一种基于红外星表的红外波段流量拓展计算方法
【专利摘要】本发明属于天基和地基光电观测领域，公开了一种基于红外星表的红外波段流量拓展计算方法，方法包括以下步骤：甄选已知红外星表，筛选符合要求的目标源，提取相应参数项；计算拓展星表中所有目标源的红外色指数，并基于色指数参数分类；基于等光度波长和等光度流量方法将拓展星表中四个波段的星等转化为基于等光度频率的流量；确定拓展星表中每颗星的流量拟合函数；根据织女星高精度光谱的连续谱拟合函数，确定拓展星表中拓展波段的等光度波长，等光度频率，及其对应的该波段分别以波长和频率表示的等光度流量；获得拓展星表中各目标源在拓展波段的流量值；以织女星在该波段的流量为流量零点，确定拓展星表中各目标源在拓展波段的星等。
【专利说明】
一种基于红外星表的红外波段流量拓展计算方法
技术领域
[0001] 本发明属于天基和地基光电观测领域，涉及一种基于红外星表的红外波段流量拓 展计算方法。 技术背景
[0002] 随着我国地基和空基在红外波段探测技术的发展，迫切需要与我国自主设备工作 波段相符的高精度红外星表，以实现为自主设备提供高精度的流量定标、定位和指向等支 持。目前国际上已有多个基于红外太空望远镜(包括美国的WISE、Spitzer，和日本的AKARI 等)获得的红外星表，但因为科学目标的不同，各太空望远镜都有自己独特的工作波段，因 此，形成的星表也只含有对应其特定工作波段的红外星等信息。我国自主红外设备同样拥 有自己独特的工作波段，目前国际上难以找到适合我国空间和地面红外设备特定波段定标 和定向等所需的近红外和中红外星表。
【发明内容】
[0003] 本方法主要针对目前国际上难以找到适合我国特定空间或地面红外设备定标和 定向等所需的近红外和中红外特定波段星表的难题，提出基于现有红外星表通过等光度波 长和等光度流量方法及高精度分类拟合方法实现红外波段的高精度拓展，从而生成红外任 意波段的高精度星表。本发明能够根据我国在建和将建的空间和地面红外设备的设计波段 要求，为其提供与设计波段一致的高精度红外星表，从而为其实现精确流量定标、定位和指 向提供有力保障。
[0004] 本发明由以下方案实现：
[0005] -种基于红外星表的红外波段流量拓展计算方法，所述方法将现有已知红
[0006] 外星表作为基本星表，通过等光度波长和等光度流量方法及分类拟合方法
[0007] 实现红外波段的拓展，生成红外任意波段的星表，所述红外任意波段的星
[0008] 表为拓展星表，所述方法包括如下步骤：
[0009] 步骤一:甄选已知红外星表，筛选符合要求的目标源，提取相应参数项；
[0010]步骤二:计算所述拓展星表中所有目标源的红外色指数，并基于色指数等参数精 确分类；
[0011] 步骤三:基于等光度波长和等光度流量方法将拓展星表中四个波段的星等转化为 基于等光度频率的流量；
[0012] 步骤四：确定所述拓展星表中每颗星的流量拟合函数；
[0013] 步骤五:根据织女星高精度光谱的连续谱拟合函数，确定织女星在拓展星表中拓 展波段的等光度波长、等光度频率、及其对应的该波段分别以波长和频率表示的等光度流 量；
[0014] 步骤六:获得拓展星表中各目标源在拓展波段的流量值；
[0015] 步骤七：以织女星在该波段的流量为流量零点，获得所述拓展星表中各目标源在 拓展波段的星等。
[0016]进一步地，所述步骤一具体包括：
[0017] (1)基于所需拓展波段和目标源的天空分布情况，调研和甄选适合的已
[0018] 知红外星表，用作拓展的基本星表；
[0019] (2)对基本星表坐标和各红外波段星等进行筛选，选出基本星表中所需四个波段 至少3个波段都有有效观测的目标源，形成拓展星表；
[0020] (3)提取拓展星表中各目标源四个波段的坐标和已知红外星等重要参数项，所述 四个波段从短到长依次用Wl、W2、W3和W4表示。
