CN113916197B - 一种天球观测面积的预估方法及天球观测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天球观测面积的预估方法及天球观测系统，首先对整个天球采用HEALPix的方法进行等面积多次划分，得到多个面积相等的最小球面四边形，将所述最小球面四边形作为一个底层节点；其次，在需要预估的天球球面区域内，统计所述底层节点的数目和每个底层节点中的巡天观测信息，用于对天球观测面积的预估。采用HEALPix的方法，将整体天球划分成面积相等的任意节点，把每次观测区域的面积用节点的数目进行表示，对所有的观测进行迭代计算，最终给每个HEALPix底层节点赋予观测信息、根据底层节点所表示的面积及观测信息可预估出整体天球的观测面积，从而可以实现对天球的任意形状球面观测面积的预估。

Description

一种天球观测面积的预估方法及天球观测系统
技术领域
本发明涉及天文观测领域，具体涉及一种天球观测面积的预估方法及天球观测系统。
背景技术
在天文学研究中，巡天观测已经成为越来越重要的观测方式。斯隆数字巡天项目(SDSS)开创了巡天项目的先河，其产出也已经远远超过了哈勃空间望远镜的产出，在即将运行几个大规模的空间项目中，几乎都是要进行大规模的巡天观测。LSST是美国的一个地面的巡天观测项目，在光学波段计划用10年的时间覆盖18000平方度的天区；WFIRST是美国航天局(NASA)计划展开红外空间望远镜观测项目，计划用2年的时间进行超过2000平方度的天区观测；Euclid是欧空局(ESA)部署的将位于空间日地L2点的轨道上的天文观测项目，其主要也是进行红外观测，计划用6年的时间完成15000平方度的巡天观测；当然，对于科技实力日新月异的中国也在空间天文观测上有重大的部署，CSST是一台计划于2024年发射升空的从近紫外到近红外的空间光学望远镜，该望远镜也是主要用于巡天观测，计划用10年的时间完成17500平方度面积的多波段巡天观测。巡天观测是未来天文学研究的主要观测方法，而在巡天观测中无一避免的需要对天区面积进行计算，现有计算面积的方法中，基本都是针对规则天区进行面积计算，但是对于更加复杂的观测模式、不规则天区或者不确定的观测次数来说，这样计算并不准确，而且计算起来十分复杂，这样就需要一种直观简单可靠度比较高的方法进行面积计算。
发明内容
发明的目的是为了克服现有技术中存在的缺点，本发明旨在提供一种天球观测面积的预估方法和天球观测系统，解决现有技术中存在的技术问题。
本发明的上述技术目的将通过以下所述的技术方案予以实现。
一种天球观测面积的预估方法，包括如下步骤：
S1.对整个天球区域采用HEALPix的方法进行等面积多次划分，得到多个面积相等的最小球面四边形，将所述最小球面四边形作为一个底层节点；
S2.在需要预估的天球球面区域内，统计所述底层节点的数目和每个底层节点中的巡天观测信息，用于对天球观测面积进行预估。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤S1采用HEALPix的方法对天球区域进行等面积多次划分，包括：
S11)将所述天球区域利用三个互相垂直的大圆环进行分割，三个所述大圆环两两垂直相交，其中以赤道圈作为第一大圆环，在所述天球球面上形成6个顶点；
S12)所述三个大圆环分别被其中的4个顶点分成4段相等的弧线，在每条弧线上选取中点将弧线段等分，产生12个中点，将所述第一大圆环上的4条弧线段的中点分别与其它两大圆环上的弧线段的中点连接，通过该划分将整个天球球面划分成12个等面积的大的球面四边形；
S13)对每一个所述大的球面四边形进行再次划分：取对边的中点将每一所述大的球面四边形划分成四个小的球面四边形；
S14)继续步骤S13)，直到达到需要的精度为止，此时得到多个面积相等的最小球面四边形。
3.根据权利要求2所述的天球观测面积的预估方法，其特征在于，
