LAMOST巡天光谱数据处理技术与分析应用

发布时间：2020-10-25 18:13

　　 大型巡天望远镜的出现为天文学界带来了海量的数据,数据驱动的天文学研究方兴未艾。以美国斯隆数字巡天(SDSS)和中国资助研发的郭守敬望远镜(大天区多目标光纤光谱望远镜,LAMOST)为代表的光谱巡天,使得天文光谱观测数据的信息量飞速扩容,分析所获取的天体光谱,可知其物理、化学和与运动学性质,限制天体的演化过程和宇宙分布等等。LAMOST望远镜是国际天文界中视场最大、光谱获取率最高的多目标光谱望远镜,率先实现同时观测数千个天体光谱的大规模巡天工作。自2011年以来LAMOST已完成6年的大规模巡天观测,获取了最大的恒星参数星表,存储的DR5数据集已达到900多万条光谱,LAMOST获取的天文大数据丰富了全球天文观测数据库。基于这一宝贵数据,我国的某些领域的天文学研究特别是银河系研究摆脱了依赖国外望远镜和数据的状况,增强了我国天文学研究的整体实力。同时,数据驱动的天文研究也逐渐成为天文学研究的重要领域。本文从巡天数据的获取、数据平台处理、统计分析等方面展开研究,提出光学系统中观测光纤存在焦比退化问题,并结合LAMOST实际观测的解决方案进行谱线拟合分析,从源头上分析数据的可靠性;文中引入R语言分析LAMOST观测A型恒星数万量级以上的海量光谱数据,利用现有统计学分析方法及计算程序,实现高效的数据处理,相关性分析巡天观测数据的分类结果与LAMOST模板之间的系统性差异,以及在LAMOST海量光谱数据集中,回归分析观测比例较低但极具研究价值的早期A型恒星光谱,重新构建LAMOST观测数据B型恒星分类模板。借助深度学习天文数据挖掘技术,实现高效处理海量的光谱数据,有效提取并正确解释数据信息所隐含的、未知的、有研究价值较的信息。本文开展了如下4个方面工作:首先,依据LAMOST望远镜调试阶段的大芯径光纤,由于焦比退化现象产生的出射环型斑貌,结合CCD光谱图像特点实施轮廓拟合的抽谱方法,把二维CCD光谱图像转换成一维光谱,模拟LAMOST的红端数据,选取采样点在5000?~6000?波段范围,此波段包含铁元素Fe发射线的谱线与获得的环形斑轮廓卷积,分析焦比变化对Fe发射线峰值的影响,阐明正式巡天观测时,主镜Mb前悬挂平场漫反射屏消除环形斑引发偏差的正确性。其次,引入R语言平台应用国际天文界的数据标准格式FITS加载RFITSIO软件包,实现LAMOST巡天光谱数据读取、编译并运行图形化分析,较好地利用R语言挖掘和提取谱线样本的主要特征,为高效地获取挖掘天文光谱数据信息以及相应的未知天文学知识奠定基础。充分利用R语言应用统计学方法,完成天文光谱的模式识别与数据挖掘等工作,提高了数据分析效率。文中结合LAMOST数据读取、测试了R语言中的各类软件模块,涵盖数据拟合:数据建模、极值法、最小二乘法、最大似然法、非线性回归;数据插值:内插、样条法;数据平滑:移动平均、频谱分析;距离分类:欧氏距离、马氏距离;相关分析:自相关、交叉相关、图像平移;高维数据降维:PCA等。运用上述方法从天文数据中提取信息,为解释天文学光谱谱线特征和探求未知种类的海量稀有天体提供技术依托。针对LAMOST已发布F、G、K恒星光谱划分Kurucz模板光谱对应的参数空间网格,归一化处理20多万条LAMOST实测光谱,经距离计算比对Kurucz理论模板库实验数据后,结果显示LAMOST光谱测量物理参数质量较高,具备极好的可靠性,为后续恒星大气模型的优化提供相应的论证依据。再次,利用天文光谱中Lick线指数有效提取恒星特征。采用Astrostat软件聚类分析线指数,实现多元线性回归和随机森林算法分析来估计A型恒星的有效温度。解决随机森林训练集数据范围内,回归预测模型解决过度拟合问题。比较两种回归的结果,较好地分析解释了数据之间的强相关性。使用岭回归方法解决最小二乘回归法不稳定的问题,从而有效地利用线指数预测A型恒星的有效温度,得出LAMOST大样本的多维参数空间光谱线指数数据正确预测有效温度的方法。最后,依据LAMOST已发布的DR5所有实测的B型恒星光谱,实施有监督聚类方法,得到绝大多数谱线被标记为B6型(7662条)和B9型(3969条),选取ELODIE已发布的实测光谱库B型光谱数据,经线性判别分析每个子类型的类内距离,成功构建出B型光谱子类型的新分类模板,完善LAMOST巡天数据的分类模板库。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P111
【部分图文】：

