射電天空與觀測源分布可視化軟件

喻業(yè)釗，韓金林

(1.中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

射電天空與觀測源分布可視化軟件

喻業(yè)釗1，2，韓金林1

(1.中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

射電天文觀測需要事先對射電源分布及天空背景有清晰的了解。目前國內(nèi)射電天文臺站缺乏射電天空與觀測源分布可視化軟件來對射電天空背景和觀測源進行顯示。開發(fā)一款簡潔、移植性強的可視化軟件，方便觀測者直觀地了解射電天空，幫助他們制定合理的觀測計劃。該軟件使用C語言及PGPLOT子函數(shù)庫編寫，在Linux系統(tǒng)下運行，實現(xiàn)了星空的實時查詢和按時查詢，并支持用戶更改觀測臺站、天空背景和射電源表等。該軟件具有很好的擴展能力，將面向國內(nèi)各天文臺站及天文愛好者開源發(fā)布。

射電天文；可視化軟件；PGPLOT；開源軟件

CN53－1189/P ISSN1672－7673

1932年卡爾·央斯基探測到來自銀河系中心的射電輻射，從此，射電波段成為天文觀測中一個重要的波段，是地基天文觀測在傳統(tǒng)光學(xué)窗口之外的新窗口。射電窗口的觀測波長范圍大致為0.1 mm～10 m，跨越了5個量級，比光學(xué)窗口(大約覆蓋0.35 μm～1 μm波長范圍)大了許多。通過這一嶄新的窗口，人們在短短幾十年的時間內(nèi)有了許多重要的天文發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)60年代4個重要天文發(fā)現(xiàn)，即:脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機分子，都是通過射電波段的觀測發(fā)現(xiàn)的。

不同于光學(xué)波段，天體在射電波段的輻射無法被人眼直接感知。國內(nèi)的天文臺及各天文網(wǎng)站上還沒有射電天空的實時顯示軟件，且一般的天文觀測者對射電天空了解較少，給天文觀測帶來些許不便。有些射電觀測人員在觀測時或觀測前計算射電源的地平坐標(biāo)值，以文本列表顯示，不夠直觀。德國馬普射電天文所早先開發(fā)的skyview軟件，僅針對某一固定地點顯示單一波段的銀河射電背景和一些射電強源。該軟件不開源發(fā)布，用戶無法根據(jù)自己的需要進行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

國內(nèi)的射電天文臺越來越多，例如，目前已有密云50 m、昆明40 m、上海25 m、新疆南山25 m、新疆烏拉斯臺21CMA、德令哈13.7 m毫米波望遠鏡、羊八井中德亞毫米波望遠鏡等等。最近，新建的上海65 m射電望遠鏡已經(jīng)開始運行，500 m口徑球面射電望遠鏡正在緊張施工中，將來還有新疆奇臺110 m、China-ART。若能以直觀圖像實時、簡明地顯示任何觀測臺站與觀測相近頻段的射電天空背景，并顯示待觀測射電源位置、流量等必要信息，對天文觀測者制定射電觀測計劃會很有幫助。為此開發(fā)這款射電天空及觀測源可視化軟件，開源釋放給觀測人員及天文臺，使得觀測者及望遠鏡操作人員能隨時直接看到射電源在可見天球上的位置。因此，這款軟件對射電觀測及射電天文科普都非常有意義。

1 軟件要求分析

考慮到射電天空可視化軟件主要面向?qū)I(yè)的天文觀測者，軟件應(yīng)做到簡單、方便，不需過多的美化。首先需要為軟件選擇一個合適的背景圖像。銀河系在射電波段比光學(xué)波段更為延展，在很多情況下銀河彌漫射電輻射可以是射電觀測的目標(biāo)。在觀測射電源時，銀河彌漫輻射又是系統(tǒng)噪聲中很強的天空背景噪聲。在不同射電波段，所探測到的銀河彌漫輻射的結(jié)構(gòu)不盡相同。不同天文臺的科學(xué)觀測目標(biāo)不同，需要了解不同射電波段的銀河系彌漫輻射背景。

為了讓用戶能直觀了解待觀測射電源的位置及天空背景信息，軟件必須以地平坐標(biāo)系繪制某一射電天文臺在任何時刻的銀河背景，并適當(dāng)標(biāo)注射電源的坐標(biāo)信息。此外，軟件應(yīng)能查詢顯示任意時刻的射電天空背景和射電源的位置，以方便觀測者制定合理的觀測計劃。

普適性和可擴展性是這款軟件的關(guān)鍵。國外同類型軟件因為沒有開源，用戶不能任意設(shè)定觀測臺站的地理位置，而且背景輻射內(nèi)容是在單一頻段。我們的射電天空可視化軟件，可使用戶根據(jù)自己的需要修改天文觀測臺站地點，顯示不同觀測波段的銀河背景輻射以及觀測目標(biāo)源的位置。

