高寶全 平一鼎 張晨

(1 中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái) 南京 210023)

(2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院 合肥 230026)

(3 中國(guó)科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210023)

1 引言

CHES (Charging Events Survey)[1]是一個(gè)超大視場(chǎng)光學(xué)巡天項(xiàng)目， 由12臺(tái)口徑為280 mm的折射式望遠(yuǎn)鏡和2臺(tái)口徑為800 mm的反射式望遠(yuǎn)鏡組成. 其中單個(gè)280 mm望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)為7°×7°， 總天區(qū)覆蓋面積可達(dá)600 deg2. 該項(xiàng)目科學(xué)應(yīng)用廣泛，包括熱木星和超新星搜索、引力波事件后隨觀測(cè)、高軌道空間碎片巡天等.

類似的很多巡天項(xiàng)目[2-3]共同面臨的問(wèn)題是整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度， 即如何讓多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡協(xié)同工作，高效地完成巡天計(jì)劃. 其中， 如何有效利用天氣， 是提高巡天效率的關(guān)鍵問(wèn)題. 在觀測(cè)條件優(yōu)良的夜晚， 巡天計(jì)劃的規(guī)劃和執(zhí)行相對(duì)簡(jiǎn)單， 只需要按既定的策略順序執(zhí)行即可， 而在陰雨天， 設(shè)備必然關(guān)停. 需要重點(diǎn)關(guān)注的是部分有云的天氣， 此時(shí)部分天區(qū)被云覆蓋， 而部分天區(qū)則相當(dāng)干凈， 完全滿足觀測(cè)的要求. 利用好這些干凈的天區(qū)， 提高設(shè)備效率和利用率， 可有效提高系統(tǒng)整體觀測(cè)效率.

目前較為普遍的設(shè)備紅外云量檢測(cè)儀[4-5]與可見(jiàn)光云量檢測(cè)儀[6-7]都是通過(guò)云量粗略判斷天氣情況， 對(duì)局部區(qū)域天區(qū)的準(zhǔn)確情況缺少判斷， 因此也就無(wú)法指導(dǎo)觀測(cè)天區(qū)的選擇. 通過(guò)全天相機(jī)的圖像， 則可以判斷不同天區(qū)位置的云量情況來(lái)指導(dǎo)觀測(cè). 這樣的做法以往已有一些工作[8-10]進(jìn)行了研究， 這些工作都是通過(guò)基本云量情況判斷天區(qū)天氣情況， 進(jìn)而評(píng)估對(duì)應(yīng)天區(qū)是否可以進(jìn)行觀測(cè)， 對(duì)于多設(shè)備同時(shí)調(diào)度巡天情況， 缺乏更細(xì)致信息， 比如更小區(qū)域的可探測(cè)極限星等情況. 為克服這些局限， 我們采用一臺(tái)全天相機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)本地天區(qū)， 對(duì)全天相機(jī)觀測(cè)圖像進(jìn)行圖像的天文定位和測(cè)光處理方法研究， 獲取當(dāng)前時(shí)刻本地天區(qū)可觀測(cè)源的天球坐標(biāo)和星等值， 利用這些信息指導(dǎo)多設(shè)備的巡天，而不再是簡(jiǎn)單地通過(guò)云量信息去指導(dǎo)觀測(cè).

