CN108279221A - 一种局部天区大气透明度获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于地基光电观测领域，公开了一种局部天区大气透明度获取方法，方法包括以下步骤：晴朗无云的夜晚获取标准亮度已知的恒星的亮度测量值；计算获取望远镜的定标参数；日常观测时获取局部天区恒星亮度测量值；计算局部天区大气透明度。本方法克服了随时间和空间变化的大气透明度难以测量的不足，提出了利用小口径望远镜获取局部天区的大气透明度，为同一观测站的望远镜的定标和曝光时间计算提供依据。本发明能够快速推广至地基光学观测站，为观测站提供局部天区大气透明度信息。

Description

一种局部天区大气透明度获取方法
技术领域
本发明属于地基光电观测领域，涉及一种局部天区大气透明度获取方法。
背景技术
大气透明度是天文观测中的一个重要指标，表征大气对光的衰减作用。目前大气透明度的测量方法一般要求在标准大气模型下进行。然而，标准大气模型仅在极少数的晴朗无云夜晚可以使用。在通常的观测情况下，标准大气模型并不适用，大气透明度随着天区和时间变化。因此，局部天区大气透明度的获取方法的提出可以使用与更多的天气条件，并可给出不同时间和天区的大气透明度变化。
发明内容
技术问题
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是：在非晴朗无云的夜晚，获取局部天区的大气透明度。
解决方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种局部天区大气透明度获取方法。所述方法利用一台小口径望远镜对局部天区进行观测，获取视场内恒星的亮度测量值与标称值，并利用前期在晴朗无云夜晚测量的望远镜定标参数，计算获得当前时刻局部天区的大气透明度。
所述方法包括以下步骤：
步骤一：标准恒星亮度测量值获取步骤：在晴朗无云的夜晚，利用望远镜观测一批标准亮度已知的恒星，获取其亮度测量值；
步骤二：望远镜定标参数计算步骤：从标准星表中获取测量恒星的亮度标称值，计算获得望远镜定标参数；
步骤三：局部天区恒星亮度测量值获取步骤：在平时观测的晚上，利用同一望远镜观测局部天区，获取视场内多颗恒星亮度测量值；
步骤四：局部天区大气透明度计算步骤：从标准星表中获取测量恒星的亮度标称值，利用步骤二中计算获得的定标参数，获取当前时刻局部天区的大气透明度。
进一步，所述标准恒星亮度测量值获取步骤包括以下子步骤：
子步骤A：在晴朗无云的夜晚，根据望远镜所处地理经纬度和时间，计算待观测的标准恒星；
子步骤B：控制望远镜指向和拍摄待观测标准星，获取标准星观测图像；
子步骤C：按照天文测光的标准步骤，获取标准星的亮度测量值。
进一步，所述望远镜定标参数计算步骤包括以下子步骤：
子步骤D：从天文标准星表中获取标准恒星的亮度标称值；
子步骤E：计算拍摄流量标准星的天顶角，从而计算出大气质量；
子步骤F：拟合消光方程，获得望远镜的定标参数。
进一步，所述局部天区恒星亮度测量值获取步骤包括以下子步骤：
子步骤G：将望远镜指向待测局部天区，获取局部天区观测图像；
子步骤H：按照天文测光的标准步骤，获取待测局部天区恒星的亮度测量值。
进一步，所述局部天区大气透明度计算步骤包括以下子步骤：
子步骤I：从天文标准星表中获取待测局部天区内恒星的亮度标称值；
子步骤J：计算拍摄局部天区的天顶角，从而计算出大气质量；
子步骤K：根据获得的望远镜定标参数，根据获得的望远镜定标参数，带入以下公式中求出消光系数K1，
K1＝(M-m-Zeropoint)/A，
式中：M为星表星等，m为仪器星等，K1为主消光系数，A为大气质量，Zeropoint为测量望远镜的零点。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明利用小口径望远镜获取局部天区的大气透明度，为同一观测站的望远镜的定标和曝光时间计算提供依据。本发明能够快速推广至地基光学观测站，为观测站提供局部天区大气透明度信息在非晴朗无云的夜晚，获取局部天区的大气透明度，克服大气透明度随时间和空间的变化。
附图说明
图1为本发明的用于一种局部天区大气透明度获取方法的流程框图。