[0021] 进一步地，所述步骤二具体包括：
[0022] (1)计算拓展星表中所有目标源的红外色指数W1-W2、W2-W3和W3-W4;
[0023] (2)以拓展星表中的W2-W3色指数作为主判据，W2-W3色指数作为次判据，对拓展星 表中所有目标分类，共分为16个子类；
[0024] (3)以同时满足主判据和次判据为条件，选择每个目标所述四个波段流量零点相 应修正系数fc，按所属子类对每个目标对应所述四个波段进行流量零点修正；
[0025] (4)根据判断结果，在拓展星表中加入一列数，以记录判断结果，所述列命名为 color_n;所述color_n列的数值为a，a为整数。
[0026]进一步地，所述步骤三具体为：
[0027]以拓展星表中c〇l〇r_r^!j的数值为判据，将拓展星表中所述四个波段W1，W2，W3，W4 星等转化为基于等光度频率的流量；
[0028] 若color_n满足1兰color_r^4,则W1，W2，W3计算等光度流量的公式为：
[0029]
[0030] W4计算等光度流量的公式为： 「00311
[0032] 若color_n不满足1兰color_n^4,则用计算￥1，￥2，￥3，财四个波段的等光度流量 的公式均为公式(1)
[0033] 其中 X = l，2,3,4;
[0034] 巧.为某颗星在基本星表的WX波段的以频率表示的等光度流量，单位为Jy;
[0035] Fv(is〇)wx为WX波段织女星的以频率表示的等光度流量，单位Jy;
[0036] ./^xSWX波段该星以频率表示的流量零点的修正系数，无量纲；
[0037] mwx为该星在基本星表的WX波段星等。
[0038]进一步地，所述步骤四具体包括：
[0039] 以拓展星表中C〇l〇r_n的值为判据，确定拓展星表中每一颗星的流量拟合函数，并 确定函数方程式的对应系数，color_n的值为整数，我们根据color_n的值，分三种情况处理
[0040] (1)当color_n为满足-3<color_n<4条件的整数时，该星流量和频率用一个三次 样条函数拟合;所述三次样条函数是指在每个小区间内均为三次多项式的函数；
[0041 ] (2)当co 1 or_n为满足100彡co 1 or_n彡1131条件的整数时，该星流量的拟合函数 为：
[0042]
[0043] Fv为流量，单位Jy，从步骤三计算中获得；v为WISE每个波段的等亮度频率，单位 Jy;a和b都为常数系数，a的值等于color_n的值，b通过在公式(3)中输入WISE前3个波段和 流量求得；
[0044] (3)当C〇l〇r_nS"NULL"时，说明有相应波段星等数据异常，暂不对该星流量作任 何处理。
[0045] 进一步地，所述步骤五具体包括：
[0046] (1)因暂不清楚拓展观测设备的各波段相对谱响应RSR情况，暂以各波段RSR=1计 算，因此取中心波长为等光度波长；
[0047] (2)求出拓展波段对应的该波段等光度流量；
[0048] 基于公式(4).求得对应等光度波长处的织女星单色流量，即该波段等光度流量
[0049]
[0050] vFv=AFa 公式（5)
[0051 ]求出所述拓展波段以频率表示的等光度流量 [0052]
[0053] (3)根据公式(5)求出所述拓展波段的等光度频率
[0054]
[0055] Fa为波段等光度流量;Fv( i so)为波段以频率表示的等光度流量;v (i so)为等光度 频率;A(iso)为等光度波长；v(iso)单位 Hz，Fv(iso)单位Jy，A(iso)单位 mi，c = 2.99792458 X1014]im s_1，FA(iso)单位W cm-2ym_1，适用于2.5〈人<29iim。
[0056] 进一步地，所述步骤六具体包括：