所述S11)具体为：以所述天球的球体中心为圆心，选择所述天球的赤道圈作为第一大圆环，任意选取一个与所述第一大圆环垂直的经线圈作为第二大圆环，然后再选择一个经线圈，该经线圈的所在面与所述第一和第二个大圆环面均垂直，从而获得了相互垂直的三个大圆环，并且每个所述大圆环的半径均为所述天球的球体半径。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述最小球面四边形具有一定的面积，以每一个所述最小球面四边形的中点作为该底层节点的位置。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，整个天球区域利用HEALPix的划分方法设置为12叉树的结构，设置有多层节点，其中，第一层设置有12个节点，第一层的每一个节点设置为以4叉树的形式存在，之后的每个节点均为一个新的4叉树，在共有n层的情况下，最底层节点的个数为12×4(n-1)个，其中n≥1。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S2对所述天球观测面积进行预估，包括：S21)确定一次巡天观测天区的形状，以及观测的指向；
S22)根据指向，从HEALPix的顶层节点向下搜索，并且根据一次观测探测器所覆盖的范围，快速筛选出一部分HEALPix底层节点；
S23)根据探测器观测的范围对S22)中快速筛选的HEALPix底层节点进行细筛选；
S24)将巡天观测信息写入到S23)中细筛选出的所述底层节点中；
根据观测指向重复步骤S21)-S24)，直至巡天观测完成，通过每个所述底层节点中记录信息的统计，得到预估所述天球区域的观测面积信息。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述巡天观测信息包括观测波段信息、该观测波段下的观测累计时间或观测次数。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述天球区域为规则或不规则的形状。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，根据所述波段信息以及相应的累计观测时间或观测次数估计所述底层节点的观测深度，从而可以进一步预估对于同一波段不同观测深度所覆盖的面积。
本发明还提供了一种天球观测系统，所述观测系统包括探测器和天球，采用本发明的预估方法来预估所述探测器探测到的所述天球的观测面积。
本发明的有益技术效果
本发明提供的实施例，天球观测面积的预估方法，首先对整个天球进行等面积多次划分，得到多个面积相等的最小球面四边形，将所述最小球面四边形作为一个节点；其次，在需要预估的天球区域内，统计所述节点的数目和每个底层节点中的巡天观测信息，以达到对所述天球观测面积进行预估的目的。由于采用HEALPix的方法，将整体天球划分成面积相等的任意节点，利用这种等面积划分的特性，把每次观测区域的面积用节点的数目进行表示，对所有的观测进行迭代计算，最终可以给每个HEALPix底层节点赋予新的特征-被观测次数，通过底层节点被观测次数和底层节点所表示的面积就可以预估整体天球上被观测的面积以及观测区域内不同位置的观测次数等，从而可以实现对任意形状的天球的球面面积的预估。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1为本发明的实施例中的方法流程图；
图2为本发明实施例中HEALPix划分示意图；
图3为本发明实施例中的CSST焦面布局示意图；
图4为本发明实施例中判断HEALPix底层节点是否在探测器内的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明的一种天球观测面积的预估方法，包括如下步骤：
S1.对整个天球采用HEALPix的方法进行等面积多次划分，得到多个面积相等的最小球面四边形，将所述最小球面四边形作为一个底层节点；
S2.在需要预估的天球球面区域内，统计所述底层节点的数目和每个底层节点中的巡天观测信息，用于对天球观测面积进行预估。
如图2所示，HEALPix(Hierarchical Equal Area isoLatitude Pixelation of asphere)是一种能够将球面进行无限等分，从而能够对宇宙微波背景(the cosmicmicrowave background，CMB)各项异性进行统计分析，本发明中利用HEALPix方法对天球球面行等面积划分，步骤S1的具体过程如下：