图2为本发明中获取标准星的亮度测量值采用的出孔径测光原理示意图。
具体实施方式
以下将参照附图详细说明本发明的示例性实施方式。本发明的用于一种局部天区大气透明度获取方法针对局部天区大气透明度进行获取。标准恒星亮度测量值获取是计算望远镜定标参数基础，通过获取局部天区恒星亮度测量值计算局部天区大气透明度。
如图1所示，本发明一种局部天区大气透明度获取方法，该判定方法包括4个步骤：标准恒星亮度测量值获取步骤，望远镜定标参数计算步骤，局部天区恒星亮度测量值获取步骤，局部天区大气透明度计算步骤。
以下，将分别对图1所示的这4个步骤进行详细说明。
步骤一：标准恒星亮度测量值获取步骤。
所述标准恒星亮度测量值获取步骤包括以下子步骤：
子步骤A：在晴朗无云的夜晚，根据望远镜所处地理经纬度和时间，计算待观测的标准恒星；
子步骤B：控制望远镜指向和拍摄待观测标准星，获取标准星观测图像；
子步骤C：按照天文测光的标准步骤，获取标准星的亮度测量值。
天文学中常用的测光方式是孔径测光，孔径测光的原理如图2所示。孔径测光是指对于一幅CCD图像上的目标星像，选用一定的孔径为半径画圆，统计该圆内的所有流量，减去天光背景后可以得到目标星的净流量，然后由得到的净流量计算仪器星等m。
如图2所示，R1为计算目标星流量所选取的半径，半径R2的圆到Width外部的圆所组成的圆环用来计算天光背景。圆内所有像元流量的平均值为背景天光Msky，R1圆内包含的总像元数为面积Area，面积内所有流量的和为总流量Sum，则净流量Flux为：
F1ux＝Sum-Area*Msky，
仪器星等m根据以下公式求出：
式中：Zmag为测光零点，IRAF里默认设置为25，用户可以根据仪器的特点自己设置，但对较差测光则无所谓。Itime是在IRAF里面默认为1，如果需要归算到单位时间内的流量则将Itime设置为曝光时间即可。
步骤二：望远镜定标参数步骤。
所述望远镜定标参数步骤包括以下子步骤：
子步骤D：从天文标准星表中获取标准恒星的亮度标称值M；
子步骤E：计算拍摄流量标准星的天顶角，从而计算出大气质量；
大气质量A在天顶角z小于60度时可以用如下公式表示：
A＝secZ
对于更大天顶角，需要使用如下公式：
A＝secZ-0.0018167(secZ-1)-0.002875(secZ-1)2-0.0008083(secZ-1)3
上述公式适用到天顶角小于85度。
子步骤F：根据消光方程，获得望远镜的定标参数。
M-m＝Zeropoint+KA，
式中：M为星表星等，m为仪器星等，K为主消光系数，A为大气质量，Zeropoint为望远镜的零点。
步骤三：局部天区恒星亮度测量值获取步骤。
所述局部天区恒星亮度测量值获取步骤包括以下子步骤：
子步骤G：将望远镜指向待测局部天区，获取局部天区观测图像；
子步骤H：按照天文测光的标准步骤，获取待测局部天区恒星的亮度测量值。同子步骤C获取仪器星等m。
步骤四：局部天区大气透明度计算步骤。
所述局部天区大气透明度计算步骤包括以下子步骤：
子步骤I：从天文标准星表中获取待测局部天区内恒星的亮度标称值，同子步骤D；
子步骤J：计算拍摄局部天区的天顶角，从而计算出大气质量，同子步骤E；
子步骤K：根据子步骤F中获得的望远镜定标参数，计算大气透明度。
根据子步骤F得到的简化消光方程：
M-m＝Zeropoint+KA，
由子步骤H可以得到仪器星等m，由子步骤I可以得到星表星等M，由子步骤J可以得到大气质量A，由子步骤E中的Zeropoint公式得到望远镜零点Zeropoint，这样就可以得到主消光系数K1：
K1＝(M-m-Zeropoint)/A，
式中：M为星表星等，m为仪器星等，K1为主消光系数，A为大气质量，Zeropoint为测量望远镜的零点。
根据得到的K1，求出K1的平均值和方差，以平均值反应大气透明度，以方差反应大气透明度的测量质量。
实施例：
一种局部天区大气透明度获取方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：标准恒星亮度测量值获取步骤：
步骤A：在晴朗无云的夜晚，根据望远镜所处地理经纬度和时间，计算待观测的标准恒星，选择G4427、SA_29-322、SA_32-377、SA_35-343、SA_29-324、SA_32-330、SA_35-339、PG1047+003C这些标准星。
