CN111696093A - 恒星辐射照度相对测量方法和装置 - Google Patents

恒星辐射照度相对测量方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种恒星辐射照度相对测量方法、装置、设备、系统和计算机可存储介质，其中方法包括以下步骤：获取标准恒星的图像，计算图像中恒星区域去除背景后的像素点灰度总和作为当前标准恒星的灰度，根据当前标准恒星距离天顶的角度计算大气透过率，并根据当前标准恒星的灰度及大气透过率计算当前标准恒星在大气层外的灰度；获得多颗标准恒星在大气层外的灰度，并根据恒星星表数据获取对应标准恒星在大气层外的辐射照度，得到辐射照度与灰度的拟合公式；采集待测恒星的图像，并计算待测恒星在大气层外的灰度，根据所述拟合公式得到辐射照度。本发明无需增加额外的定标设备，根据标准恒星即可实现地基望远镜的恒星辐射定量测量。

Description

恒星辐射照度相对测量方法和装置
技术领域
本发明涉及恒星能量测量技术领域，尤其涉及一种恒星辐射照度相对测量方法、装置、设备、系统和计算机可读存储介质。
背景技术
地基大口径望远镜进行恒星辐射照度定量测量时，首先要对望远镜进行辐射定标。现有技术中一种通常的定标方法为，利用黑体和准直系统对望远镜进行全光路辐射定标。另一种定标方法是利用黑体对探测器进行半光路辐射定标。这两种定标方法都需要定标装置，且需要定期进行辐射定标，用以提高望远镜的测量精度，因此这两种定标方法都需要耗费大量人力和财力。
因此，亟待提供一种简单实用的恒星辐射照度测量方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中存在的上述一个或多个缺陷，提供一种恒星辐射照度相对测量方法、装置、设备、系统和计算机可读存储介质，利用标准恒星实现地基望远镜的恒星辐射定量测量。
为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种恒星辐射照度相对测量方法，该方法包括以下步骤：
S1、获取标准恒星的图像，计算图像中恒星区域去除背景后的像素点灰度总和作为当前标准恒星的灰度，根据当前标准恒星距离天顶的角度计算大气透过率，并根据当前标准恒星的灰度及大气透过率计算当前标准恒星在大气层外的灰度；
S2、通过步骤S1获得多颗标准恒星在大气层外的灰度，并根据恒星星表数据获取对应标准恒星在大气层外的辐射照度，得到辐射照度与灰度的拟合公式；
S3、采集待测恒星的图像，并计算待测恒星在大气层外的灰度，根据所述拟合公式得到辐射照度。
在根据本发明所述的恒星辐射照度相对测量方法中，优选地，所述步骤S1中获取多帧标准恒星的图像，再计算多帧图像的去除背景后的像素点灰度总和的平均值作为当前标准恒星的灰度。
在根据本发明所述的恒星辐射照度相对测量方法中，优选地，所述步骤S1中通过以下公式计算当前标准恒星的灰度：
Figure BDA0002536831540000021
其中，N为第k颗标准恒星的图像帧数，DNk_i为第i帧图像中恒星区域去除背景后的像素点灰度总和，且
Figure BDA0002536831540000022
M为选取的恒星区域的像素点数量，DNk_ij为第i帧图像中恒星区域第j个像素点的灰度值，
Figure BDA0002536831540000023
为第i帧图像中背景区域的平均灰度值。
在根据本发明所述的恒星辐射照度相对测量方法中，优选地，所述根据当前标准恒星的灰度及大气透过率计算当前标准恒星在大气层外的灰度，具体为：
Figure BDA0002536831540000024
其中，DNkk为第k颗标准恒星在大气层外的灰度，τ为大气透过率，并且
Figure BDA0002536831540000025
τ0为望远镜天顶的整层大气透过率，θ为第k颗标准恒星距离天顶的角度。
在根据本发明所述的恒星辐射照度相对测量方法中，优选地，所述辐射照度与灰度的拟合公式为：
L＝aDN2+bDN+c；
其中L为辐射照度，DN为灰度，a、b和c均为拟合系数。
本发明第二方面，提供了一种恒星辐射照度相对测量装置，包括：
标准恒星灰度计算单元，用于获取标准恒星的图像，计算图像中恒星区域去除背景后的像素点灰度总和作为当前标准恒星的灰度，根据当前标准恒星距离天顶的角度计算大气透过率，并根据当前标准恒星的灰度及大气透过率计算当前标准恒星在大气层外的灰度；