1)将天球利用三个互相垂直的大圆环进行分割，即以天球球体的中心为圆心，首先，选择赤道圈作为第一个大圆环；其次，任意选择一个垂直该赤道圈的经线圈作为第二个大圆环；然后，再选择一个与第一圆环和第二圆环均垂直的经线圈作为第三大圆环，该第三大圆环所在的圆面与第一和第二大圆环所在的圆面垂直，这样获得了相互垂直的三个大圆环，并且每个大圆环的半径均为球体半径。三个大圆环两两垂直相交，在天球球面上总共形成6个顶点，每个大圆环被分成相等的4份，因此，三个大圆环上总共生成12条弧线段；
2)三个大圆环分别被4个顶点分成4段相等的弧线，在每条弧线上选取中点将弧线段等分，三个大圆环一共产生12个中点，将第一大圆环上4条弧线段的中点分别与相邻的第二和第三圆环上的弧线段的中点连接，通过该划分将整个天球球面划分成12个等面积的大的球面四边形；
3)对每一个大的球面四边形再次进行划分：对通过步骤2)获得的12个等面积的大的球面四边形，再次对每一个大的球面四边形均按照步骤2)的操作进行，即取该大的球面四边形每条边的中点，用球面的最短弧线将对边的中点相连，这样每一个大的球面四边形被划分成四个面积相等的小的球面四边形，这一步对大的球面四边形进行四等分划分；
4)继续步骤3)中的迭代划分，将步骤2)中划分的12个大的球面四边形每一个按照这种四叉树的树状结构对其不断的向下迭代划分，通过上述步骤的划分，每个大的球面四边形最终被划分为4(n-1)个等面积的最小球面四边形，每一个最小球面四边形作为一个底层节点，其中，n为层数，n≥1，以每一个最小球面四边形的中心作为其所表示的底层节点的位置，每一个最小球面四边形的面积表征该节点的面积，划分的层数越多，最终底层节点表示的面积越小，从而预估精度相应提高。
优选地，本发明将整个天球区域利用HEALPix的划分方法做成12叉树的结构，设置有多层节点，其中，第一层有12个节点，第一层的每一个节点又是以4叉树的形式存在，之后的每个节点均为一个新的4叉树，这样，假如总共划分n层，那么最末端的底层节点个数为12×4(n-1)个。整个天球面积为41253平方度，则每一个底层节点表示的面积为41253/(12×4(n -1))平方度。如上所述，将整个天球划分为12个四叉树树状结构，树状结构中的不同节点会存储不同信息，底层节点存储该底层节点位置、所表征面积、该节点的球面四边形覆盖范围、以及观测信息等，中间节点存储位置信息及该节点的球面四边形覆盖范围，上述节点的球面四边形覆盖范围用于加速搜索。
本发明中的HEALPix的划分方法，在将天球划分到一定层级后，停止继续划分，获得底层节点，由于其是对整个天球进行等面积划分，预估得到底层节点所表示的面积，每一个最小球面四边形均用其中点表示该底层节点在天球上的位置，每一次天文观测中，由于每一次天文观测都具有固定的观测范围和固定的观测波段，因此，通过判断所划分的HEALPix底层节点位置是否在观测范围内，在每个底层节点中记录其是否被观测或者被观测次数(时间)等信息，并且同时记录该底层节点观测的波段，最后通过统计被观测的HEALPix所有底层节点中记录的信息(每个底层节点都记录其面积和被覆盖的信息)，根据上述记录的信息可以预估接近真实的天球有效覆盖面积。
本发明中，步骤S2在需要预估的天球球面区域内，统计所述底层节点的数目和每个底层节点中的巡天观测信息，用于对天球观测面积进行预估，具体包括：S21)确定一次观测天区的形状以及观测的指向，通过上述两个信息可以得到该次观测所覆盖的范围在天球上的坐标位置；
S22)根据望远镜观测的指向信息(指向天球的一个坐标)，从HEALPix的顶层节点向下搜索，每个节点中均包含位置信和节点所在球面四边形粗略的覆盖范围信息，通过搜索快速的确定所选的HEALPix底层节点大致范围，具体方法为：假如一次观测所覆盖的范围为以指向为中心进行s平方度覆盖，我们在粗选过程中将此覆盖范围扩大为k倍，k大于等于2，即设置2倍甚至更高一些，这个范围可以简化为圆形区域半径表示，在每一层HEALPix的每一个节点中存储的覆盖范围信息为节点中心到HEALPix四边形最远的距离与扩大的探测器的半径值之和，这样根据每一层的节点这一扩大的覆盖范围值进行判断，判断指向坐标是否在当前节点这个粗选范围内，如果不在范围内，则该节点以及该节点所在层以下的节点均判定为不在观测范围内，不再进行后面的迭代判断，根据这一标准直至判断到最底层，从而选取出一定数量的底层节点，这些底层节点可能会属于不同的四叉树结构，并且这些底层节点比观测的范围会大；也就是说，在巡天观测时，根据指向从HEALPix的顶层节点向下搜索，并且根据一次观测探测器所覆盖的范围，根据指向位置和距离指向位置的距离(大于探测器的尺寸)做为判据进行快速筛选出一部分满足条件的HEALPix底层节点。