此外， 全天相機(jī)的觀測(cè)圖像， 也可以用于更廣泛的科學(xué)目標(biāo)， 尤其是高亮度目標(biāo). 如對(duì)全天相機(jī)觀測(cè)到的圖像星像進(jìn)行測(cè)光， 可通過(guò)光變曲線法尋找亮于10星等的掩星， 憑借超大視場(chǎng)覆蓋優(yōu)勢(shì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超新星爆發(fā)、流星與過(guò)境目標(biāo)， 探測(cè)時(shí)域天文熱門事件. 有很多項(xiàng)目正在開(kāi)展類似的工作， 比如早期的SuperWASP (Super Wide Angle Search for Plants)與HATNet(Hungarian-made Automated Telescope Network)[11]巡天項(xiàng)目， 二者均使用多個(gè)設(shè)備掃描整個(gè)天區(qū)， 對(duì)觀測(cè)圖像進(jìn)行測(cè)光處理， 通過(guò)掩星測(cè)光的方法尋找恒星周圍測(cè)光星等值在10-13范圍內(nèi)的掩星. 而MASCARA (The Multi-site All-Sky CAmeRA)光學(xué)巡天項(xiàng)目， 由5個(gè)固定指向的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡組成一個(gè)覆蓋全天的光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)， 對(duì)亮星目標(biāo)進(jìn)行測(cè)光處理， 建立光變曲線庫(kù)， 致力于尋找測(cè)光星等小于8的掩星[12]. 美國(guó)航天局(NASA)在全球放置多個(gè)全天相機(jī)， 通過(guò)對(duì)獲取到的圖像和視頻的一系列處理， 實(shí)現(xiàn)流星監(jiān)測(cè)和流星軌道提取.

為實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用和科學(xué)目標(biāo)， 首先要實(shí)現(xiàn)圖像處理、天文定位和光度測(cè)量等一系列的工作. 由于全天相機(jī)的光學(xué)視場(chǎng)超過(guò)100°， 其圖像與一般的光學(xué)天文圖像， 尤其是在投影關(guān)系方面差別很大， 因此需要一些特殊的處理. 本文便是闡述了我們?cè)谔幚磉@些問(wèn)題時(shí)所采用的方法， 在第2節(jié)中介紹了全天監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所用的觀測(cè)設(shè)備; 第3節(jié)闡述了我們對(duì)全天相機(jī)觀測(cè)圖像進(jìn)行天體測(cè)量求解的方法并分析了精度; 第4節(jié)闡述了我們采用的測(cè)光、天區(qū)劃分和可觀測(cè)性評(píng)估方法; 第5節(jié)對(duì)本文工作進(jìn)行了總結(jié)并展望了下一步工作.

2 設(shè)備和性能

為實(shí)現(xiàn)較高的性能， 我們定制了CHES項(xiàng)目的全天相機(jī)， 主要由相機(jī)和鏡頭兩個(gè)部分組成. 其中， 相機(jī)為Finger Lake Instruments的ML50100 CCD (Charge-Coupled Device)相機(jī). 該相機(jī)可以冷卻至低于環(huán)境溫度45°， 相機(jī)以16 MHz的速度快速讀取16-bit分辨率圖像. 為了應(yīng)對(duì)月夜觀測(cè)， 對(duì)阱深為40300電子的CCD設(shè)置了800倍的防暈染保護(hù)， 從而有效防止月球曝光溢出， 影響圖像質(zhì)量. 該相機(jī)的主要性能參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 CCD傳感器基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of CCD sensor

光學(xué)鏡頭采用了定制超大視場(chǎng)鏡頭， 光學(xué)視場(chǎng)135°， 基本覆蓋CHES巡天時(shí)會(huì)達(dá)到的天區(qū)范圍.該鏡頭口徑7.8 mm (F/2)， F為光圈值， 焦距為15.5 mm， 在采用ML 50100相機(jī)后， 可實(shí)現(xiàn)圖像視場(chǎng)135°× 122°， 比例尺1.2′/像素.

為了驗(yàn)證全天圖像觀測(cè)系統(tǒng)的性能與探測(cè)能力， 我們?cè)跍y(cè)光夜采集了一系列本底圖像、暗流圖像與觀測(cè)圖像， 經(jīng)處理得到不同曝光時(shí)間下的可探測(cè)極限星等， 結(jié)果如圖1. 可以看到曝光時(shí)間為10 s時(shí)極限星等可達(dá)到10.4星等， 因此我們?cè)趯?shí)際運(yùn)行時(shí)， 均采用10 s的曝光時(shí)間.