关系拟合单元，用于获得多颗标准恒星在大气层外的灰度，并根据恒星星表数据获取对应标准恒星在大气层外的辐射照度，得到辐射照度与灰度的拟合公式；
辐射照度计算单元，用于采集待测恒星的图像，并计算待测恒星在大气层外的灰度，根据所述拟合公式得到辐射照度。
在根据本发明所述的恒星辐射照度相对测量装置中，优选地，所述标准恒星灰度计算单元获取多帧标准恒星的图像，再计算多帧图像的去除背景后的像素点灰度总和的平均值作为当前标准恒星的灰度。
本发明第三方面，提供了一种恒星辐射照度相对测量设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现如前所述的方法。
本发明第四方面，提供了一种恒星辐射照度相对测量系统，包括如前所述的恒星辐射照度相对测量设备以及与之连接的地基望远镜。
本发明第五方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现如前所述的方法。
实施本发明的恒星辐射照度相对测量方法、装置、设备、系统和计算机可读存储介质，具有以下有益效果：本发明利用已知的标准恒星辐射照度，进行未知的恒星辐射照度相对测量，得到未知恒星的辐射照度值，无需增加额外的定标设备，简化了对地基大口径望远镜的定标步骤，具备一定的工程应用价值。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的恒星辐射照度相对测量方法的流程图；
图2为根据本发明优选实施例的恒星辐射照度相对测量装置的模块框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为根据本发明优选实施例的恒星辐射照度相对测量方法的流程图。如图1所示，该实施例提供恒星辐射照度相对测量方法包括以下步骤：
首先，在步骤S1中，执行标准恒星灰度计算步骤，获取标准恒星的图像，计算图像中恒星区域去除背景后的像素点灰度总和作为当前标准恒星的灰度，根据当前恒星距离天顶的角度计算大气透过率，并根据当前标准恒星的灰度及大气透过率计算当前标准恒星在大气层外的灰度。
优选地，该步骤中可以利用地基望远镜获取多帧标准恒星的图像，再计算多帧图像的去除背景后的像素点灰度总和的平均值作为当前标准恒星的灰度。标准恒星是指该星的辐射照度随时间没有变化，例如织女星。本发明标准恒星的选取与待标定的地基望远镜的站址相关，通常选取观测仰角大于50°的标准星，以减小标准星辐射在大气中的传输衰减。
具体地，可以选取k颗标准恒星，k优选为3至10。对于第k颗标准恒星，先测量N帧图像，优选为20帧，一般为1分钟的测量时间。选定例如5×5的恒星区域，将恒星框定在该恒星区域内，则每个像素的灰度值为恒星的能量和背景能量的和，或者是背景的能量。同样地，在恒星附近区域选取5×5的背景区域，求其平均灰度值，利用以下公式计算每个像素去除背景后的像素点灰度为：
Figure BDA0002536831540000051
其中，DNk_ij为第i帧图像中恒星区域第j个像素点的灰度值，
Figure BDA0002536831540000052
为第i帧图像中背景区域的平均灰度值，即5×5的背景区域中所有像素点的平均灰度值。本发明中带下标k的参数均对应第k颗标准恒星的数据。
再将恒星区域所有的像素值进行求和，得到第i帧图像中恒星区域去除背景后的像素点灰度总和：
Figure BDA0002536831540000053
M为选取的恒星区域的像素点数量，如前述5×5的恒星区域的像素点数量为M＝25。
随后，将N帧图像求得的恒星灰度进行求和，得到观测的第k颗标准恒星的灰度：
Figure BDA0002536831540000054
由于经过了大气衰减，可以根据当前标准恒星的灰度及大气透过率计算当前标准恒星在大气层外的灰度，具体为：
Figure BDA0002536831540000055
其中，DNkk为第k颗标准恒星在大气层外的灰度，τ为大气透过率，可由MODTRAN软件计算得到，需要输入测量时刻的温度湿度压强的参数，该数据可由气象设备测量得到。天顶的透过率与斜程的透过率相比计算路径短，用MODTRAN软件计算，恒星的斜程透过率可由天顶的透过率推算得到，计算公式为：
Figure BDA0002536831540000056