子步骤B：控制望远镜指向和拍摄待观测标准星，根据标准星亮度调整曝光时间，获取标准星观测图像；
子步骤C：按照天文测光的标准步骤，使用天文图像专用软件IRAF处理获取的不同滤光片的标准星观测图像，获取标准星的亮度测量值m。如图1所示，是IRAF测得标准星的不同滤光片的亮度测量值MAG(m)。
步骤二：望远镜定标参数步骤：
子步骤D：从天文标准星表Landolt中获取标准恒星的亮度标称值M，如表l所示，V代表标准星V波段的标称值，从表中的B-V，U-B，V-R，R-I，以及V-I，可以得到各个波段的标称值M；
标准星 赤经 赤纬 V B-V U-B V-R R-I V-I
SA_29-322 09:46:31 +44:22:32 9.766 +0.488 +0.030 +0.285 +0.262 +0.560
G44 27 10:36:02 +05:07:11 12.636 1.586 1.088 1.185 1.526 2.714
SA_32-377 12:55:45 +44:40:38 10.630 +0.641 +0.101 +0.372 +0.358 +0.735
SA_35-343 15:51:57 +44:35:26 10.870 +0.433 -0.063 +0.271 +0.254 +0.529
SA_29-324 09:46:53 +44:25:05 11.304 +1.117 +1.075 +0.582 +0.516 +1.097
SA_32-330 12:55:26 +44:33:35 10.068 +0.665 +0.190 +0.378 +0.342 +0.721
SA_35-339 15:51:54 +44:32:29 12.775 +0.554 +0.028 +0.336 +0.329 +0.662
PG1047+3C 10:50:18 -00:00:21 12.453 0.607 -0.019 0.378 0.358 0.737
表1 Landolt标准星标称值
子步骤E：计算拍摄流量标准星的天顶角，从而计算出大气质量；
计算拍摄标准星时刻的天顶角，当天顶角小于60度时，使用公式：
A＝secZ
计算该图像的大气质量，如天顶角为30度，A＝sec30°；
对于更大天顶角(小于85度。)，需要使用如下公式：
A＝secZ-0.0018167(secZ-1)-0.002875(secZ-1)2-0.0008083(secZ-1)3
计算该图像的天顶角。
子步骤F：拟合消光方程，获得望远镜的定标参数。
使用子步骤C实测的标准星仪器星等m与子步骤D从星表中获取标准星等M，以及子步骤F获得的大气质量A，建立如下星等转换关系：
m-M＝Z0+KCC+KA
在测光夜定标，不同大气质量下测光拟合出望远镜的定标参数Z0，KC，K。拟合示例如图2所示，纵坐标为步骤C测得的标准星仪器星等m，横坐标为步骤D从星表中获取标准星等M。不同波段的望远镜定标参数如表2所示。
波段 Z0 K KC
U 4.732±0.032 0.590±0.022 -0.376±0.034
B 1.781±0.042 0.431±0.029 -0.108±0.011
v 1.909±0.037 0.282±0.026 -0.088±0.025
R 1.977±0.027 0.217±0.019 -0.145±0.008
I 2.383±0.029 0.156±0.021 -0.077±0.008
表2不同波段的望远镜定标参数
并定义望远镜零点：Zeropoint＝Z0+Kc*C
根据表2的不同波段的望远镜定标参数可以得到不同波段的望远镜零点。如U波段：
Zeropoint＝4.732+(-0.376)*C
注：其中C对于是标准星库中的色差(不同波段之间的差值)，如表1中B-V，U-B，V-R，R-I，V-I，对于每颗星都是一个常数，如表1中的标准星SA_29-322的U波段的C＝+0.030。
进而简化消光方程：
m-M＝Zeropoint+KA
如U波段简化消光方程：
m-M＝4.732+(-0.376)*C+KA
步骤三：局部天区恒星亮度测量值获取步骤。