圖1 全天相機(jī)的可探測(cè)極限星等隨曝光時(shí)間的變換關(guān)系Fig.1 The variation of limit magnitude of all-sky camera with exposure time

3 全天圖像天體測(cè)量

全天圖像的天體測(cè)量是所有工作的基礎(chǔ)， 圖像具有視場(chǎng)大、高度非線性成像特征， 因此傳統(tǒng)的天文測(cè)量方法不再適用.

3.1 圖像預(yù)處理與天體測(cè)量

首先對(duì)觀測(cè)初始時(shí)采集的本底、暗流圖像進(jìn)行預(yù)處理， 獲取最佳的本底圖像與暗流圖像用于校準(zhǔn)處理. 對(duì)每一幅本底圖像進(jìn)行掃描處理， 計(jì)算每個(gè)像元多次觀測(cè)值的平均值， 得到最佳的本底圖像， 并計(jì)算最佳本底圖像的平均值μ與標(biāo)準(zhǔn)差σ， 用于評(píng)估暗流的質(zhì)量. 對(duì)于任意的一張暗流圖像均值μ′， 如果滿足如下表達(dá)式:

則保留該暗流圖像， 用于計(jì)算最佳暗流圖像， 否則舍棄. 對(duì)所有符合上述條件的暗流圖像， 計(jì)算每個(gè)像元的多次觀測(cè)平均值， 得到最佳暗流圖像. 由于全天相機(jī)圖像的大尺度光照不均勻， 導(dǎo)致了平場(chǎng)圖像的穩(wěn)定性不足， 會(huì)降低光度測(cè)量的質(zhì)量， 因此在圖像分析過(guò)程中并沒(méi)有采用最佳平場(chǎng)圖像.

全天相機(jī)圖像視場(chǎng)135°× 122°， 存在高度非線性徑向扭曲， 傳統(tǒng)的心射正切(Gnomonic， TAN)[13]投影在圖像視場(chǎng)接近90°時(shí)已經(jīng)發(fā)散， 因此本文選擇了天頂?shù)染?Zenithal equidistant， ARC)[14]投影.該投影方式以天球上一個(gè)點(diǎn)為中心， 將天球映射到平面上， 其特點(diǎn)是經(jīng)線將投影為源自中心的直線， 緯線將顯示為等間距同心圓弧， 且不受視場(chǎng)大小的影響. 為了便于對(duì)比理解， 以天頂為中心， 標(biāo)記為90°， 繪制心射正切投影和天頂?shù)染嗤队埃?如圖2所示， 圖中數(shù)字的單位是度. 由圖可知在視場(chǎng)超過(guò)90°以后， 傳統(tǒng)的心射正切投影不再適用.

圖2 (a) TAN投影在地平線時(shí)已經(jīng)發(fā)散， (b) ARC投影沒(méi)有限制.Fig.2 (a) TAN projection diverges at horizon， (b) there is no limit in ARC projection.

將天球以ARC投影方式投影到以圖像中心為切點(diǎn)的切平面中， 建立一個(gè)中間坐標(biāo)， 并求解該坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 即底片常數(shù)， 便完成了圖像的天體測(cè)量. 其具體的步驟如下:

(1)在實(shí)際工作階段， 全天相機(jī)的觀測(cè)指向是已知的. 在試驗(yàn)和方法驗(yàn)證階段， 則無(wú)法知道準(zhǔn)確的指向. 我們將圖像以底片中心點(diǎn)附近截取了大小為400× 400的子圖像， 由于該范圍的張角大致為10°且取自光學(xué)視場(chǎng)的中心部分， 與一般的天文圖像相比投影關(guān)系差別不大， 因此可使用天體測(cè)量計(jì)算軟件astrometry.net[15]求解該子圖像初始WCS(FITS World Coordinate System)信息， 計(jì)算圖像中心像素坐標(biāo)(x0，y0)對(duì)應(yīng)的赤道坐標(biāo)(α0，δ0);

