趙海升，聶建胤，李小波，葛明玉，李承奎，宋黎明

(1. 中國科學(xué)院粒子天體物理重點實驗室，北京 100049；2. 中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049)

X射線天文學(xué)的觀測多以空間觀測為主，20世紀(jì)70年代以來，國外已經(jīng)陸續(xù)發(fā)射了多顆X射線天文衛(wèi)星。中國在2017年7月15日發(fā)射了以X射線天體源觀測為主的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星[1]。這些衛(wèi)星的數(shù)據(jù)分析軟件和觀測數(shù)據(jù)大多是公開的。后續(xù)的愛因斯坦探針衛(wèi)星(Einstein Probe, EP)和中法太空望遠(yuǎn)鏡項目(Space Variable Objects Monitor, SVOM)已經(jīng)處于工程階段，增強型X射線時變與偏振天文臺(enhanced X-ray Timing and Polarimetry Mission, eXTP)也處于規(guī)劃階段。這些X射線天文衛(wèi)星的發(fā)射必將對衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析方法及軟件帶來一定的挑戰(zhàn)。

作為載荷硬件和科學(xué)分析的橋梁，數(shù)據(jù)分析軟件的開發(fā)必不可少。數(shù)據(jù)分析過程是通過觀測數(shù)據(jù)反推入射信息，而觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過儀器的響應(yīng)，不能直接表征入射信息。數(shù)據(jù)分析軟件的目的是產(chǎn)生正確的能譜、光變以及響應(yīng)等。在這基礎(chǔ)上，用戶才能利用這些信息反推天體源的入射信息，進而推斷發(fā)生的物理過程?？傊瑪?shù)據(jù)分析軟件與科學(xué)產(chǎn)出息息相關(guān)，是保障科學(xué)產(chǎn)出的必要條件。

衛(wèi)星發(fā)布的分析軟件一般是專用于該衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析的軟件，另外還有通用的數(shù)據(jù)分析軟件。通用軟件主要針對天文數(shù)據(jù)格式的處理(ftools[2])，以及能譜、光變處理(如Xspec和powspec[3])。美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)提供的HEAsoft軟件包集成了通用軟件及一系列衛(wèi)星的專用軟件。這樣衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析軟件需要重點設(shè)計衛(wèi)星載荷的數(shù)據(jù)處理過程，使通用軟件能夠識別和處理數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。本文主要介紹硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析軟件的需求、分析過程及底層設(shè)計，希望為后續(xù)衛(wèi)星的軟件設(shè)計和開發(fā)提供借鑒。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星有3個主載荷，分別為高能X射線望遠(yuǎn)鏡[4]、中能X射線望遠(yuǎn)鏡和低能X射線望遠(yuǎn)鏡，它們均集成了多個單體探測器，且單體之間有差異。衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)經(jīng)過地面處理[5]后分別生成各載荷的文件目錄，這些文件包括軌道、姿態(tài)、事例、溫度、工作狀態(tài)參數(shù)等，數(shù)據(jù)分析軟件是對這些文件進行處理，產(chǎn)生物理結(jié)果的軟件。本軟件主要適用于X射線源的定點觀測，這是硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星主要的觀測模式，部分模塊也可以適用于掃描模式，并對短時爆發(fā)有一定的處理能力。

1 分析軟件的需求

空間天文衛(wèi)星的數(shù)據(jù)格式一般是FITS(Flexible Image Transport System)[6]，分析此格式的數(shù)據(jù)需要借助通用的分析工具或者自己開發(fā)工具。這一特點使得用戶分析軟件必須給出標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)篩選條件，以避免用戶對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，而這種基礎(chǔ)分析大多基于可視化界面，同時也必須給出符合通用數(shù)據(jù)分析工具的FITS格式數(shù)據(jù)，比如能譜格式及關(guān)鍵字定義均需要符合Xspec的調(diào)用。

天文數(shù)據(jù)分析工具已經(jīng)有幾十年的歷史，培養(yǎng)了一大批用戶。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析工具開發(fā)早期，我們制定了運行需要遵從HEAsoft形式的原則，能夠兼容HEAsoft工具的策略。但是需要注意的是，HEAsoft早期一大部分代碼是基于Fortran和Perl語言開發(fā)的，移植性比較差。隨后一些衛(wèi)星專用軟件采用C語言開發(fā)，移植性和可讀性也比較差。當(dāng)然，HEAsoft也提供了大量優(yōu)秀的代碼，比如硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星分析軟件采用了FITS文件讀寫庫cfitsio。

