光變曲線自動(dòng)抽取程序

鄭 捷，江林巧

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，北京 100101；2. 樂山師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院，四川 樂山 614000)

隨著天文觀測技術(shù)的發(fā)展，時(shí)域天文觀測研究已經(jīng)成為天體物理學(xué)重要的前沿領(lǐng)域，即通過多波段、時(shí)域監(jiān)測來研究宇宙中各類天體的特征和變化，尋找和探索各類新天體、新現(xiàn)象。在時(shí)域天文觀測的各類目標(biāo)中，變星是其中一類重要的觀測目標(biāo)，變星種類繁多[1]，觀測研究歷史悠久，對(duì)天文學(xué)的發(fā)展有著強(qiáng)大的推動(dòng)作用。

興隆觀測站隸屬于中國科學(xué)院國家天文臺(tái)和中國科學(xué)院光學(xué)天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，是亞洲規(guī)模最大的光學(xué)天文觀測基地。興隆觀測站擁有中小口徑光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡十余臺(tái)，比如85 cm望遠(yuǎn)鏡、80 cm望遠(yuǎn)鏡、60 cm望遠(yuǎn)鏡等等。這些望遠(yuǎn)鏡每年面向全球天文工作者開放申請(qǐng)，承擔(dān)了大量變星的觀測研究工作[2]。

在對(duì)變星的測光觀測研究中，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行測光處理，獲取多波段、高精度的變星光變曲線是一項(xiàng)基礎(chǔ)且重要的工作。多年來，天文學(xué)家開發(fā)了相應(yīng)的測光數(shù)據(jù)處理軟件包，比如雖然已經(jīng)停止維護(hù)但仍然廣泛使用的IRAF[3]軟件中自帶各種非常成熟的測光軟件包。傳統(tǒng)的測光數(shù)據(jù)處理方式需要手動(dòng)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步操作，數(shù)據(jù)處理效率低。近年來雖然各類光變曲線處理程序不斷涌現(xiàn)[4-6]，自動(dòng)化程度、易用性等比以前有較大幅度提高，但由于不同的望遠(yuǎn)鏡對(duì)觀測數(shù)據(jù)文件的命名以及頭文件中各類關(guān)鍵詞信息等都未統(tǒng)一，導(dǎo)致很多光變曲線處理程序的通用性欠佳，即程序只適用于某一特定望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，當(dāng)應(yīng)用于其他望遠(yuǎn)鏡時(shí)，程序常常需要手動(dòng)更改參數(shù)方可繼續(xù)運(yùn)行，甚至無法運(yùn)行。興隆觀測站作為亞洲最大的光學(xué)天文觀測基地，多臺(tái)米級(jí)口徑望遠(yuǎn)鏡每天都在進(jìn)行大量變星測光觀測，但至今沒有完全針對(duì)興隆站米級(jí)口徑望遠(yuǎn)鏡的測光數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理軟件。

鑒于此，本文針對(duì)興隆米級(jí)口徑望遠(yuǎn)鏡研發(fā)了一套光變曲線自動(dòng)抽取程序，只要提供原始觀測數(shù)據(jù)的保存目錄，程序即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類型識(shí)別、數(shù)據(jù)預(yù)處理、測光、圖像對(duì)齊、參考星選取、較差定標(biāo)等步驟，并自動(dòng)進(jìn)行光變曲線繪制。該程序命名為Quick Light-Curve Pipeline，簡稱QLCP。該程序已經(jīng)發(fā)布在國內(nèi)代碼托管平臺(tái) “碼云(Gitee)”。通過運(yùn)行程序，觀測者可以在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測光觀測的同時(shí)，快速對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行測光處理，獲得目標(biāo)的光變曲線，以便能夠準(zhǔn)確合理地制定下一步的觀測計(jì)劃，具有一定的科研輔助價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