(2)我們采用了包含250萬(wàn)以上恒星的星表Tycho-2作為天體測(cè)量參考星表. 根據(jù)上一步得到的相機(jī)指向信息， 結(jié)合相機(jī)視場(chǎng)參數(shù)， 從Tycho-2星表中檢索望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)內(nèi)亮于8星等的參考星. 將天球以ARC投影到以圖像像素中心(x0，y0)對(duì)應(yīng)的(α0，δ0)為切點(diǎn)的切平面上， 對(duì)應(yīng)的切平面中間坐標(biāo)系的映射坐標(biāo)(ξ，η)可計(jì)算如下:

上式中，c表示參考星在天球中距離投影中心的角距離， (α，δ)指參考星的赤道坐標(biāo). 然后使用Sextractor[16]軟件掃描全天圖像獲取圖像星像量度坐標(biāo)(x，y)， 用于后續(xù)匹配使用與底片常數(shù)求解;

(3)通過(guò)步驟(2)可以得到所有參考星赤道坐標(biāo)(α，δ)對(duì)應(yīng)的中間坐標(biāo)系映射坐標(biāo)(ξ，η)， 實(shí)現(xiàn)參考星到中間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化. 為了進(jìn)一步得到參考星在圖像中的像素坐標(biāo)(X′，Y′)， 利用fitsh[17]軟件包中的grmath命令匹配映射坐標(biāo)(ξ，η)和星像量度坐標(biāo)(x，y)， 對(duì)匹配成功的星像對(duì)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合， 建立參考星映射坐標(biāo)(ξ，η)到圖像像素坐標(biāo)(X′，Y′)的映射關(guān)系. 這一步得到的參考星在天文圖像中的像素坐標(biāo)(X′，Y′)與實(shí)際的量度坐標(biāo)(x，y)存在差異， 因此我們?cè)趨⒖夹窍袼刈鴺?biāo)(X′，Y′)半徑為r像素的圓區(qū)域內(nèi)搜索， 如果存在唯一的圖像源， 則記為匹配成功;

(4)考慮到望遠(yuǎn)鏡鏡片的徑向扭曲， 隨著參考星位于圖像中的理想位置從視場(chǎng)中心到邊緣的移動(dòng)， 對(duì)應(yīng)的搜索半徑r也應(yīng)當(dāng)隨之增加. 可將初始搜索半徑r設(shè)為5像素， 參考星在圖像中的位置與圖像中心距離R每增加20°，搜索半徑r增加5像素，圖3為一幀觀測(cè)圖像的匹配結(jié)果， 其中用黑色標(biāo)出了成功匹配的7988個(gè)星像對(duì);

圖3 圖像中星表星的分布Fig.3 The distribution of catalog stars in image

(5)對(duì)步驟(4)中匹配成功的所有星像對(duì)， 建立映射坐標(biāo)(ξ，η)與量度坐標(biāo)(x，y)之間的擬合關(guān)系，求解底片常數(shù). 由于全天圖像存在高階徑向扭曲，在擬合中加入高階多項(xiàng)式， 擬合模型如下:

上述擬合系數(shù)(a00，a10，a01，b00，b10，b01)用于消除零點(diǎn)差、比例尺、旋轉(zhuǎn)等各種誤差， 其余多項(xiàng)式參數(shù)apq和bpq即為扭曲模型參數(shù)，p和q分別為x和y的階數(shù)，N則為多項(xiàng)式階數(shù).