2 軟件實現(xiàn)及基本功能

2.1 開發(fā)環(huán)境

考慮到多數(shù)用戶的安裝及運行問題，最終選擇在Linux環(huán)境下利用C語言調(diào)用PGPLOT圖形子程序庫來實現(xiàn)這一射電天空與觀測源可視化軟件。PGPLOT圖形子程序庫[1]是基于Fortran-77語言編寫的，并提供了一個C語言可用的庫(cpgplot)和頭文件(cpgplot.h)。鑒于PGPLOT的簡潔性和在天文科研工作者中的廣泛使用，在Linux環(huán)境下利用C語言調(diào)用cpgplot進行繪圖，不僅能夠簡潔地實現(xiàn)可視化軟件所要達到的目標(biāo)，也使得可視化軟件便于大多數(shù)用戶安裝使用。

2.2 銀河彌漫背景輻射數(shù)據(jù)

針對國內(nèi)射電天文的發(fā)展?fàn)顩r，收集了多個頻段觀測的銀河彌漫輻射的實際全天巡天數(shù)據(jù)作為軟件界面的背景數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)均可從美國國家射電天文臺的SkyView虛擬天文臺[2]下載。虛擬天文臺搜集了從低頻射電波段到伽馬波段大量的天文觀測數(shù)據(jù)。選取的射電巡天數(shù)據(jù)包括:Jodrell Bank、Effelsberg和Parkes 3臺射電望遠鏡在1965至1975年做的408 MHz波段全天射電連續(xù)譜巡天[3]；WMAP衛(wèi)星7年數(shù)據(jù)中23 GHz波段的全天數(shù)據(jù)[4]；Planck衛(wèi)星2013年發(fā)布的數(shù)據(jù)中的100 GHz、217 GHz和353 GHz 3個波段的全天數(shù)據(jù)[5]。這些銀河背景輻射數(shù)據(jù)均使用銀道坐標(biāo)系存儲，數(shù)據(jù)中包括天球某點的銀經(jīng)、銀緯和射電輻射量等信息。為了優(yōu)化顯示效果，對數(shù)據(jù)中輻射值進行了非線性處理，以增強最終成像的對比度。

2.3 基本界面背景的繪制

銀河彌漫背景射電輻射數(shù)據(jù)使用銀道坐標(biāo)存儲，而本文設(shè)計的天空可視化軟件必須使用觀測臺站當(dāng)?shù)氐牡仄阶鴺?biāo)系。所以在繪制射電天空時需要進行相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，一般坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程如圖1。

圖1 坐標(biāo)變換基本流程Fig.1 The flowchart of coordinate conversions in the visualization software

可視化軟件可使用不同波段的銀河背景輻射數(shù)據(jù)作為背景。數(shù)據(jù)文件中包含多個數(shù)據(jù)點，特征參數(shù)值包含位置坐標(biāo)和銀河射電強度，需要最終用圖像的顏色直觀表示出來。數(shù)據(jù)文件不明確寫出坐標(biāo)數(shù)值信息，繪圖時需要通過數(shù)據(jù)點的行列值推算得到銀經(jīng)和銀緯，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將這些數(shù)據(jù)點的輻射強度值賦給繪圖區(qū)域上相應(yīng)的點，完成背景的繪制。在實際繪制銀河射電圖像時，使用上述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換順序有時會遇到一些問題。因為對銀河射電圖像進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可理解為一個將平面圖像變?yōu)榍蛎嬖僮優(yōu)榱硪粋€平面圖像的過程。這個過程會導(dǎo)致起初均勻分布的像素點在最終的平面圖像中變成非均勻分布，在極點附近區(qū)域圖像顯得尤為難看。另外PGPLOT不可以使用非均勻分布的像素點進行繪圖，因此可視化軟件實現(xiàn)中采用一種新的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換思路實現(xiàn)繪制銀河背景的功能(圖2)。具體實現(xiàn)方法如下:

(1)按順序取繪圖區(qū)域中的一點，將其坐標(biāo)通過多次坐標(biāo)變換到銀道坐標(biāo)；

(2)找出該銀道坐標(biāo)點落在銀河射電背景數(shù)據(jù)列表中的大致位置；

(3)計算該點與鄰近數(shù)據(jù)點的距離，將距離最近的數(shù)據(jù)點的值賦給該繪圖點；

(4)循環(huán)直至繪圖區(qū)域所有點均獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)值。