1 程序整體框架

1.1 支撐軟件和環(huán)境

QLCP程序采用Python3語言編寫，在找源和測光部分調(diào)用文[7]開發(fā)的天文軟件Source-Extractor(以下簡稱SEx)完成。此外，程序需要Python天文軟件包astropy[8]和pystronomy，以及Python通用軟件包numpy, scipy, matplotlib, os, sys和re等的支持。由于SEx僅在Linux或macOS操作系統(tǒng)上工作，程序也受同樣限制。

1.2 程序結(jié)構(gòu)和總體流程

程序總體結(jié)構(gòu)如圖1，分為單圖像處理和多圖像處理兩部分。單圖像處理又分為文件類型識(shí)別和列表生成、本底合并、平場合并、圖像改正、找源和測光5個(gè)模塊。多圖像處理分為圖像對(duì)齊匹配、參考星選擇、較差定標(biāo)、光變曲線繪制4個(gè)模塊。此外，程序還包括1個(gè)統(tǒng)一調(diào)用模塊和若干支撐模塊。各功能模塊之間主要通過輸入、輸出文件進(jìn)行耦合?？紤]到不同科研課題對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求不同，程序的每個(gè)模塊均可以使用自定義模塊替代。

1.3 優(yōu) 勢

程序具備以下優(yōu)勢：

圖1 程序模塊示意圖。(a)單圖像處理；(b)多圖像處理

(1)自動(dòng)識(shí)別文件。對(duì)興隆站望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)，程序只需要給定原始數(shù)據(jù)目錄，即可自動(dòng)識(shí)別圖像類型，分類進(jìn)行處理。對(duì)于興隆站之外的其他望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)，也只需要簡單配置。

(2)圖像自動(dòng)對(duì)齊。通過星像匹配算法，高效率、精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測圖像的對(duì)齊工作。

(3)自動(dòng)選擇參考星。如果用戶未指定參考星，程序能夠自動(dòng)從識(shí)別的源中選擇參考星，通常為圖像中信噪比較高且在觀測期間光度穩(wěn)定的源。

(4)使用方便。只需要指定原始數(shù)據(jù)保存路徑、處理結(jié)果保存路徑和目標(biāo)在圖像中的位置，程序即可自動(dòng)完成光變曲線抽取，也可以進(jìn)行自定義處理。

(5)模塊化與替代性好。程序各步驟之間通過輸出、輸入文件進(jìn)行耦合，任一模塊均可以通過自定義操作進(jìn)行替換，可以局部使用該程序。

(6)自定義性強(qiáng)。程序可以通過配置文件進(jìn)行參數(shù)自定義，無需修改源代碼或編譯即可使用自定義參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以根據(jù)不同的科研需求進(jìn)行調(diào)整，方便應(yīng)用于不同場合。

2 關(guān)鍵問題和解決方法

程序的處理步驟均參考常用的天文觀測數(shù)據(jù)處理方式[9]，并考慮程序適用的設(shè)備類型做針對(duì)性的設(shè)計(jì)。找源和測光部分調(diào)用SEx完成，其他部分均為自行編程實(shí)現(xiàn)。其中astropy, numpy和scipy等軟件包提供基礎(chǔ)功能支持，例如讀寫FITS(Flexible Image Transport System)文件、數(shù)組計(jì)算、統(tǒng)計(jì)等。以下對(duì)部分關(guān)鍵步驟加以說明。

2.1 文件識(shí)別

程序識(shí)別觀測數(shù)據(jù)的信息主要依據(jù)文件名提供的信息，例如觀測類型(本底、平場、科學(xué)目標(biāo))、觀測目標(biāo)、觀測波段和觀測序號(hào)等，并自動(dòng)生成文件列表，供后續(xù)使用。由于不同望遠(yuǎn)鏡文件名設(shè)置不同，因此，程序通過在配置文件中設(shè)置正則表達(dá)式進(jìn)行解析。默認(rèn)配置文件已經(jīng)針對(duì)興隆各望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行設(shè)置。