3.2 結(jié)果與分析

通過(guò)第3.1節(jié)得到的全天圖像底片常數(shù)， 可以得到圖像中任意源對(duì)應(yīng)的天球坐標(biāo). 在進(jìn)行多項(xiàng)式底片常數(shù)擬合時(shí)需要注意多項(xiàng)式階數(shù)N的選擇， 一般N越大擬合效果越好， 但是過(guò)高的擬合階數(shù)也會(huì)導(dǎo)致額外的模型誤差. 本文通過(guò)對(duì)不同大小N進(jìn)行多項(xiàng)式擬合測(cè)試， 在N=5階時(shí)效果最佳.

使用最終的底片常數(shù)計(jì)算恒星的實(shí)測(cè)赤道坐標(biāo)(α′，δ′)， 與星表中對(duì)應(yīng)的赤道坐標(biāo)(α，δ)進(jìn)行比對(duì)， 并計(jì)算所有亮于8等星的恒星赤經(jīng)和赤緯方向誤差的均方根RMS (Root Mean Square)， 用于評(píng)估天體測(cè)量的計(jì)算精度. 通過(guò)計(jì)算可得， 在赤經(jīng)和赤緯方向的測(cè)量誤差RMS分別為12′′與11′′， 而設(shè)備像元分辨率為76′′， 整體的測(cè)量精度約為0.15像素.圖4展示了觀測(cè)圖像中探測(cè)到的源赤經(jīng)方向和赤緯方向天體測(cè)量誤差分布圖， 其中ΔRA和ΔDec分別表示赤經(jīng)方向和赤緯方向的誤差. 由圖可知， 在赤經(jīng)方向和赤緯方向測(cè)量誤差均小于1.2′， 即一個(gè)像素內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差約0.2′.

圖4 天體測(cè)量誤差分布Fig.4 The distribution of astrometric calibration in image

4 大氣消光與天區(qū)劃分

全天圖像中任意源可以通過(guò)第3節(jié)得到的天體測(cè)量解來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)的天球坐標(biāo)， 通過(guò)與星表對(duì)比，確定測(cè)光星等和星表星等間的星等差， 用于計(jì)算大氣消光系數(shù). 最后需要對(duì)全天圖像進(jìn)行天區(qū)劃分，研究不同天氣狀況下的天區(qū)可觀測(cè)信息.

4.1 測(cè)光與大氣消光

在10 s曝光時(shí)間下全天圖像星像理論星等可達(dá)10.4星等， 但由于全天相機(jī)設(shè)備的整體測(cè)光精度并不高， 因此我們對(duì)全天相機(jī)圖像的科學(xué)目標(biāo)研究主要集中在亮星目標(biāo). 采用廣泛應(yīng)用的測(cè)光處理軟件Sextractor， 對(duì)視場(chǎng)中理論星等大于8等的星像分別進(jìn)行孔徑測(cè)光與環(huán)形測(cè)光， 得到其流量信息，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的儀器星等， 其中孔徑半徑為5像素，環(huán)的內(nèi)、外半徑分別為10和15像素. 同時(shí)利用3σ中點(diǎn)裁剪方法估計(jì)的背景亮度值信息以及流量的泊松統(tǒng)計(jì)誤差計(jì)算每顆星的測(cè)光誤差， 測(cè)光誤差值用于下一步的大氣消光處理. 圖5為一張圖像中所有亮于8等的星的測(cè)光誤差分布圖， 從圖中可知， 在星等值小于5時(shí)， 其測(cè)光精度小于0.025 mag，隨著目標(biāo)星等值的逐漸增大， 測(cè)光誤差也逐漸增大， 當(dāng)測(cè)光目標(biāo)星等值為8時(shí)， 整體測(cè)量誤差小于0.2 mag.