其中τ0为地基望远镜天顶的整层大气透过率，θ为第k颗标准恒星距离天顶的角度，可由地基望远镜测量得到。
随后，在步骤S2中，执行关系拟合单元步骤，通过步骤S1获得多颗标准恒星在大气层外的灰度，并根据恒星星表数据获取对应标准恒星在大气层外的辐射照度，得到辐射照度与灰度的拟合公式。
优选地，该步骤中可以通过以下二次多项式拟合辐射照度与灰度：
L＝aDN2+bDN+c；
其中L为辐射照度，DN为灰度，a、b和c均为拟合系数。
例如，该步骤中可以获得上述多颗标准恒星在大气层外的灰度，如第一颗标准恒星在大气层外的灰度DN11，第二颗标准恒星在大气层外的灰度DN22，第三颗标准恒星在大气层外的灰度DN33，而第一颗标准恒星、第二颗标准恒星和第三颗标准恒星的辐射照度L11、L22和L33是已知的，由恒星星表数据可以得到，因此，可以由该数据进行二次多项式拟合，得到辐射照度与灰度的关系式，a为2次的拟合系数，b为1次的拟合系数，c为0次的拟合系数。
最后，在步骤S3中，执行辐射照度计算步骤，采集待测恒星的图像，并计算待测恒星在大气层外的灰度，根据所述拟合公式得到辐射照度。
该步骤S3中可以选用与步骤S1同样的方法利用同一地基望远镜测定待测恒星的图像，再计算图像中恒星区域去除背景后的像素点灰度总和作为待测恒星的灰度，再根据待测恒星距离天顶的角度计算大气透过率，并根据待测恒星的灰度及大气透过率计算待测恒星在大气层外的灰度。
在计算待测恒星在大气层外的灰度后，可以将该计算得到的待测恒星在大气层外的灰度带入上述拟合得到的二次多项式，即可得到辐射照度。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种恒星辐射照度相对测量装置。请参阅图2，为根据本发明优选实施例的恒星辐射照度相对测量装置的模块框图。如图2所示，该实施例提供的恒星辐射照度相对测量装置200至少包括：标准恒星灰度计算单元201、关系拟合单元202和辐射照度计算单元203。
标准恒星灰度计算单元201，用于获取标准恒星的图像，计算图像中恒星区域去除背景后的像素点灰度总和作为当前标准恒星的灰度，根据当前标准恒星距离天顶的角度计算大气透过率，并根据当前标准恒星的灰度及大气透过率计算当前标准恒星在大气层外的灰度。
优选地，标准恒星灰度计算单元201获取多帧标准恒星的图像，再计算多帧图像的去除背景后的像素点灰度总和的平均值作为当前标准恒星的灰度。
该标准恒星灰度计算单元201可以通过以下公式计算当前标准恒星的灰度：
Figure BDA0002536831540000071
其中，N为第k颗标准恒星的图像帧数，DNk_i为第i帧图像中恒星区域去除背景后的像素点灰度总和，且
Figure BDA0002536831540000072
M为选取的恒星区域的像素点数量，DNk_ij为第i帧图像中恒星区域第j个像素点的灰度值，
Figure BDA0002536831540000073
为第i帧图像中背景区域的平均灰度值。
标准恒星灰度计算单元201根据当前标准恒星的灰度及大气透过率计算当前标准恒星在大气层外的灰度，具体为：
Figure BDA0002536831540000074
其中，DNkk为第k颗标准恒星在大气层外的灰度，τ为大气透过率，并且
Figure BDA0002536831540000075
τ0为望远镜天顶的整层大气透过率，θ为第k颗标准恒星距离天顶的角度。
关系拟合单元202用于获得多颗标准恒星在大气层外的灰度，并根据恒星星表数据获取对应标准恒星在大气层外的辐射照度，得到辐射照度与灰度的拟合公式。
关系拟合单元202得到的辐射照度与灰度的拟合公式为：
L＝aDN2+bDN+c；
其中L为辐射照度，DN为灰度，a、b和c均为拟合系数。
辐射照度计算单元303，用于采集待测恒星的图像，并计算待测恒星在大气层外的灰度，根据所述拟合公式得到辐射照度。
本发明实施例还提供了一种执行恒星辐射照度相对测量方法的设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现如上述实施方式中恒星辐射照度相对测量方法。
本发明实施例提供了一种恒星辐射照度相对测量系统，包括如前所述的恒星辐射照度相对测量设备以及与之连接的地基望远镜。
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现如上述实施方式中恒星辐射照度相对测量方法。