如果觀測數(shù)據(jù)文件名中未體現(xiàn)觀測信息的數(shù)據(jù)，可以通過人工生成文件列表的方式進(jìn)行處理。人工生成列表還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的篩選，剔除觀測錯(cuò)誤的圖像。

2.2 預(yù)處理

識(shí)別并生成文件列表后，程序進(jìn)行本底和平場合并，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正。本底和平場合并均采用中值，而平場在合并之前根據(jù)每一幅平場的中值進(jìn)行歸一化。數(shù)據(jù)在處理之后，會(huì)在指定的輸出目錄中分類保存。

由于在許多望遠(yuǎn)鏡探測器中并未包括過掃描或者預(yù)掃描區(qū)域，因此程序并未對(duì)此進(jìn)行處理。此外，目前大部分專業(yè)天文望遠(yuǎn)鏡使用CCD或者COMS作為探測器，并通過制冷裝置對(duì)探測器進(jìn)行降溫，暗流往往處于很低的水平，不需要特意加以改正，因此程序也未進(jìn)行暗流校正。最后，由于程序針對(duì)多幅測光圖像進(jìn)行處理，宇宙線、運(yùn)動(dòng)物體軌跡等干擾因素帶來的假源在多幅圖像識(shí)別中會(huì)自動(dòng)剔除，程序也未對(duì)此進(jìn)行改正。

在預(yù)處理時(shí)，程序會(huì)進(jìn)行FITS文件頭重建，根據(jù)目標(biāo)信息、觀測時(shí)間等，計(jì)算JD，HJD以及望遠(yuǎn)鏡觀測俯仰角、方位角、月相和月球距離等信息。

2.3 測 光

在圖像中找源和測光的工作，由程序調(diào)用成熟的測光軟件SEx完成，需要用戶自行安裝。SEx需要的配置文件，在程序中內(nèi)置了default.sex文件，可以滿足大部分情況的需要。如對(duì)找源、測光等步驟有特殊配置要求的，用戶可以自定義。

SEx輸出字段在程序內(nèi)置的default.param文件中指定，也可以自定義，但至少要求包括目標(biāo)的中心坐標(biāo)、儀器星等和誤差等信息，星像的半高全寬(FWHM)和伸長率(Elongation)等信息為可選輸出。儀器星等默認(rèn)選用MAG_AUTO字段，也可以自定義。

2.4 圖像對(duì)齊匹配

處理連續(xù)多幅測光圖像時(shí)，程序先自動(dòng)實(shí)現(xiàn)圖像之間的匹配，從而獲取每顆星在不同圖像上的位置。程序在基準(zhǔn)圖和待匹配圖中分別選出最亮的若干顆星，計(jì)算兩者之間所有星對(duì)的x,y坐標(biāo)距離。由于星像是隨機(jī)分布的，坐標(biāo)距離的眾值必然是兩圖之間的實(shí)際位移。得到粗略的x,y位移量之后，以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步目標(biāo)匹配，得到更加精確的位移量。

基準(zhǔn)圖像默認(rèn)為文件列表的第1幅圖像，也可以指定列表中任意一幅，甚至可以指定非當(dāng)晚觀測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)。

2.5 自動(dòng)選擇參考星

對(duì)于大部分被觀測的變星，觀測者往往在其周圍指定若干顆參考星和檢驗(yàn)星。程序允許用戶手工指定參考星，但是作為一個(gè)自動(dòng)數(shù)據(jù)處理軟件，程序還可以自動(dòng)從連續(xù)觀測的多幅圖像中找到亮度穩(wěn)定的亮星作為參考星。具體做法是根據(jù)圖像匹配結(jié)果，計(jì)算每一幅圖像中儀器星等和基準(zhǔn)圖像的儀器星等的差值，選擇其中信噪比較高的星，并剔除異常點(diǎn)之后計(jì)算均值，作為該幅圖像和基準(zhǔn)圖像之間的零點(diǎn)差。隨后將圖像儀器星等改正到基準(zhǔn)圖像的同一水平。最后計(jì)算這些高信噪比星改正后星等在各圖之間的標(biāo)準(zhǔn)差，選擇標(biāo)準(zhǔn)差最小的星作為參考星。