圖5 測(cè)光誤差分布Fig.5 The distribution of photometric magnitude error

全天圖像視場(chǎng)很大， 圖像中星像越接近地平線， 大氣質(zhì)量帶來(lái)的消光對(duì)其影響越大， 因此有必要對(duì)圖像星像進(jìn)行大氣消光處理. 根據(jù)大氣消光理論可知m-m0=kM(z)， 通過(guò)擬合該公式求解布格消光系數(shù)， 改正圖像源由于大氣質(zhì)量引起的測(cè)光誤差， 其中m、m0分別表示圖像源測(cè)量星等與星表中理論星等，k為布格消光系數(shù)，M(z)為天頂距z對(duì)應(yīng)的大氣質(zhì)量， 具體表達(dá)式[18]如下:

在實(shí)際求解過(guò)程中， 為了避免低信噪比星像與星體顏色帶來(lái)的測(cè)光誤差影響， 篩選圖像中星等值小于8且其色指數(shù)在1.2-1.5范圍內(nèi)的星像， 計(jì)算該部分星像測(cè)光星等和參考星等之間的星等差Δm以及對(duì)應(yīng)的大氣質(zhì)量M(z)， 代入公式m-m0=kM(z)中求出消光系數(shù)k. 圖6為大氣消光值隨大氣質(zhì)量變化的擬合結(jié)果， 實(shí)線表示采用最小二乘法(Ordinary Least Squares， OLS)的擬合結(jié)果， 受限于全天相機(jī)設(shè)備較低的測(cè)光精度， 擬合效果并不是很好， 但可以有效抵消大氣質(zhì)量帶來(lái)的消光影響.

圖6 大氣消光擬合Fig.6 The fitting of atmospheric extinction

4.2 HEALPix天區(qū)劃分

我們采用HEALPix (Hierarchical Equal Area isoLatitude Pixelation)來(lái)進(jìn)行天區(qū)的劃分.HEALPix[18]是球體的等距等面積等緯度像素化的首字母縮寫， 顧名思義， 這種像素化可細(xì)分球形表面， 其中每個(gè)像素與每個(gè)其他像素覆蓋相同的表面積， 這些特點(diǎn)使其非常符合全天圖像進(jìn)行巡天指導(dǎo)觀測(cè)的需要. 使用HEALPix劃分全天圖像區(qū)域，可以根據(jù)巡天設(shè)備數(shù)量、單個(gè)望遠(yuǎn)鏡天區(qū)覆蓋面積與特定區(qū)域的巡天等變量因素， 實(shí)時(shí)將天區(qū)區(qū)域劃分不同分辨率的區(qū)域. 圖7為HEALPix劃分分辨率的基本原理圖， 用Npix表示HEALPix像素?cái)?shù)，Nside表示像素網(wǎng)格分辨率參數(shù)， 從左上角順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)， 像素網(wǎng)格分辨率參數(shù)Nside= 1、2、4、8， 對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)量Npix= 12、48、192、768， 黑色點(diǎn)表示每個(gè)像素區(qū)域的中心點(diǎn)， 由圖可知所有像素中心位于4×Nside-1個(gè)恒定緯度的圓環(huán)上.HEALPix的基準(zhǔn)分辨率由12個(gè)像素組成球面， 通過(guò)對(duì)現(xiàn)有分辨率的每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行4等分實(shí)現(xiàn)分辨率的提升， 則HEALPix像素分辨率的劃分表達(dá)式如下:

圖7 HEALPix球體分區(qū)的正視圖[19]Fig.7 Orthographic view of HEALPix partition of the sphere[19]

其中，n表示像素網(wǎng)格的劃分層數(shù).

CHES單個(gè)望遠(yuǎn)鏡天區(qū)覆蓋面積為49 deg2， 因此采用HEALPix劃分全天圖像區(qū)域時(shí)， 盡可能使劃分后的子天區(qū)覆蓋面積與CHES單個(gè)望遠(yuǎn)鏡覆蓋的天區(qū)面積相近或者成倍數(shù)關(guān)系， 基于(8)式，HEALPix將整個(gè)球面分割為3072個(gè)像素區(qū)域， 由于該全天相機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)站位于北半球， 因此我們將全天圖像劃分為Npix= 1536個(gè)像素區(qū)域， 即HEALPix半個(gè)球面區(qū)域.全天圖像星像坐標(biāo)用赤道坐標(biāo)或地平坐標(biāo)表示，而HEALPix圖像的像素坐標(biāo)采用球坐標(biāo)，因此需要建立全天圖像與HEALPix圖之間的映射關(guān)系從而實(shí)現(xiàn)全天圖像到HEALPix圖像的轉(zhuǎn)換， 其具體步驟如下:

(2)通過(guò)步驟(1)可以將全天圖像中的所有源映射到HEALPix像素區(qū)域， 根據(jù)圖像源位于HEALPix中的像素區(qū)域信息， 可以獲得每個(gè)像素區(qū)域可觀測(cè)源的數(shù)量和極限星等值.

在第3節(jié)與第4.1節(jié)中分別實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)校正與圖像的測(cè)光和消光處理， 將改正后的所有圖像星像按照上述步驟轉(zhuǎn)換為HEALPix圖表示.

全天相機(jī)在多設(shè)備巡天中的應(yīng)用主旨思想是根據(jù)某一塊天區(qū)在全天相機(jī)中的可探測(cè)星等， 來(lái)表征該天區(qū)的天氣情況， 用于指導(dǎo)觀測(cè). 如果天區(qū)某一個(gè)區(qū)域極限星等可達(dá)到全天相機(jī)的極限星等，表明該區(qū)域天氣晴朗， 可進(jìn)行觀測(cè); 而該區(qū)域的極限星等只有3等星甚至完全不可見(jiàn)時(shí)， 則說(shuō)明該區(qū)域無(wú)法進(jìn)行觀測(cè)， 同時(shí)可根據(jù)天區(qū)劃分區(qū)域內(nèi)的極限星等排序進(jìn)行觀測(cè)優(yōu)先級(jí)的規(guī)劃. 本文分別對(duì)3種不同天氣情況的全天圖像進(jìn)行了處理， 結(jié)果如圖8所示， 其中3幀圖像從左到右依次為晴夜(a)、局部多云(b)與厚云(c)天氣下觀測(cè)獲得. 由圖可知，在晴夜時(shí)， 天區(qū)每個(gè)區(qū)域均可觀測(cè); 在天區(qū)局部有云時(shí)， 只有部分區(qū)域是可觀測(cè)的， 這些可觀測(cè)區(qū)域的天區(qū)位置、極限星等是巡天觀測(cè)的重點(diǎn); 當(dāng)天區(qū)在厚云覆蓋時(shí)， 通過(guò)肉眼已經(jīng)很難判斷哪些區(qū)域可以觀測(cè)， 如果采用傳統(tǒng)的云量判斷法， 當(dāng)前天區(qū)無(wú)法進(jìn)行正常觀測(cè). 但通過(guò)對(duì)全天圖像進(jìn)行天文定位和測(cè)光處理， 可以精確得知圖像中星像對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)和星等， 即哪些區(qū)域可以進(jìn)行觀測(cè). 只需將巡天設(shè)備指向這些區(qū)域即可觀測(cè)， 避免了設(shè)備的無(wú)效觀測(cè)或者停止觀測(cè). 通過(guò)對(duì)這3幅圖像的對(duì)比， 驗(yàn)證了通過(guò)提取圖像源的位置和探測(cè)星等來(lái)表示天區(qū)的可觀測(cè)程度在指導(dǎo)巡天觀測(cè)中應(yīng)用是可行的.

圖8 3種不同天氣情況觀測(cè)圖像， 從左往右依次是晴夜圖、多云圖和厚云圖.Fig.8 Observation images of three different weather conditions， from left to right: clear sky， partly cloudy and overcast.