LAMOST结构示意图

- 9 -图 1.2 LAMOST 主动光学示意图Fig.1.2 The schematic diagram of active optical of LAMOST现有的光纤定位有两种方法：磁扣法和孔板法。世界上光纤光谱望远的望远镜多采用磁扣法，将光路通过小棱镜转动 90°进入光纤入射端放置在棱镜下，机器臂将每块磁石吸附着铁基焦面的基板，光纤延伸光线[56]，最多同时放置约 400 根光纤在焦面基板上，光纤入射光引到

哈尔滨工程大学博士学位论文为此，磁扣法难于实现 LAMOST 设计的 4000 根光纤同时排布的焦面板。美国 SDSS 望远镜放置光纤最多设计 660 根光纤，其仅能同时接收到约 600 个天体的光再转换成光谱信息，美国 SDSS 望远镜则采用孔板法，按预先设定的坐标直径约 500mm 在铝板上打孔，按已知的观测天区换算天体坐标到焦面板上[57]，但观测前需要手动插好 660 根光纤，再开始观测，此观测方法若按 LAMOST 设计要求每个观测夜要设置 5～6 个天区，即每个观测夜需插拔 5～6 次，所以此种方法在 LAMOST 工程上，加工 4000 根光纤孔板法也是难以实现，也无法对如此大的一块镜面做出精确微调。LAMOST 排布增加至 4000 根光纤数量如图 1.3 所示，国际上光纤板打孔插光纤和机械手放置光纤只能达到数百根，而对于直径 1.75m 的成像焦面，4000 根光纤单元紧密而有序地分布着[58]，规定数分钟内，自动定位系统将光纤按星表位置精确定位，最大定位误差范围限制 40μm 之内。星光先后经过两面镜子反射，传给接收端 16 台光谱仪。光谱仪处理天光线并按色谱分离成光谱，32 台灵敏的 CCD 相机记录着流量定标后的光谱数据。
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘超;邓李才;;LAMOST恒星光谱巡天与银河系恒星晕研究[J];物理;2015年04期

2 刘晓为;;LAMOST银河系大规模光谱巡天计划的进展和展望[J];物理;2015年04期

3 苏定强,王亚男;大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)的跟踪运动[J];天体物理学报;1997年03期

4 金文敬,唐正宏,王叔和,须同祺;LAMOST工程中天体测量要求的探讨[J];陕西天文台台刊;1999年01期

5 徐灵哲;;LAMOST总控系统消息总线研究[J];天文研究与技术;2008年03期

6 刘志刚;江晖;谢志林;;LAMOST光纤单元定位参数研究[J];光学技术;2010年02期

7 鹿建森;王建平;刘超;李小平;;基于LAMOST摄像机标定图像拼接技术[J];机械与电子;2008年04期

8 徐灵哲,徐欣圻;LAMOST异构平台通信研究[J];中国科学院研究生院学报;2004年04期

9 朱光华,罗阿理,赵永恒;LAMOST星系光谱的红移自动测量[J];光谱学与光谱分析;2005年06期

10 刘强;赵刚;闫宏亮;;我国科研人员利用LAMOST发现锂丰度最高的巨星[J];中国科学基金;2018年05期

相关博士学位论文 前10条

1 陈淑鑫;LAMOST巡天光谱数据处理技术与分析应用[D];哈尔滨工程大学;2019年

2 顾永刚;近景摄影测量在LAMOST光纤位置检测中的应用研究[D];中国科学技术大学;2010年

3 刘光曹;LAMOST望远镜的观测控制流程技术[D];中国科学技术大学;2010年

4 秦瀚钦;LAMOST二维数据处理方法研究[D];中国科学技术大学;2010年

5 张博;LAMOST光谱数据的二维处理关键技术研究[D];中国科学技术大学;2016年

6 姚仰光;LAMOST观测控制系统的建立与测试[D];中国科学技术大学;2008年

7 祝佳;二维光纤光谱数据处理中的若干关键技术研究[D];中国科学技术大学;2012年

8 冯明驰;光纤位置视觉测量的优化方法研究[D];中国科学技术大学;2014年

9 袁海龙;SSS巡天星表系统设计和光纤分配算法优化[D];中国科学技术大学;2011年

10 朱张勤;二维光纤光谱数据处理中的若干问题研究[D];中国科学技术大学;2011年

相关硕士学位论文 前10条

1 严云翔;LAMOST光纤焦比退化与扰模研究[D];哈尔滨工程大学;2015年

2 王翀;LAMOST光纤光谱图像中宇宙射线的检测和修复[D];中国科学技术大学;2010年

3 左芳;基于LAMOST恒星光谱的视向速度精度问题的研究[D];北京化工大学;2011年

4 李甦;基于LAMOST的光纤定位细分控制系统设计[D];中国科学技术大学;2015年

5 向俊敏;LAMOST光谱数据的可视化研究[D];山东大学;2014年

6 储王伟;LAMOST协同工作环境建设与其在天文教育上的应用[D];华中师范大学;2011年

7 王光沛;基于线指数的LAMOST恒星光谱聚类研究[D];山东大学;2015年

8 江晖;LAMOST焦面定位系统摄像机标定技术研究[D];中国科学技术大学;2010年

9 王生;LAMOST中的波长定标研究[D];中国科学技术大学;2011年

10 孟凡龙;LAMOST拼接异常光谱的分析与处理[D];山东大学;2017年

本文编号：2855779