子步骤G：同子步骤B，控制望远镜指向和拍摄待观测局部天区，获取局部天区观测图像；
子步骤H：按照天文测光的标准步骤，获取待测局部天区恒星的亮度测量值。同子步骤C获取仪器星等m，如测得的U波段的星等值m＝17。
步骤四：局部天区大气透明度计算步骤。
子步骤I：从天文标准星表中获取待测局部天区内恒星的亮度标称值，同子步骤D，如从星表中获得的Landolt标准星U波段的标称值M＝11。
子步骤K：根据子步骤F中获得的望远镜定标参数，计算大气透明度。
根据子步骤F得到的简化消光方程：
m-M＝Zeropoint+KA
如U波段简化消光方程，假设该星的U波段的色差C＝0.03：
m-M＝4.732+(-0.376)*C+KA
＝4.732+(-0.376)*0.03+KA
＝4.72+KA
由子步骤H可以得到仪器星等m，如U波段的m＝17。由子步骤I可以得到星表星等M，如U波段的标称值M＝11。由子步骤J可以得到大气质量A，如目标区的天顶角为30°，即可得到大气质量A＝sec30°的由子步骤E中的Zeropoint公式得到望远镜零点Zeropoint，
这样就可以得到主消光系数K1：
K1＝(m-M-Zeropoint)/A
如该星U波段的主消光系数K1：
K1＝(17-11-4.72)/sec30°≈0.68
同理可以计算其他波段的主消光系数。
计算K1的平均值和方差，平均值反应大气透明度，方差反应大气透明度的测量质量。

Claims (5)

1.一种局部天区大气透明度获取方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
标准恒星亮度测量值获取步骤：在晴朗无云的夜晚，利用望远镜观测一批标准亮度已知的恒星，获取其亮度测量值；
望远镜定标参数计算步骤：从标准星表中获取测量恒星的星表星等M，获得望远镜的定标参数；
局部天区恒星亮度测量值获取步骤：利用同一望远镜观测待测局部天区，获取视场内多颗恒星亮度测量值；
局部天区大气透明度计算步骤：从标准星表中获取测量恒星的星表星等M，利用望远镜定标参数计算步骤中计算获得的定标参数，求出消光系数K1；
根据得到消光系数K1的值，求出消光系数K1的平均值和方差，以平均值表示为大气透明度，以方差表示大气透明度的测量质量获取当前时刻局部天区的大气透明度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标准恒星亮度测量值获取步骤包括以下子步骤：
子步骤A：在晴朗无云的夜晚，根据望远镜所处地理经纬度和时间，计算待观测的标准恒星；
子步骤B：控制望远镜指向和拍摄待观测标准星，获取观测区域内标准星观测图像；
子步骤C：按照天文测光的标准步骤，获取观测区域内的标准星的亮度测量值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述望远镜定标参数计算步骤包括以下子步骤：
子步骤D：从天文标准星表中获取标准恒星的亮度标称值；
子步骤E：根据拍摄流量标准星的天顶角Z角度，从而计算出大气质量A；
子步骤F：根据消光方程，获得望远镜的定标参数，即仪器零点值Z0、仪器修正颜色系数KC、仪器系数C和主消光系数K0。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述局部天区恒星亮度测量值获取步骤包括以下子步骤：
子步骤G：将望远镜指向待测局部天区，获取局部天区观测图像；
子步骤H：按照天文测光中的孔径测光，获取待测局部天区恒星的星表星等M。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述局部天区大气透明度计算步骤包括以下子步骤：
子步骤I：从天文标准星表中获取待测局部天区内恒星的星表星等M；
子步骤J：计算拍摄局部天区的天顶角，从而计算出大气质量A；
子步骤K：根据获得的望远镜定标参数，带入以下公式中求出观测区域内的消光系数K1，
K1＝(M-m-Zeropoint)/A，
式中：M为星表星等，m为仪器星等，K1为主消光系数，A为大气质量，Zeropoint为测量望远镜的零点。
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