[0057] 将步骤五获得的拓展星表所述拓展波段等光度频率代入步骤四的拟合函数和公 式(3)及步骤五的公式(4)，得到拓展星表中各星在所述拓展波段的流量值，所述流量值以 Jy为单位。
[0058]进一步地，所述步骤七具体包括：
[0059] 将步骤六获得的拓展星表中各星在所述拓展波段的流量值和步骤五获得的零等 星在所述拓展波段的等光度流量值代入
[0060]
[0061 ]其中，FV( i so) 为所述拓展波段目标源的等光度流量值，FV( i so) 〇为所述拓展 波段的零等星(即织女星)的等光度流量值。
[0062]获得拓展星表中各星在某一拓展波段的以织女星的流量为流量零点的星等，并用 类似的方法获得拓展星表其他拓展波段星等，完成拓展星表。
[0063]进一步地，所述基本星表为美国WISE太空望远镜全天释放源表。
[0064] 本发明的技术方案与现有技术相比具有如下技术效果：
[0065] (1)本发明的采用等光度流量方法实现对红外波段的拓展，相较于整个波段积分 等其他方法，在确保拓展准确前提下还具有运算更快和波段选择更加灵活的特点。
[0066] (2)本发明对基本星表采用精细分类，对每个类别的各个波段都采用了精确且独 特的零点修正，对不同分类各波段的能量分布采用了不同的拟合函数。本发明采用了基于 红外颜色指数的精细分类方法，针对WISE星表自身特点，共获得16种有效分类，并对每个类 别各个波段进行了不同的零点修正，此外，不同分类各波段的能量分布采用了不同的拟合 函数，这些确保了拓展的准确性。
[0067] (3)本发明有较好的拓展性。本发明以目前近红外和中红外天空覆盖最全的WISE 星表为基本星表，基于该基本星表实现WISE所覆盖最短波长和最长波长范围内及附近的任 意红外波段高精度拓展。但本方法的基本星表并不仅限于WISE星表，也可推广至其他红外 星表，甚至是光学或其他波段星表，从而实现任意波段的拓展。
【附图说明】
[0068] 图1为本发明的基于红外星表的高精度红外波段拓展方法研究流程图。
【具体实施方式】
[0069] -种基于红外星表的红外波段拓展方法，所述方法包括以下步骤：
[0070] 步骤一:甄选已知红外星表(WISE星表），筛选符合要求的目标源，提取相应参数项
[0071] (1)基于所需拓展波段和目标源的天空分布情况，调研和甄选适合的已知红外星 表，用作拓展的基本星表，如目前已实现全天观测覆盖的美国WISE太空望远镜（天文卫星） 全天释放源表（以下简称:WISE星表）
[0072] (2)对基本星表坐标和各红外波段星等进行筛选，选出符合要求的目标源，形成新 的拓展星表（以下简称"IR-TZ星表"）；
[0073] (3)对拓展星表中各目标源提取坐标和已知红外星等（四个波段从短到长依次用 Wl、W2、W3，和W4表示)重要参数项；
[0074] 因为观测条件所限，基本星表中，部分目标源只有4个波段中的某1-2个波段被观 测，未被观测的波段会标记为NULL，筛选主要是剔除有效波段数据少于3个的目标源。当然， 根据实际所选基本星表和实际需要拓展的波段情况，剔除限制也可选3以内的其他数值。
[0075]步骤二:计算拓展星表中所有目标源的红外色指数，并基于色指数等参数精确分 类
[0076] (1)计算IR-TZ星表中所有目标源的已知红外色指数，对于WISE星表中的(W1-W2)、 (W2-W3)、（W3-W4)
[0077] (2)以IR-TZ星表中的"colorw23"（即W2-W3色指数）作为主判据，"colorwl2"（即 W2-W3色指数)作为次判据，以同时满足主判据和次判据为约束条件，对IR-TZ星表中所有目 标分类，共分为16个子类。
[0078] (3)不同子类的WISE各波段流量零点修正系数fc都是不同的，当同时满足主判据 和次判据时，按所属子类对每个目标对应WISE各波段选择相应修正系数进行流量零点修 正，修正系数见表1.