自動(dòng)選擇參考星能夠大幅度提高數(shù)據(jù)處理效率，但是也存在缺陷。參考星的選擇只根據(jù)當(dāng)晚的觀測數(shù)據(jù)得出，有可能誤選長周期變星，但是這對(duì)于生成當(dāng)天的光變曲線沒有影響。

3 程序使用和性能

3.1 程序發(fā)布

程序已經(jīng)發(fā)布在國內(nèi)代碼托管平臺(tái) “碼云(Gitee)”上，地址為https://gitee.com/drjiezheng/qlcp/，其中包括程序代碼、使用說明等。

3.2 使用方式示例

程序下載后可以放在當(dāng)前目錄下使用。本文以興隆站60 cm望遠(yuǎn)鏡在2022年5月14日對(duì)食雙星UY UMa的V波段觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理為例，說明處理過程，原始數(shù)據(jù)保存于目錄/data/raw/20220514_60/，處理結(jié)果保存于/data/raw/20220514_60/目錄中，并且通過人工檢查第1幅圖像，確認(rèn)目標(biāo)星中心點(diǎn)大約在(995, 1 000)，當(dāng)晚對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行了8.2 h(0.342天)觀測，共獲得484幅V波段數(shù)據(jù)，此外還有10幅本底和5幅晨昏光平場。

在配置文件中，除數(shù)據(jù)處理選項(xiàng)外，程序?qū)τ^測臺(tái)站和觀測設(shè)備也進(jìn)行了定義。根據(jù)興隆站60 cm望遠(yuǎn)鏡的文件命名規(guī)則，觀測文件命名方式為UYUMa_V_001.fit，用下劃線分割目標(biāo)名稱、波段、觀測序號(hào)等信息，因此相應(yīng)的配置文件包括：

site_lon=117.57722 # 117.34.38 #觀測站的經(jīng)度

site_lat=40.395833 # +40.23.45 #觀測站的緯度

site_ele=960 #觀測站的高度

filename_temp="(?P[^-_]*)_(?P[a-zA-Z]{0,1})_{0,1}(?P[0-9]{3}).fit"。

如果將程序應(yīng)用于其他臺(tái)站，只需要修改相應(yīng)臺(tái)站信息即可。根據(jù)數(shù)據(jù)文件名命名規(guī)則修改filename_temp關(guān)鍵字指定的正則表達(dá)式，例如對(duì)于興隆站85 cm望遠(yuǎn)鏡，文件名命名方式為20220514UYUMa-0001V.fit，對(duì)應(yīng)正則表達(dá)式為"(?P[0-9]{8})(?P[^-_]*)-(?P[0-9]{4})(?P[a-zA-Z]{0,1}).fit"。

以上述60 cm望遠(yuǎn)鏡觀測數(shù)據(jù)為例，最簡單的調(diào)用方式如下：

import qlcp22# 引入程序包qlcp22.do_all(# 該程序的統(tǒng)一調(diào)用入口 ini_file="xl60cm.ini", # 指定目標(biāo)望遠(yuǎn)鏡配置文件 raw_dir="/data/raw/20220514_60/",# 指定原始數(shù)據(jù)目錄 red_dir="/data/red/20220514_60/",# 指定輸出文件目錄 starxy=[(995, 1000)],# 指定目標(biāo)星的位置)