使用上述天體測(cè)量、測(cè)光與大氣消光、HEALPix天區(qū)劃分等步驟將這3幅觀測(cè)圖像轉(zhuǎn)換為用于指導(dǎo)觀測(cè)的HEALPix圖. 需要指出的一點(diǎn)是， 考慮到全天相機(jī)設(shè)備測(cè)光精度低， HEALPix圖像轉(zhuǎn)換中剔除了流量值低于2倍背景值的星像源，最終的結(jié)果如圖9所示. 圖中顏色表示可探測(cè)的極限星等大小， 天區(qū)可探測(cè)區(qū)域及最暗星等可由HEALPix圖像直觀得知. 由圖9可知， 在晴夜時(shí)， 所有的區(qū)域的極限星等均達(dá)到了9.8， 可觀測(cè)性很好.局部有云時(shí)， 部分天區(qū)由于云層覆蓋， 可探測(cè)的極限星等小于3， 因此無(wú)法觀測(cè)， 但仍有大部分區(qū)域的極限星等可達(dá)7， 即這些區(qū)域可進(jìn)行正常觀測(cè). 在云量很厚的情況下， 整個(gè)天區(qū)幾乎完全被云層覆蓋，零散的亮星可以通過(guò)肉眼捕獲， 而通過(guò)處理該天氣狀態(tài)下獲取的全天相機(jī)觀測(cè)圖像，可提取暗于6.8星等的探測(cè)源， 表明在該天氣狀況下， 雖然大部分區(qū)域由于云層而無(wú)法進(jìn)行觀測(cè)， 依舊有部分天區(qū)可進(jìn)行觀測(cè). 同時(shí)， 在自動(dòng)化觀測(cè)下， 可根據(jù)巡天設(shè)備指向的赤道坐標(biāo)計(jì)算其位于HEALPix中的索引區(qū)域，返回該區(qū)域可觀測(cè)星等， 避免了望遠(yuǎn)鏡設(shè)備的無(wú)效運(yùn)行.

圖9 3種不同天氣情況HEALPix圖像， 從左往右依次是晴夜圖、多云圖和厚云圖.Fig.9 HEALPix images of three different weather conditions， from left to right: clear sky， partly cloudy and overcast.

5 總結(jié)與展望

為提高多設(shè)備巡天觀測(cè)的效率， 提出了利用全天相機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的本地天區(qū)可觀測(cè)星像星等和位置信息指導(dǎo)多設(shè)備巡天的研究方案. 本文首先介紹了全天相機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所用的觀測(cè)設(shè)備， 并評(píng)估了設(shè)備的性能. 全天圖像具有視場(chǎng)大、高度非線性成像特征， 傳統(tǒng)的天文測(cè)量方法不再適用， 因此本文采用了一種天文等距投影與多項(xiàng)式函數(shù)結(jié)合的方法， 可實(shí)現(xiàn)全天圖像亞像素精度的天文定位. 為解決大氣質(zhì)量導(dǎo)致的圖像星像測(cè)光誤差， 通過(guò)對(duì)圖像中的亮星測(cè)光確定星等差值進(jìn)行大氣消光擬合，校準(zhǔn)星等值. HEALPix方法可根據(jù)巡天陣列單個(gè)望遠(yuǎn)鏡覆蓋的天區(qū)面積將全天圖像劃分為多個(gè)天區(qū)， 并建立全天圖像與HEALPix圖像之間的映射關(guān)系， 采用HEALPix圖像表示全天圖像. 最后采用3種不同天氣狀況下的觀測(cè)圖像對(duì)本文的圖像處理、天文定位、測(cè)光、HEALPix天區(qū)劃分與轉(zhuǎn)換等方法進(jìn)行了驗(yàn)證. 通過(guò)上述工作， 完成了全天圖像在巡天觀測(cè)指導(dǎo)中的方法研究， 后續(xù)在此基礎(chǔ)上， 可進(jìn)一步研究全天圖像的科學(xué)目標(biāo)與利用圖像觀測(cè)信息制定多設(shè)備的調(diào)度方案.