本发明提出一种新的恒星辐射照度相对测量方法，该方法利用标准恒星进行未知恒星辐射照度的相对测量，省去了定标装置，实现了恒星的辐射照度测量，方法简便，成本低，为地基大口径望远镜定量测量恒星辐射提供了一种简易方法。
应该理解地是，本发明中恒星辐射照度相对测量方法及装置的原理相同，因此对恒星辐射照度相对测量方法的实施例的详细阐述也适用于恒星辐射照度相对测量装置。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种恒星辐射照度相对测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、获取标准恒星的图像，计算图像中恒星区域去除背景后的像素点灰度总和作为当前标准恒星的灰度，根据当前标准恒星距离天顶的角度计算大气透过率，并根据当前标准恒星的灰度及大气透过率计算当前标准恒星在大气层外的灰度；
S2、通过步骤S1获得多颗标准恒星在大气层外的灰度，并根据恒星星表数据获取对应标准恒星在大气层外的辐射照度，得到辐射照度与灰度的拟合公式；
S3、采集待测恒星的图像，并计算待测恒星在大气层外的灰度，根据所述拟合公式得到辐射照度。
2.根据权利要求1所述的恒星辐射照度相对测量方法，其特征在于，所述步骤S1中获取多帧标准恒星的图像，再计算多帧图像的去除背景后的像素点灰度总和的平均值作为当前标准恒星的灰度。
3.根据权利要求2所述的恒星辐射照度相对测量方法，其特征在于，所述步骤S1中通过以下公式计算当前标准恒星的灰度：
Figure FDA0002536831530000011
其中，N为第k颗标准恒星的图像帧数，DNk_i为第i帧图像中恒星区域去除背景后的像素点灰度总和，且
Figure FDA0002536831530000012
M为选取的恒星区域的像素点数量，DNk_ij为第i帧图像中恒星区域第j个像素点的灰度值，
Figure FDA0002536831530000013
为第i帧图像中背景区域的平均灰度值。
4.根据权利要求3所述的恒星辐射照度相对测量方法，其特征在于，所述根据当前标准恒星的灰度及大气透过率计算当前标准恒星在大气层外的灰度，具体为：
Figure FDA0002536831530000014
其中，DNkk为第k颗标准恒星在大气层外的灰度，τ为大气透过率，并且
Figure FDA0002536831530000021
τ0为望远镜天顶的整层大气透过率，θ为第k颗标准恒星距离天顶的角度。
5.根据权利要求1所述的恒星辐射照度相对测量方法，其特征在于，所述辐射照度与灰度的拟合公式为：
L＝aDN2+bDN+c；
其中L为辐射照度，DN为灰度，a、b和c均为拟合系数。
6.一种恒星辐射照度相对测量装置，其特征在于，包括：
标准恒星灰度计算单元，用于获取标准恒星的图像，计算图像中恒星区域去除背景后的像素点灰度总和作为当前标准恒星的灰度，根据当前标准恒星距离天顶的角度计算大气透过率，并根据当前标准恒星的灰度及大气透过率计算当前标准恒星在大气层外的灰度；
关系拟合单元，用于获得多颗标准恒星在大气层外的灰度，并根据恒星星表数据获取对应标准恒星在大气层外的辐射照度，得到辐射照度与灰度的拟合公式；
辐射照度计算单元，用于采集待测恒星的图像，并计算待测恒星在大气层外的灰度，根据所述拟合公式得到辐射照度。
7.根据权利要求6所述的恒星辐射照度相对测量装置，其特征在于，所述标准恒星灰度计算单元获取多帧标准恒星的图像，再计算多帧图像的去除背景后的像素点灰度总和的平均值作为当前标准恒星的灰度。
8.一种恒星辐射照度相对测量设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序，其特征在于，当计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～5中任一项所述的方法。
9.一种恒星辐射照度相对测量系统，其特征在于，包括权利要求8所述的恒星辐射照度相对测量设备以及与之连接的地基望远镜。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～5中任一项所述的方法。
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