先引入包，隨后調(diào)用do_all函數(shù)自動(dòng)完成全部步驟。函數(shù)參數(shù)最少為以上4個(gè)，分別是配置文件(ini_file)、原始數(shù)據(jù)文件路徑(raw_dir)、輸出結(jié)果路徑(red_dir)和目標(biāo)星位置(starxy)，其余參數(shù)采用默認(rèn)配置。 程序完成從識(shí)別文件到最終生成光變曲線的全過程。程序可選的參數(shù)還包括對(duì)處理步驟的選擇、參考星的指定等，以及對(duì)處理步驟的細(xì)節(jié)進(jìn)行限制的參數(shù)。整個(gè)處理過程約5 min，最終結(jié)果見下一節(jié)介紹。

3.3 輸出結(jié)果

程序各個(gè)模塊之間通過輸出文件和輸入文件進(jìn)行耦合，各模塊輸出文件主要是處理的中間結(jié)果。主要輸出文件見表1。

3.4 最終輸出數(shù)據(jù)

圖2和圖3是上述數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理的結(jié)果，其中圖2標(biāo)注了目標(biāo)星(T-0)和自動(dòng)選擇的參考星(T-1到T-5)，圖3為得到的目標(biāo)光變曲線，以及參考星的光變曲線。由于當(dāng)天觀測時(shí)氣象條件較差，因此得到的光變曲線信噪比不高。從圖中可見，當(dāng)天的參考星光變標(biāo)準(zhǔn)差在0.005到0.010星等之間。

表1 程序的輸出文件Table 1 Output files of this program

圖2 2022年5月14日利用興隆觀測站60 cm望遠(yuǎn)鏡觀測食雙星UY UMa的V波段圖像，圖中標(biāo)注的T-0為目標(biāo)星，T-1至T-5為自動(dòng)選擇的參考星

圖3 從2022年5月14日利用興隆觀測站60 cm望遠(yuǎn)鏡觀測食雙星UY UMa的V波段數(shù)據(jù)中抽取出的光變曲線，其中紅色方塊為目標(biāo)星光變曲線，星號(hào)為參考星光變曲線，編號(hào)順序與圖2中所示一致

3.5 存在的問題

程序只是后續(xù)綜合程序的基本雛形，針對(duì)興隆觀測站米級(jí)望遠(yuǎn)鏡的變星觀測數(shù)據(jù)處理進(jìn)行編制，通過簡單配置也可以適用于其他望遠(yuǎn)鏡的變星觀測數(shù)據(jù)處理。在考慮特定使用場景的情況下，程序的功能有一定的局限性，將在未來版本中加以改進(jìn)。

首先，程序只考慮各幅觀測圖像之間的平移而不考慮視場旋轉(zhuǎn)，因此該程序不適用于發(fā)生場旋的觀測。此外，程序并未進(jìn)行天測定標(biāo)，因?yàn)閷?duì)于目標(biāo)明確的變星觀測，對(duì)星圖中目標(biāo)的具體赤經(jīng)和赤緯并沒有特定的要求，天測等問題將另行解決。由于變星研究通常對(duì)目標(biāo)的視星等沒有特別要求，因此該程序也未進(jìn)行流量定標(biāo)。實(shí)踐中較差定標(biāo)精度實(shí)際上往往高于絕對(duì)流量定標(biāo)。最后，由于程序使用了廣泛應(yīng)用的測光軟件SEx進(jìn)行找源和測光，能力和精度受SEx的限制。

4 總 結(jié)

本文介紹了從變星連續(xù)測光觀測數(shù)據(jù)中抽取光變曲線的程序QLCP，主要包括程序的結(jié)構(gòu)、簡單使用方法和處理結(jié)果等。該程序可以大幅度簡化實(shí)測數(shù)據(jù)的處理，并且具備模塊化、可定制等特點(diǎn)。但是該程序作為一個(gè)針對(duì)特定使用場景程序，有一定的局限性和不足，將在后續(xù)的研發(fā)中繼續(xù)改善。

致謝：感謝興隆觀測站工作人員的支持。感謝國家天文臺(tái)王匯娟、王佳琪、羅常青，云南天文臺(tái)戴智斌等人在試用該程序時(shí)提出的意見和建議。