天文分析工具的運行單元稱為任務(wù)(task)，每個任務(wù)的輸入及輸出如圖1，其輸入及輸出一般是FITS格式數(shù)據(jù)，另外還有一個參數(shù)文件(pfile)用于程序運行中的參數(shù)控制。需要指出的是，任務(wù)的運行存在兩個問題：(1)任務(wù)之間主要采用數(shù)據(jù)文件相連，頻繁地讀寫FITS文件數(shù)據(jù)，處理效率大打折扣；(2)參數(shù)文件的使用也帶來另一個問題，當(dāng)多個相同進程讀取同一參數(shù)文件時，可能導(dǎo)致運行出錯。集群計算(云計算)情況下，用戶不得不設(shè)置多個參數(shù)文件路徑，使得不同進程讀取不同的參數(shù)文件，然而對于提交同一計算機上的并行程序卻無能為力。

圖1 HEAsoft下各個任務(wù)的輸入及輸出

X射線天文軟件一般運行于Linux或者Mac OS X等操作系統(tǒng)，硬盤及內(nèi)存使用與數(shù)據(jù)文件大小和運行中的非線性計算有關(guān)，要求不高。編譯系統(tǒng)一般可以基于HEAsoft提供的hmake腳本完成。另外，數(shù)據(jù)分析軟件需要與標(biāo)定數(shù)據(jù)庫(Calibration Database, CALDB)配合使用。標(biāo)定數(shù)據(jù)庫主要存放與載荷、標(biāo)定相關(guān)的數(shù)據(jù)文件，分析軟件需要建立接口與標(biāo)定數(shù)據(jù)庫相連。這樣，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星需要繼承HEAsoft的運行方式，包括數(shù)據(jù)格式、運行模式等。

但是我們也希望改變HEAsoft的一些缺點，比如改變面向過程的編程方式，避免重復(fù)讀寫文件。

2 數(shù)據(jù)分析流程

衛(wèi)星下傳的數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列處理，最終以單次觀測數(shù)據(jù)進行組織(觀測號)，數(shù)據(jù)分析的基本單元是觀測號，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星發(fā)布未標(biāo)定、未篩選的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)分析的輸入。

數(shù)據(jù)分析軟件一般遵從圖2的分析步驟，整個流程分為3步：(1)數(shù)據(jù)標(biāo)定，包括增益修正、噪聲扣除和事例重建等；(2)數(shù)據(jù)篩選，利用工程數(shù)據(jù)提取載荷正常工作的時間及源觀測時間，并扣除地球遮擋時間，然后利用事例等級及提取的好時間對標(biāo)定的事例數(shù)據(jù)進行篩選，產(chǎn)生經(jīng)過標(biāo)定并篩選后的數(shù)據(jù)文件；(3)高級產(chǎn)品提取，提取篩選后數(shù)據(jù)文件中的能道及時間信息，并根據(jù)時間、指向等信息產(chǎn)生能譜的響應(yīng)文件。

圖2 數(shù)據(jù)分析步驟，其中GTI為好時間段(Good Time Interval)

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析過程中還要識別和扣除一部分損壞的像素，對數(shù)據(jù)進行必要的修正，并計算一些重要的參量，特別是能譜文件中的曝光時間，這是因為能譜擬合中它作為參數(shù)用于計算源的流量。

相比其他衛(wèi)星，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星的3個載荷均采用多單體探測器的集成方案增大接收面積。但是由于制造工藝以及在軌探測器溫度的差異，這些探測器往往不能看作全同的。這些差異在數(shù)據(jù)上主要表現(xiàn)為好時間和增益不同，而后者可以通過增益修正改變。好時間的不同給探測器能譜、響應(yīng)和光變合并帶來麻煩。對于能譜，不同能道上的計數(shù)可以直接合并，但是總曝光時間并非是單體曝光的累加，而是按單體的權(quán)重累加。比如硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星的高能探測器由18個NaI探測器組成，權(quán)重因子可以簡單設(shè)置為1/18，響應(yīng)也按單體給出，然后各個單體的響應(yīng)按權(quán)重累加。光變需要提供4列：時間(Time)、計數(shù)(Counts)、計數(shù)誤差(Error)和該時間段(Binsize)中的曝光比例(Fracexp)。如果需要做死時間/指向修正，需要先按單體計算，得到修正因子及每個時間段的曝光比例，然后計算單體修正后的計數(shù)及誤差，最后計數(shù)累計，曝光比例按權(quán)重合并，誤差按誤差傳遞給出。