這一改進的坐標(biāo)變換思路只需對可視天區(qū)的半個天球上的輻射進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和繪圖，而不需要處理整個天球的信息，節(jié)約了大概一半的計算量。最后把繪圖區(qū)域中每個像素點的輻射值調(diào)用cpgimag()語句直接繪制出來。使用cpgimag()時，要求用戶提供一個數(shù)組對繪圖數(shù)據(jù)點的坐標(biāo)進行最終定位及轉(zhuǎn)換。提供給cpgimag()函數(shù)的數(shù)據(jù)是用地平坐標(biāo)表示的，而地平坐標(biāo)與顯示屏幕的坐標(biāo)之間是一個簡單的線性關(guān)系。通過簡單設(shè)定函數(shù)所需的數(shù)組，就可以實現(xiàn)從地平坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

圖2 繪制銀河射電背景改進流程Fig.2 The modified flowchart of drawing the Galactic radio background in the visualization software

完成背景繪制后再標(biāo)注地平坐標(biāo)的坐標(biāo)軸、坐標(biāo)值、方位點等信息，然后在界面邊上標(biāo)明觀測臺站名稱、經(jīng)緯度、當(dāng)前時間等信息，這樣射電天空背景的可視化就實現(xiàn)了。

根據(jù)用戶設(shè)定的觀測臺站和觀測波段，軟件可以自動讀取計算機時間，讀取已有臺站數(shù)據(jù)文件中相應(yīng)臺站的地理坐標(biāo)，由此計算得到觀測地當(dāng)前的射電天空圖像。通過定期更新圖像，用戶可以對射電天空進行常態(tài)監(jiān)測。為節(jié)省計算機中央處理器的計算量，常態(tài)顯示時使用sleep()功能每5 s更新一次圖像。實時顯示銀河彌漫的射電輻射背景是本軟件最基本的一個功能。

2.4 選擇不同觀測臺站

考慮到不同觀測臺站地理位置不同，應(yīng)該允許用戶設(shè)置觀測臺站位置。已經(jīng)收集了多個臺站的地理位置可供用戶直接選擇。如果所需天文臺站位置不在列表里面，用戶可以根據(jù)需要加入自己的地理位置。軟件會自動讀取該地理位置，顯示當(dāng)?shù)氐纳潆娞炜铡?/p>

2.5 展示不同波段射電天空

因為不同天文臺能觀測的波段不同，或者觀測者需要在不同波段觀測，軟件可以將不同波段的射電背景輻射的巡天數(shù)據(jù)用于天空背景顯示。在運行軟件時，用戶可選擇使用任意一個波段，軟件會自動選擇頻率最接近的射電天空背景數(shù)據(jù)。為了適應(yīng)用戶的需求，軟件也允許用戶自行加載新的背景數(shù)據(jù)。

2.6 顯示待觀測的多種射電源

不同的科學(xué)觀測目標(biāo)不盡相同，軟件可以選擇加載校準(zhǔn)源[6]、脈沖星等射電源數(shù)據(jù)[7]，顯示其位置和名稱等必要信息。只要射電源表符合簡單的格式要求，包含射電源名稱、赤經(jīng)赤緯、觀測波段及相應(yīng)波段的流量值，軟件就能讀取其中必要的信息，在實時顯示的天空上做標(biāo)記。不同源表的射電源可用不同的標(biāo)志和顏色進行標(biāo)記。一個源表在可見天區(qū)中少于等于20個射電源目標(biāo)時，軟件會在界面上標(biāo)注射電源的名稱。

2.7 查詢?nèi)我鈺r刻射電天空

用戶在制定觀測計劃時，往往需要知道在未來某一時刻射電源的位置，所以軟件提供了相應(yīng)的查詢功能?？紤]用戶的實際需要，軟件可顯示任意日期任意時刻的射電天空和射電源位置。如果用戶不輸入時間，軟件會默認(rèn)使用當(dāng)前時間。

2.8 顯示望遠鏡指向

軟件從望遠鏡控制計算機獲得望遠鏡指向信息，并在圖中用相應(yīng)的標(biāo)記表示，有利于觀測人員及時規(guī)劃和調(diào)整觀測進程。當(dāng)沒有連接望遠鏡控制計算機的時候，軟件讀取數(shù)據(jù)文件中的默認(rèn)指向值進行標(biāo)記。

3 軟件安裝、運行及效果

軟件從方便用戶安裝、使用的角度出發(fā)，開發(fā)成可在任意目錄下安裝的形式。用戶只需在所要安裝的位置解壓下載軟件包，然后運行其中的安裝程序即可完成安裝工作。安裝完軟件之后，用戶只要對環(huán)境變量文件進行相應(yīng)的設(shè)置，就可以在任意路徑下運行軟件。