S23)根据探测器观测的准确的范围对于S22)中所选的HEALPix底层节点进行细筛选，通过底层节点的位置判断其是否在观测天区的范围内，剔除掉多余的底层节点；
S24)将观测信息写入到S23)中最终所得的底层节点中，包括观测的波段信息、观测次数、曝光时间等，这些信息是对观测过程的记录，随着观测过程不断进行更新；
根据观测指向重复步骤S21)-S24)，最终直至巡天观测完成，通过对每个HEALPix底层节点中记录信息的统计，预估天球上的观测面积信息，根据HEALPix节点是否被覆盖统计最终被覆盖的底层节点数目，通过底层节点的数目和底层节点所表征的面积预估天球的观测面积。
优选地，所述底层节点中记录的巡天观测信息包括观测波段信息以及在该观测波段下的观测累计时间或观测次数，利用这些信息可以按波段分别统计被观测的最底层节点数目以预估不同波段下天球的观测面积。
优选地，所述观测天区为天球上规则或不规则形状的区域，本发明的方法对观测天区的形状不作限制，无论观测天区是否为规则形状均可以采用本发明中的所用的HEALPix方法对天球进行等面积划分至底层节点，通过统计被观测底层节点的数目及巡天观测信息预估观测天区面积，因此，可以在巡天观测中较为准确的预估观测天区的面积、不同波段下观测天区的面积及同波段不同位置的观测次数(或累计积分时间)。
优选地，根据巡天观测信息的所述累计观测时间以及相应的波段信息结合观测设备的硬件条件(探测器的噪声)和观测环境(天光背景噪声)可以估计出所选底层节点在一定信噪比条件下的观测深度，从而可以进一步预估出对于同一波段不同观测深度所覆盖的面积。
综上，本发明的方法预估巡天面积的简单、快速并且准确，还可以将巡天的区域进行不同指标的划分，可统计出所覆盖的区域中的任何一个位置不同波段的覆盖情况以及观测时间等；还可以为巡天观测的数据质量提供一个标准，利用该方法经过S2步骤在底层节点中记录的累计时间信息可以准确的预估出不同位置的观测时间，通过累计观测时间以及相应的波段信息结合观测设备的硬件条件(探测器的噪声)和观测环境(天光背景噪声)可以估计出所选底层节点在一定信噪比的条件下的观测深度，进一步预估出对于同一波段不同观测深度所覆盖的面积。
本发明还提出一种天球观测系统，所述观测系统包括探测器和天球，采用本发明提供的预估方法来预估所述探测器探测到的所述天球的观测面积。
实施例1：中国空间站光学巡天项目(CSST)在焦面上同时有30个探测器，本发明结合CSST巡天项目对本发明的方法进行说明。CSST的焦面布局如图3所示，整个焦面由30块探测器组成，每块探测器上都有一个波段的滤光片，在黄经黄纬的坐标系下，以一块探测器的大小为天区大小对全天进行划分，需要对每个天区进行一次观测，这样可以保证焦面内所有的波段都达到一定的覆盖面积，图中GU、GV、GI表示无缝光谱的波段，波段的覆盖范围分别为255-400nm、400-600nm、600-1000nm，NUV、u、g、r、i、z、Y分别表示成像观测的7个波段，上述7个波段的覆盖范围分别为248-326nm、313-408nm、391-561nm、538-702nm、677-854nm、825-1000nm、914-1000nm。
假如我们对于整个天球球面进行12层划分，划分结果将球面等分为50,331,638个小的最小球面四边形，每个最小球面四边形的面积为0.0008196平方度，即为一个底层节点。对于划分的底层节点进行判断，判断其是否被多个波段覆盖。图3中示出焦面总共有30块探测器，需要判断上述划分的底层节点位置是否在模块探测器内，利用HEALPix划分的特性，将初始的12个大的球面四边形做成四叉树结构，这样形成了12个四叉树，在搜索中做了如下处理：
1)进行12个四叉树的划分；
2)对于每一个节点除了有位置信息，另设置一个节点的覆盖范围用来加速搜索，实际设置不需要非常准确的范围，但是范围最小要比探测器的范围要大，这样保证对临界点的判断；
3)对于上述结构进行搜索，粗略的确定覆盖点的范围，从头节点向下搜索，如果望远镜指向在当前节点的范围内，从该节点继续向下搜索，否则抛弃该节点以及该节点以下的所有节点，搜索直到底层节点为止；