3 分析軟件的設(shè)計

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星為天文衛(wèi)星，數(shù)據(jù)格式遵從天文數(shù)據(jù)格式FITS，分析遵從天文數(shù)據(jù)分析的特點，并可以兼容HEAsoft工具。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星有3個主要載荷，它們均采集光子事例，觀測限制條件比較一致，步驟也基本相同。每個載荷單獨開發(fā)，整個項目費時費力。如果能夠找到它們之間的相同點和不同點，并設(shè)計一種架構(gòu)進行逐層次開發(fā)，將有巨大的優(yōu)勢。當(dāng)然，這3個載荷的不同設(shè)計，也決定了數(shù)據(jù)處理不同，比如中能X射線望遠(yuǎn)鏡和低能X射線望遠(yuǎn)鏡有事例重建，而高能X射線望遠(yuǎn)鏡無需重建。即使是同一載荷，不同單體間的差異也需要考慮。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星分析軟件的架構(gòu)如圖3。架構(gòu)是分層設(shè)計的，整個軟件系統(tǒng)公共的功能放到第一層(公共層，圖3中CommonLIB層)，這些功能包括任務(wù)的輸入輸出控制，CALDB接口，F(xiàn)ITS文件的通用操作，壞像素識別類，以及與時間、能譜、光變相關(guān)的功能等。后續(xù)以載荷進行層次結(jié)構(gòu)劃分，越靠后各層逐步考慮模塊的具體實現(xiàn)功能(載荷層)，并將本層的公共部分(圖3中Payload及Libs)和特殊部分(圖3中Modules)分開，公共部分包括載荷事例、視場、探測器的定義等，特殊部分包括增益修正、死時間修正等功能類。最后一層或者多層實現(xiàn)軟件的流程功能。

圖3 硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星分析軟件架構(gòu)

架構(gòu)使用C++語言開發(fā)，采用面向?qū)ο蟮木幊绦问?，這是本軟件與以前軟件開發(fā)的不同之一。采用面向?qū)ο缶幊痰囊粋€重要考慮是底層算法、類和接口等比較容易被本軟件以及其他軟件調(diào)用。這種設(shè)計提高了軟件開發(fā)的質(zhì)量，降低了軟件開發(fā)的工作量。

設(shè)計中，我們重點考慮事例流的非線性操作及多單體探測器的處理問題。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星的載荷差異比較大，這使得分析方法迥異，數(shù)據(jù)處理架構(gòu)需要解決這個問題。本設(shè)計通過對象與流程分開操作的方式解決此問題，特別是將流程放大以滿足差異化。設(shè)計沒有將軟件的流程看作類的一部分，而是將流程看作主結(jié)構(gòu)，在流程內(nèi)對類進行實例化。這樣的好處是靈活，即流程可以變化，多個流程可以整合為一個主流程。這對硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星3種載荷的差異化及非線性操作非常有利，比如高能載荷在事例流上存在尖峰，軟件必須積累一定的數(shù)據(jù)才能識別并扣除，在接下來的分析中則無需考慮此因素，因此將這部分特殊功能放在某一流程中實現(xiàn)。

圖3中管線工具可以通過調(diào)用多個任務(wù)完成分析，也可以基于公共層和載荷層直接編寫代碼實現(xiàn)。用戶可以不必關(guān)注這種多單體探測結(jié)構(gòu)，而只需關(guān)注載荷公共的運行時間即可；用戶可以不使用參數(shù)文件，進而避免并行計算存在的問題；不必將流程分為多個子流程，每個子流程開發(fā)為一個工具，僅提供一個主流程即可，這樣可以避免頻繁讀取FITS文件；用戶也無需在編譯上依賴HEAsoft，可以開發(fā)為獨立軟件。特別說明的是，這種方法對空間環(huán)境、爆發(fā)現(xiàn)象的研究特別有利。

另外針對多探測器結(jié)構(gòu)，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星分析軟件將各個單體單獨處理。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星采用多個好時間擴大描述整個載荷的時間信息。單體分開的處理方案以及時間描述方案會造成處理效率下降，但是這種設(shè)計對多單體卻是適用的。

軟件提供的公共層不僅供硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星的3個載荷使用，還可以移植到其他衛(wèi)星平臺，如愛因斯坦探針衛(wèi)星的后隨X射線望遠(yuǎn)鏡(Followed X-ray Telescope, FXT)載荷的數(shù)據(jù)分析軟件直接使用了硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星的部分接口及算法。另外軟件的設(shè)計架構(gòu)也用于后隨X射線望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)分析軟件的開發(fā)。軟件架構(gòu)的層次性結(jié)構(gòu)立足于全面思考問題，著眼于提高軟件開發(fā)質(zhì)量和降低軟件工作量，以系統(tǒng)邏輯性代替重復(fù)的軟件開發(fā)，以腦力代替體力。另外，架構(gòu)也充分考慮載荷的差異性，載荷層突出載荷的特點，而過程層則考慮流程，特別是非線性操作，這種設(shè)計可以囊括更多載荷。

4 硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析軟件的實現(xiàn)

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析軟件包括高能X射線望遠(yuǎn)鏡、中能X射線望遠(yuǎn)鏡和低能X射線望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)處理軟件，每個載荷按分析流程分為標(biāo)定模塊、篩選模塊以及提取高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品模塊。圖4是硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析軟件的各個模塊及分析流程。這些模塊與天文通用工具ftools的運行方式一致，輸入輸出均遵從HEAsoft特點。