[0079] (4)根据判断结果，在IR-TZ星表中加入题为"C〇l〇r_n"（其值为整数)的列，以记录 判断结果，记"color_n"值为a，a为整数。
[0080] 表1各子类每个目标对应WISE四个波段流量零点修正系数表
[0082] 步骤三:基于等光度波长和等光度流量方法将拓展星表中WISE四个波段的星等转 化为基于等光度频率v( iso)的流量Fv( iso)
[0083] 以IR-TZ星表中"color_n"的值为判据，将IR-TZ星表中WISE四个波段(W1，W2，W3， W4)星等转化为基于等光度频率v(iso)的流量Fv(iS〇)。
[0084] a)若"color_n"满足"1兰color_n兰4"中的任一值，贝1J用公式（1)计算前3个波段 (即W1，W2，W3)流量，并用公式⑵计算第4个波段(即W4)流量：
[0087] 其中Fvwx为某颗星在WISE的Wx(x = l，2,3,4)波段的以频率表示的等光度流量，单 位Jy;Fvwx( iso)为Wx波段织女星的以频率表示的等光度流量，单位Jy，对应于表2.中的"Fv* (i so)"项；f cwx为Wx (x = 1，2，3，4)波段该星以频率表示的流量零点的修正系数，无量纲，对 应于表1.中的"f_c(Wx)"项(x=l，2,3,4,当x=l时，SP为"f_c(Wl)"的项）;m(wx)为该星在 WISE的Wx波段星等。
[0088] b)其他情况，则四个波段均用公式(1)计算流量。
[0089]等光度流量方法介绍：与WISE系统保持一致、采用基于等光度波长（isophotal wavelengths，A( iso))和等光度流量（isophotal flux FA(is。)）的光谱重建方法（Tokunaga et al. 2005)，确定织女星在WISE四个波段的等光度波长Miso)分别为3.3526,4.6028， 11.5608，和22.0883m(ffright et al.2010)，对应此四个波长处的流量即为织女星在该波 段固有流量的平均值，称之为等光度流量Fa^c^WISE定义在其四个波段中，等光度流量与 织女星的等光度流量相同的流量为各波段流量零点（见表2)，该流量零点（星等零点）定义 方法同样应用在进行IR波段观测的美国Spitzer太空望远镜和日本AKARI太空望远镜。对于 光谱型与织女星不同的星，其谱能量分布（SED)与织女星也有差别，因此，对与不同光谱型 的星，其各波段流量零点也会作相应颜色修正。
[0090] 表2. WISE星等零点特性
[0092] 步骤四：确定拓展星表中每颗星的流量拟合函数
[0093] 以IR-TZ星表中"color_n"的值为判据，确定IR-TZ星表中每一颗星的流量拟合函 数。并确定函数方程式的对应系数。"color_n"的值为整数。我们根据 C〇l〇r_n的值，分三种 情况处理：
[0094] (1)当color_n为满足-3<color_n<4条件的整数时，该星流量和频率用一个三次 样条函数拟合。
[0095] 利用WISE前3个波段(11，12，13，14)的等光度频率奴4〇)(参见表2.)和每颗星的 在该波段的流量确定拟合参数;然后，以IR-TZ星表的某一拓展波段(Wm)的等光度频率vm (i so)作为输入量，程序输出量即为IR-TZ星表的该波段流量值Fvm，单位Jy。
[0096] (2)当color_n为满足100彡c〇lor_n<1131条件的整数时，该星流量的拟合函数为 公式(3).
[0098] Fv为流量，单位Jy，从步骤三计算中获得;v为WISE每个波段的等亮度频率，单位 办，￥的值从表2.中的第7列、(180)"中对应选取;3和13都为常数系数，3的值等于"〇〇1〇1'_11" 的值，b通过输入WISE前3个波段v(iso)和流量Fv求得。
[0099] (3)当C〇l〇r_nS"NULL"时，说明有相应波段星等数据异常，暂不对该星流量作任 何处理。
[0100] 步骤五:根据织女星高精度光谱的连续谱拟合函数，确定零等星在拓展星表中拓 展波段的等光度波长Am(iso)，等光度频率vm(is 〇)，及其对应的该波段以波长表示的等 光度流量FaTZ1 (i so)，及以频率表示的等光度流量Fv m (i so)
[0101] (1)因暂不清楚IR-TZ观测设备的各波段相对谱响应(RSR)情况，暂以各波段RSR = 1计算，因此取中心波长为等光度波长Xtzi( iso)。