4)对确定的范围内的覆盖点进行判断，判断是否在相应的探测器内，也就是说确定底层节点被哪个滤光片覆盖。图4是判断节点是否在探测器内，中间30个小的矩形表示CSST的探测器，30块组成CSST焦面，中心的三角表示指向位置，图中有圆点和星点两种，所有的圆点和星点表示通过S22)搜索粗略的确定需要判断的节点的范围，探测器中的星点表示通过S23)步骤精细的选出落在探测器内的底层节点，通过统计底层节点的数目结合巡天观测信息预估相应探测器探测到的天球的观测面积。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本发明所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。

Claims (7)

1.一种天球观测面积的预估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.对整个天球区域采用HEALPix的方法进行等面积多次划分，得到多个面积相等的最小球面四边形，将所述最小球面四边形作为一个底层节点，包括：
S11)将所述天球区域利用三个互相垂直的大圆环进行分割，三个所述大圆环两两垂直相交，其中以赤道圈作为第一大圆环，在所述天球球面上形成6个顶点，具体为：以所述天球的球体中心为圆心，选择所述天球的赤道圈作为第一大圆环，任意选取一个与所述第一大圆环垂直的经线圈作为第二大圆环，然后再选择一个经线圈，该经线圈的所在面与所述第一和第二个大圆环面均垂直，从而获得了相互垂直的三个大圆环，并且每个所述大圆环的半径均为所述天球的球体半径；
S12)所述三个大圆环分别被其中的4个顶点分成4段相等的弧线，在每条弧线上选取中点将弧线段等分，产生12个中点，将所述第一大圆环上的4条弧线段的中点分别与其它两大圆环上的弧线段的中点连接，通过该划分将整个天球球面划分成12个等面积的大的球面四边形；
S13)对每一个所述大的球面四边形进行再次划分：取对边的中点将每一所述大的球面四边形划分成四个小的球面四边形；
S14)继续步骤S13)，直到达到需要的精度为止，此时得到多个面积相等的最小球面四边形；
S2.在需要预估的天球球面区域内，统计所述底层节点的数目和每个底层节点中的巡天观测信息，用于对天球观测面积进行预估，所述S2对所述天球观测面积进行预估，包括：
S21)确定一次巡天观测天区的形状，以及观测的指向；
S22)根据指向，从HEALPix的顶层节点向下搜索，并且根据一次观测探测器所覆盖的范围，快速筛选出一部分HEALPix底层节点；
S23)根据探测器观测的范围对S22)中快速筛选的HEALPix底层节点进行细筛选；
S24)将巡天观测信息写入到S23)中细筛选出的所述底层节点中；
根据观测指向重复步骤S21)-S24)，直至巡天观测完成，通过每个所述底层节点中记录信息的统计，得到预估所述天球区域的观测面积信息。
2.根据权利要求1所述的天球观测面积的预估方法，其特征在于，所述最小球面四边形具有一定的面积，以每一个所述最小球面四边形的中点作为该底层节点的位置。
3.根据权利要求1所述的天球观测面积的预估方法，其特征在于，整个天球区域利用HEALPix的划分方法设置为12叉树的结构，设置有多层节点，其中，第一层设置有12个节点，第一层的每一个节点设置为以4叉树的形式存在，之后的每个节点均为一个新的4叉树，在共有n层的情况下，最底层节点的个数为12×4(n-1)个，其中n≥1。
4.根据权利要求1所述的天球观测面积的预估方法，其特征在于，所述巡天观测信息包括观测波段信息、该观测波段下的观测累计时间或观测次数。
5.根据权利要求1所述的天球观测面积的预估方法，其特征在于，所述天球区域为规则或不规则的形状。
6.根据权利要求4所述的天球观测面积的预估方法，其特征在于，根据所述波段信息以及相应的累计观测时间或观测次数估计所述底层节点的观测深度，从而可以进一步预估对于同一波段不同观测深度所覆盖的面积。
7.一种天球观测系统，其特征在于，所述观测系统包括探测器和天球，采用权利要求1-6任一项所述的预估方法来预估所述探测器探测到的所述天球的观测面积。
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