圖4 硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析軟件的各個模塊以及數(shù)據(jù)分析流程

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星分析軟件適用于定點觀測，對于爆發(fā)數(shù)據(jù)的分析(主要針對高能X射線望遠(yuǎn)鏡載荷數(shù)據(jù))不太適用，如短時間觀測，軟件因本底難以估計進而將這些時間舍棄。其他一些與觀測無關(guān)的分析，分析軟件幾乎無能無力，因為它提供的工具有非常強的目的性，通用性就變差，這也是衛(wèi)星分析軟件存在的共性問題。事實上，數(shù)據(jù)分析軟件不僅僅為用戶提供分析衛(wèi)星數(shù)據(jù)的工具，還可以基于硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星分析軟件提供的接口、算法及類等編寫自己的程序。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星分析軟件提供的庫包括：(1)與數(shù)據(jù)格式相關(guān)的類和特定格式文件類，如事例、電壓、溫度等文件的讀寫類，能譜、光變類等；(2)與輸入輸出相關(guān)類，如獲取運行參數(shù)、輸出日志信息等；(3)與標(biāo)定數(shù)據(jù)庫相關(guān)類；(4)一些特定的接口類，如死時間、視場、探測器單體描述類等；(5)特定功能類，如對公共文件(軌道、姿態(tài)等)操作類，與時間相關(guān)類等。這些類基本滿足FITS文件的讀寫，特別是事例文件的讀寫，以及對事例的過濾，產(chǎn)生高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品等。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星分析軟件還提供了各個載荷的管線處理模塊，這些模塊不是簡單地將各個任務(wù)串聯(lián)執(zhí)行，而是大量調(diào)用軟件架構(gòu)提供的接口、算法及功能類，使用一個流程將標(biāo)定、篩選及提取高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品整合。如獲取一個光子事例，增益修正后，判斷光子信息是否符合所選擇的條件，如果符合則記錄光子的時間及能道信息，最后分別產(chǎn)生光變及能譜等。這種設(shè)計將多個流程整合為一個流程，避免任務(wù)之間頻繁地讀寫FITS數(shù)據(jù)。用戶可以借鑒此種方案開發(fā)程序，同時擺脫對參數(shù)文件的依賴。

5 總 結(jié)

空間X射線天文衛(wèi)星的數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計大多參考HEAsoft軟件包，并在能譜、時變分析上基于HEAsoft提供的通用分析工具進行數(shù)據(jù)分析。用戶習(xí)慣了這種軟件的運行方式及數(shù)據(jù)處理方式。天文衛(wèi)星一般采用FITS數(shù)據(jù)格式，多數(shù)通用軟件也以FITS格式為主。這使得衛(wèi)星專用的數(shù)據(jù)分析軟件需要遵從天文數(shù)據(jù)格式，遵從天文數(shù)據(jù)分析的特點，并可以兼容HEAsoft。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析軟件同樣遵循這種設(shè)計，使用時，本軟件提供的工具與HEAsoft提供的工具在運行方式上并無差別，與多數(shù)專用衛(wèi)星的流程保持一致。

但是硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星的設(shè)計有獨特之處，底層軟件架構(gòu)采用層次化結(jié)構(gòu)。公共層提供的基礎(chǔ)庫可以為3個載荷服務(wù)，載荷層針對公共和專用部分的數(shù)據(jù)處理，過程層主要完成數(shù)據(jù)處理的流程。特別說明的是，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星提供的公共層也可以應(yīng)用于其他衛(wèi)星的軟件開發(fā)。該架構(gòu)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計語言C++開發(fā)，有優(yōu)良的擴展性和繼承性。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析軟件不僅提供了一系列工具用于數(shù)據(jù)分析，還提供了一套底層庫供用戶開發(fā)更高效的程序代碼?？傊?，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計模式，不同衛(wèi)星間公共層的移植性以及接口、算法和類的可調(diào)用性是硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星分析軟件設(shè)計的亮點，相比較而言，HEAsoft采用面向過程的設(shè)計模式和語言，底層庫難以調(diào)用，用戶多以直接調(diào)用工具(ftools)為主。

目前硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析軟件已經(jīng)得到國內(nèi)外用戶的廣泛使用，其代碼及使用說明可以通過官網(wǎng)(http://hxmtweb.ihep.ac.cn/software.jhtml)獲得。用戶基于此已經(jīng)發(fā)布大量文章(https://ui.adsabs.harvard.edu/public-libraries/R_dGKc_6RSyswz9mVTsUuA)。架構(gòu)及部分公共接口也已經(jīng)用于愛因斯坦探針衛(wèi)星的后隨X射線望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)軟件開發(fā)，效果比較理想。