[0102] (2)求出某一个拓展波段(Wm)的ATZ1(iS0)对应的该波段等光度流量FA TZ1(is〇)。
[0103] 利用Wright et al.2010中的公式(2)，获得公式(4)，并基于公式(4).求得对应等 光度波长处的织女星单色流量，即该波段等光度流量FUiso)。
[0105] A单位为ym，FA单位为W m_2iim_1，适用于2.5CV〈29iim
[0106] 根据vFv=人Fa 公式(5)
[0107] 求出该拓展波段(Wm)以频率表示的的等光度流量Fvm( iso)
[0109] 其中各量单位如下（"□"中）：Fv(iso)[Jy]，A(iso)[Mi]，c = 2.99792458X 1014ym s"1 ,Fa(iso)[ff cm^ym"1]
[0110] (3)根据vFv=AFa求出该拓展波段(Wm)的等光度频率vm (i so)。
[0112] 其中各量单位如下（"□"中）：v(iso) [Hz]，Fv(iso) [Jy],人（iso) [ym] ,FA(iso) [W -9 -in cm um」
[0113] 步骤六:获得拓展星表中各目标源在拓展波段的流量值Fv TZ1(iS〇)_rc；e5
[0114]将步骤五获得的IR-TZ星表某一拓展波段等光度频率(vm( iso))代入步骤四的拟 合函数和公式(3)及步骤五的公式(4)，得到IR-TZ星表中各星在该拓展波段的流量值Fv m (iso) source (以Jy为单位）。
[0115]步骤七：以织女星在该波段的流量为流量零点（即星等零点），获得拓展星表中各 目标源在拓展波段的星等
[0116]将步骤六获得的IR-TZ星表中各星在某一个拓展波段（WTZ1)的流量值Fv TZ1 (iS〇)_m和步骤五获得的零等星在该拓展波段的等光度流量代入公式(8)，获得IR-TZ星 表中各星在某一拓展波段(Wm)的以织女星的流量为流量零点（即星等零点）的星等，并用 类似的方法获得拓展星表其他拓展波段星等，完成IR-TZ星表。
[0118] 其中，？八4〇)_^为所述拓展波段的目标源的等光度流量值^八4〇)〇为所述拓 展波段的零等星(即织女星)的等光度流量值。
[0119] 利用该拓展方法基于WISE红外星表拓展至3.6um、4.5um、5.8um、8. Oum为中心波长 的四个波段得到拓展星表。与Spitzer卫星（另一红外卫星)官方星表比较误差分别为0.070 星等、0.158星等、0.226星等和0.249星等（其中还包含了两颗卫星彼此的系统差），验证了 该拓展方法是可彳目的。
【主权项】
1. 一种基于红外星表的红外波段流量拓展计算方法，所述方法将现有已知红外星表作 为基本星表，通过等光度波长和等光度流量方法及分类拟合方法实现红外波段的拓展，生 成红外任意波段的星表，所述红外任意波段的星表为拓展星表，其特征在于，所述方法包括 如下步骤： 步骤一:甄选已知红外星表，筛选符合要求的目标源，提取相应参数项； 步骤二:计算所述拓展星表中所有目标源的红外色指数，并基于色指数等参数精确分 类； 步骤三:基于等光度波长和等光度流量方法将拓展星表中四个波段的星等转化为基于 等光度频率的流量； 步骤四：确定所述拓展星表中每颗星的流量拟合函数； 步骤五:根据织女星高精度光谱的连续谱拟合函数，确定织女星在拓展星表中拓展波 段的等光度波长、等光度频率、及其对应的该波段分别以波长和频率表示的等光度流量； 步骤六:获得拓展星表中各目标源在拓展波段的流量值； 步骤七：以织女星在该波段的流量为流量零点，获得所述拓展星表中各目标源在拓展 波段的星等。2. 如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤一具体包括： (1) 基于所需拓展波段和目标源的天空分布情况，调研和甄选适合的已知红外星表，用 作拓展的基本星表； (2) 对基本星表坐标和各红外波段星等进行筛选，选出基本星表中所需四个波段至少3 个波段都有有效观测的目标源，形成拓展星表； (3) 提取拓展星表中各目标源四个波段的坐标和已知红外星等重要参数项，所述四个 波段从短到长依次用W1、W2、W3和W4表示。3. 