shù)據(jù)庫，模板名稱及位置信息在配置文件中設(shè)置，其中漂移掃描方式給出計(jì)算模板范圍的參數(shù)，定點(diǎn)追蹤掃描方式給出模板的具體名稱和位置［2－3］。

判定當(dāng)前模式，每次運(yùn)行前用指令getmode讀取配置文件mode_config來判定觀測(cè)模式，配置文件mode_config的值為1，表示當(dāng)前觀測(cè)方式為漂移掃描，為0表示定點(diǎn)觀測(cè)。確定完當(dāng)前觀測(cè)模式后，根據(jù)返回值進(jìn)入相應(yīng)觀測(cè)流程。

2.2.2 漂移掃描模板制作流程。

漂移掃描模板制作過程可以用圖4圖簡(jiǎn)要表述。

對(duì)于給定赤經(jīng)范圍需要制作模板的區(qū)間(例如給定5.4°～12°)，用10個(gè)CCD通道［4－5］中的一個(gè)來連續(xù)獲得該區(qū)域的小圖像，然后將這些小圖像條拼接在一起形成一張覆蓋該區(qū)域的大圖，再按照赤經(jīng)剪掉多余部分，得到范圍精確的新圖像，用其與已有的該區(qū)間的模板 (如果有)進(jìn)行疊加，否則將該圖像直接作為模板。漂移掃描流程如圖5。

圖2 圖像處理流程Fig.2 Flowchart of image processing

圖3 預(yù)處理Fig.3 Flowchart of preprocessing

圖4 漂移掃描模板制作過程示意圖Fig.4 Production of a reference image for drift scan

其中第3步，ra與某模板的最小經(jīng)度相鄰，意為該小圖的左經(jīng)度小于(或者說覆蓋)該模板的左經(jīng)度且只小于一個(gè)小圖像跨度范圍之內(nèi)，只有這樣，才能認(rèn)為經(jīng)拼接后的圖像可以剪切出符合要求的模板;而當(dāng)檢驗(yàn)小圖像后面是否還有ns幅小圖像是指同一CCD通道下來的ns幅小圖，這樣可以保證將因CCD通道不同而引起的差異排除掉;當(dāng)模板一旦質(zhì)量足夠好之后，程序大部分都在執(zhí)行圖像相減過程，后續(xù)會(huì)加以討論。

圖5 漂移掃描模板制作流程圖Fig.5 Flowchart of producing a reference image for drift scan

2.2.3 定點(diǎn)觀測(cè)模板制作流程

定點(diǎn)觀測(cè)流程(圖6)相對(duì)于漂移掃描方式而言，不涉及到圖像的拼接問題，經(jīng)判定后，圖像可直接用于疊加或相減，定點(diǎn)觀測(cè)是望遠(yuǎn)鏡的主要工作方式。

圖6 定點(diǎn)觀測(cè)模板制作流程Fig.6 Flowchart of producing a reference image for fixedpointing follow-up observation

圖7 圖像疊加流程圖Fig.7 Flowchart of coadding images

2.2.4 圖像疊加流程

無論是那種觀測(cè)方式，在模板存在但質(zhì)量不足夠好的情況下，一經(jīng)判定新獲得的圖像質(zhì)量足夠好，則進(jìn)入圖像疊加流程(圖7)，以便疊加出質(zhì)量足夠好的模板，若模板不存在，則直接把該圖像作為模板。

2.2.5 圖像相減流程

該流程(圖8)的目的是與模板相比較，探測(cè)圖像上的變?cè)矗?duì)其進(jìn)行測(cè)光。由于主要過程是通過與模板相減來探測(cè)變?cè)?，這樣就要求圖像和模板的亮度、星象輪廓(PSF)［6］要盡可能的一致。模板是最好的圖像(亮度最亮，seeing最小，PSF最銳)，需要通過亮度歸一化使得模板與新來圖像亮度相同，再通過卷積模板使得二者PSF相匹配。亮度歸一化處理后，需要利用觀測(cè)圖像上的亮星，確定其PSF。根據(jù)坐標(biāo)，找到模板上相對(duì)應(yīng)的天區(qū)，卷積模板以與觀測(cè)圖像的星象輪廓一致，同時(shí)，將觀測(cè)圖像和模板對(duì)齊相減。兩幅圖像相減后，只剩下變?cè)?，便于探測(cè)。之后，可以對(duì)變?cè)礈y(cè)光，結(jié)合模板的測(cè)光結(jié)果對(duì)變?cè)催M(jìn)行星等定標(biāo)，生成星表(RA，Dec，x，y，mag，…)。圖像相減后，信息量降低，圖像壓縮率提高。只需要保存一個(gè)模板和相減后的圖像，就可以恢復(fù)到原始圖像。

2.2.6 模式轉(zhuǎn)變與特殊天區(qū)處理

在望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)過程中，可以遠(yuǎn)程向望遠(yuǎn)鏡發(fā)送一個(gè)改變觀測(cè)模式的信號(hào)，通過修改配置文件中的參數(shù)，達(dá)到改變其觀測(cè)模式的目的。

在定點(diǎn)追蹤觀測(cè)的過程中，存在更改觀測(cè)天區(qū)的情況，當(dāng)天空中的某一區(qū)域具有特殊天文現(xiàn)象時(shí)，可以遠(yuǎn)程向望遠(yuǎn)鏡發(fā)送一個(gè)信號(hào)，讓望遠(yuǎn)鏡改變觀測(cè)的區(qū)域。

2.2.7 流程的測(cè)試及結(jié)果

流程整體采用腳本語言編寫，能夠達(dá)到便捷有效地組織和協(xié)調(diào)各功能模塊的作用。測(cè)試過程包括［7］對(duì)一般輸入、測(cè)試輸出的正確性;對(duì)于邊界輸入、輸出的正確性。經(jīng)測(cè)試，本流程能夠正確調(diào)度各功能模塊，可以正確地完成圖像拼接、圖像疊加、圖像相減，可以正確做出模板圖像。

圖8 圖像相減流程圖Fig.8 Flowchart of image subtraction

3 展望

對(duì)南極天文科考，南極天文中心與美國、澳大利亞等國家合作，制定了XIAN計(jì)劃。XIAN計(jì)劃共分為3部分，AST3是其中的第2步，它的最終目標(biāo)為在Dome A地區(qū)建立4 m級(jí)望遠(yuǎn)鏡。隨著XIAN計(jì)劃的逐步進(jìn)行，同為在南極惡劣無人值守環(huán)境下的天文望遠(yuǎn)鏡，AST3的軟件可以部分或全部移植到以后其他更大型天文望遠(yuǎn)鏡上，同時(shí)，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也為完善以后望遠(yuǎn)鏡軟件打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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