3.1 信息配置

軟件要求用戶在當(dāng)前目錄中提供名為“radiosky.input”的配置文件，文件內(nèi)容包括觀測臺站、觀測頻率、射電校準(zhǔn)源表和觀測目標(biāo)源表等最基本信息，如圖3。其中，觀測臺站名稱為必要信息，用戶可以從databases子目錄下的臺站列表文件observatory.info中選取。用戶也可以對臺站列表文件的臺站數(shù)據(jù)進行補充，添加新的觀測臺站及地理位置。對于觀測頻率，軟件會根據(jù)用戶填寫的頻率調(diào)取頻率最為相近的銀河射電背景數(shù)據(jù)做界面背景顯示。若用戶不指定觀測頻率，軟件默認(rèn)使用頻率為408 MHz的射電銀河背景。用戶還可選擇性地顯示射電校準(zhǔn)源和觀測目標(biāo)源的文件，也可以用＃號將文件注釋掉。

3.2 運行及效果

用戶編輯完radiosky.input文件，并根據(jù)自身需要在運行目錄下編輯相應(yīng)射電源表后，在終端輸入命令就能正常運行射電天空及觀測源可視化軟件。

圖4顯示軟件運行的效果。界面的4個角落位置也顯示了一些必要的信息。左上角是觀測臺站名稱及其地理經(jīng)緯度；右上角從上到下分別是北京時間、世界時和本地恒星時；左下角顯示的是所用背景數(shù)據(jù)的名稱和圖中顯示的射電源表；右下角則標(biāo)明了望遠鏡指向及其地平坐標(biāo)。

為了便于觀測者估計目標(biāo)在天空運行的軌跡以及至天體西落的剩余時間，在顯示圖上還顯示了時角坐標(biāo)系框架。

4 結(jié)論與展望

從國內(nèi)射電天文發(fā)展的需求，開發(fā)射電天空與觀測源可視化軟件，概述了軟件的相關(guān)功能實現(xiàn)，展示了軟件的運行結(jié)果。軟件以簡潔、直觀的界面準(zhǔn)確地向用戶傳遞必要的信息，具有良好的移植性和可擴展性。用戶可以根據(jù)自己的需要對觀測臺站、觀測波段的天空背景、射電源等信息進行更新。

軟件的源代碼將使用GNU GPLv3許可證在http://zmtt.bao.ac.cn/radiosky/網(wǎng)頁開源發(fā)布，用戶可以在該網(wǎng)頁下載最新版本軟件。

[1] Pearson T J.PGPLOT graphics subroutine library[EB/OL].California Institute of Technology，2002[2013-08-27].http://www.astro.caltech.edu/～tjp/pgplot/.

[2] SkyView Virtual Observatory[DB/OL].http://skyview.gsfc.nasa.gov/.

[3] Haslam C G T，Salter C J，Stoffel H，et al.A 408 MHz all-sky continuum survey.II-The atlas of contour maps[J].Astronomy and Astrophysics Supplement Series，1982，47:1，2，4－51，53－142.

[4] Komatsu E，Smith K M，Dunkley J，et al.Seven-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)Observations:Cosmological Interpretation[J].The Astrophysical Journal Supplement Series，2011，192(2):18－65.

[5] Ade P A R，Aghanim N，Armitage-Caplan C，et al.Planck 2013 results.I.Overview of products and scientific results[J/OL].arXiv:1303.5062.

[6] Wilson T L，Rohlfs K，Hüttemeister S.Tool of Radio Astronomy[M].Fifth Edition.Berlin Heidelberg:Springer-Verlag，2009:485.

[7] Manchester R N，Hobbs G B，Teoh A，et al.The Australia Telescope National Facility pulsar catalogue[J].The Astronomical Journal，2005，129(4):1993－2006.

A Visualization Software for the Radio Sky and Radio-Source Distribution

Yu Yezhao1，2，Han Jinlin1
(1.National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100012，China，Email:yzyu＠nao.cas.cn；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Directions of radio sources and the Galactic radio background map need to be known before or during practical radio-astronomy observing runs.We have developed a simple visualization software to display the radio sky and the distribution of radio sources.The visualization software，which should be helpful to observers，is developed using the C language and the PGPLOT subroutine library for graphic utilities.It can be run under a Linux environment.This software can be used to display the radio sky at any user-set time；particularly，it can display the real-time radio sky.It allows users to add or remove observational sites，to select desired data of the Galactic radio background，and to modify object entries in radio-source lists for display.This software has rather good expandability.The software together with its source codes will be made freely available to all astronomical institutes and amateur astronomers in China.

Radio astronomy；Visualization software；PGPLOT；Free software

TP311.5

A

1672－7673(2014)03－0305－06

2013－11－20；

2013－12－11

喻業(yè)釗，男，碩士.研究方向:天文技術(shù)與方法.Email:yzyu＠nao.cas.cn