如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤二具体包括： (1) 计算拓展星表中所有目标源的红外色指数W1-W2、W2-W3和W3-W4; (2) 以拓展星表中的W2-W3色指数作为主判据，W2-W3色指数作为次判据，对拓展星表中 所有目标分类，共分为16个子类； (3) 以同时满足主判据和次判据为条件，选择每个目标所述四个波段流量零点相应修 正系数fc，按所属子类对每个目标对应所述四个波段进行流量零点修正； (4) 根据判断结果，在拓展星表中加入一列数，以记录判断结果，所述列命名为C〇l〇r_ n;所述color_n列的数值为a，a为整数。4. 如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤三具体为： 以拓展星表中color_r^U的数值为判据，将拓展星表中所述四个波段11，12，13，14星等 转化为基于等光度频率的流量； 若color_n满足1兰color_n兰4，则Wl，W2，W3计算等光度流量的公式为：W4计算等光度流量的公式为：若color_n不满足1兰color_n^4,则用计算W1，W2，W3，W4四个波段的等光度流量的公 式均为公式(1) 其中 X=l，2,3,4; 为某颗星在基本星表的WX波段的以频率表示的等光度流量，单位为Jy; FV( iso)wx为WX波段织女星的以频率表示的等光度流量，单位Jy; /￡&SWX波段该星以频率表示的流量零点的修正系数，无量纲； mwx为该星在基本星表的WX波段星等。5. 如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤四具体包括： 以拓展星表中c〇l〇r_n的值为判据，确定拓展星表中每一颗星的流量拟合函数，并确定 函数方程式的对应系数，co lor_n的值为整数，我们根据co lor_n的值，分三种情况处理 (1) 当color_n为满足-3<c〇l〇r_n<4条件的整数时，该星流量和频率用一个三次样条 函数拟合;所述三次样条函数是指在每个小区间内均为三次多项式的函数； (2) 当color_n为满足100彡c〇lor_n<1131条件的整数时，该星流量的拟合函数为：Fv为流量，单位Jy，从步骤三计算中获得;v为WISE每个波段的等亮度频率，单位Jy; a和b 都为常数系数，a的值等于C〇l〇r_n的值，b通过在公式（3)中输入WISE前3个波段和流量求 得； (3) 当C〇l〇r_nS"NULL"时，说明有相应波段星等数据异常，暂不对该星流量作任何处 理。6. 如权利要求1-4任一所述方法，其特征在于，所述步骤五具体包括： (1) 因暂不清楚拓展观测设备的各波段相对谱响应RSR情况，暂以各波段RSR= 1计算， 因此取中心波长为等光度波长； (2) 求出拓展波段对应的该波段等光度流量； 基于公式4.求得对应等光度波长处的织女星单色流量，即该波段等光度流量vFv = ^Fa 公式(5) 根据公式(5)求出所述拓展波段以频率表示的等光度流量(3) 根据公式(5)求出所述拓展波段的等光度频率 Fa为波段等光度流量;Fv( iso)为波段以频率表示的等光度流量;v( iso)为等光度频率； 入（13〇)为等光度波长，（丨8〇)单位抱，？￥(18〇)单位办，人（丨8〇)单位11111，〇 = 2.99792458\1014 ym s_1，FA(iso)单位W cm-2tim_1，适用于2.5〈人<29iim。7. 如权利要求6所述方法，其特征在于，所述步骤六具体包括： 将步骤五获得的拓展星表所述拓展波段等光度频率代入步骤四的拟合函数和公式(3) 及步骤五的公式(4)，得到拓展星表中各星在所述拓展波段的流量值，所述流量值以Jy为单 位。8. 如权利要求7所述方法，其特征在于，所述步骤七具体包括： 将步骤六获得的拓展星表中各星在所述拓展波段的流量值和步骤五获得的零等星在 所述拓展波段的等光度流量值代入其中，？以4〇)_^(5为所述拓展波段的目标源的等光度流量值^￥(4 〇)()为所述拓展波 段的零等星的等光度流量值。 获得拓展星表中各星在某一拓展波段的以织女星的流量为流量零点的星等，并用类似 的方法获得拓展星表其他拓展波段星等，完成拓展星表。9. 如权利要求8所述方法，其特征在于，所述基本星表为美国WISE太空望远镜全天释放 源表。
【文档编号】G06F17/30GK106055700SQ201610430215
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】王汇娟, 米琳莹, 陈丽娜, 卢晓猛, 王建峰, 毛永娜, 葛亮, 兀颖, 金丽花, 伊成俊
【申请人】中国科学院国家天文台