多波段天文数据获取与处理

Acquisition, Reduction and Analysis of Multi-wavelength Astronomical Data

课程属性:天文学-基础课程

学时学分:40学时、3学分

预修课程:高等天文学

教学目的、要求:

培训天文专业研究生了解现代天文学中观测数据的获取与处理、促进天文观测与数学物理知识的有机结合、扩大学生的天体物理知识视野。本课程涉及到天文观测方法、观测数据的获取,处理和分析,实用性强!每个专题都有数据处理的实战作业,对天文专业研究生训练其基本的研究能力,为从事天文学研究打下扎实的数据处理与分析的专业基础。

讲授内容:

一、天文数据分析(赵永恒,3次课)

1、天文数据分析介绍(3学时)

1.1 天文观测技术简介(1学时)

从数据处理角度介绍天文观测技术,包括望远镜和探测仪器、仪器效率和响应、观测所获取的数据及其处理要求。

1.2 统计学简介(2学时)

介绍概率论与数理统计的基本概念,包括误差产生与传递、概率分布、参数估计(点估计、区间估计)等。

介绍工作环境,基于python的编程环境,使用numpy、scipy、matlibplot软件包。

2、数据分析方法(3学时)

介绍天文数据的基本分析方法:

1)数据拟合:数据建模、求极值,最小二乘法、最大似然法、非线性回归;

2)数据插值:内插与外差,样条(插值、拟合、平滑);

3)数据平滑:移动平均,频谱分析;

4)相关分析:自相关、交叉相关,时延、图像平移;

5)时域分析:快速傅立叶变换、功率谱、小波变换;

6)Monte Carlo模拟,bootstrap方法。

3、模式识别与数据挖掘(3学时)

介绍在大数据的发展形势下,在天文学中应用的一些新型统计学方法:

1)高维数据降维:PCA;

2)自动分类:KNN,SVM,Beyes;

3)自动聚类:K均值,离群数据。

二、行星数据获取与处理(崔峻,3次课)

1、行星科学数据分析概述(3学时)

1、行星科学数据分析概述(3学时)

1.1、行星科学观测及科学数据简介(1学时)

行星科学不同于天文学的其他分支,数据获取的手段不仅仅依赖于天文望远镜观测,同时依赖于各种就位探测方式和遥感探测方式,而遥感方式又同时包括主动和被动两种不同模式。本节概述行星科学的特点,深空探测的历史,观测方式和数据的多样性,数据发布原则,数据获取方式,相关卫星轨道及姿态信息、行星轨道信息等。

1.2、行星科学中的就位探测(2学时)

在天文学中,就位探测是行星科学数据获取的特有方式。本节以质谱仪数据为例介绍行星科学中就位数据的特点,重点强调卫星本体电势、几何结构等对观测数据可能的影响,同时比较质谱数据和传统天文学中光谱数据的异同。

2、行星科学数据分析实战(6学时)

以Cassini卫星质谱仪数据为例,学习将计数信号转换为分子密度的方法。

2.1、本节介绍Cassini卫星质谱仪工作原理、数据文件的结构及所包含的信息。(1学时)

2.2、本节要求学生通过质谱数据计算氮分子、甲烷分子、氢分子和苯分子的密度分布,上述分子的计算过程比较直接,不存在不同分子间的信号耦合。(2学时)

2.3、本节要求学生通过质谱数据计算其他次要成分分子的密度分布,这些分子的计算过程相对复杂,存在不同分子间的信号耦合。(3学时)

学生在课程中, 可借助IDL等语言命令进行简单的数据操作、直线拟合及作图。

三、太阳数据获取与处理(颜毅华,4次课)

1、太阳活动现象与太阳光学与紫外观测 (3学时)

太阳是唯一一颗可在几乎所有参数(时间、波段/频谱、空间、偏振)上进行高精度和高分辩率观测的恒星,是天然的天体物理实验室。本节首先概述太阳活动现象及其观测、数据多样性与获取方式,然后介绍太阳光学与紫外波段的成像观测,主要是SOHO、Hinode、SDO等空间数据的获取与处理,最后简介在此基础上如磁场、温度等物理参数的计算与提取。

2、太阳X射线观测(3学时)

太阳是一个天然的加速器,会加速粒子与加热大气,产生高能辐射。本节简介太阳软X射线和硬X射线的谱与成像观测、数据处理,重点是RHESSI卫星与GOES卫星的数据获取与处理。

3、太阳射电观测(3学时)

太阳射电波段提供了与可见光、紫外和X射线观测互补的太阳大气等离子体的重要观测手段,可通过灵敏的太阳射电爆发提供太阳爆发活动能量初始释放的信息并提供诊断日冕磁场的实测工具。本节主要介绍法国米波射电日像仪(NRH)、日本野边山日像仪(NoRH)的成像观测及Wind、Steoro空间甚低频的频谱观测与处理,简介中国射电频谱日像仪观测与处理。

4、太阳多波段分析与软件介绍(3学时)

随着空间探测的发展,目前对太阳已有全时段、多视角观测,未来更向近日探测发展。本节简介国际上以及国内的未来太阳探测计划,包括NASA、ESA等未来发展,然后对国际上的太阳综合分析软件SSW/IDL进行综合介绍,实际上前述各节中太阳多波段的观测处理大部分基于这个软件平台。最后进行实践活动,实际了解太阳数据的处理过程。

四、光学红外数据获取与处理(吴宏,4次课)

1、光学红外天文望远镜及探测器(2学时)

1.1 天文望远镜简介(1学时)

天文学是一观测为主导科学,而观测就离不开望远镜。近代天文学发展的历史也就是天文望远镜的发展历史。本节从第一台的真正意义上天文望远镜介绍到未来二十年最大望远镜,从地面望远镜到空间望远镜,从可见光学望远镜到红外、紫外望远镜。同时简单介绍望远镜基本原理、结构和类型等。

1.2 光学红外探测器简介(1学时)

天体物理研究需要精确的测量天体的光度、位置、能谱,这必须依靠高精度的接收探测设备。本节介绍最传统的照相底片、现代的光学电子耦合探测器(CCD)以及近红外焦平面探测器。重点介绍CCD的工作原理与基本参数。

2、天体光度、分光测量(3学时)

2.1 天体光度测量(2学时)

本节介绍光学红外天文测量所用的不同星等定义系统,以及常用测光概念、滤光片系统,颜色、色余、消光等基本定义,以及一些典型天体的基本测光参数。

简单介绍天体光度测量基本方法

2.2 天体分光测量(1学时)

介绍天体分光测量的基本设备,分光光谱的一些基本参量的定义,以及天体发射线、吸收线的测量及方法。

3、天文数据获取及数据处理软件(3学时)

3.1 天文数据获取及数据存储格式FITS(1学时)

本节简单介绍国际常用恒星、星系天文数据库,并介绍天文标准图象、星表数据存储格式FITS的结构及读取方法。

3.2 天文图像、数据分析软件IRAF介绍(2学时)

介绍目前流行的天文图像、数据处理软件,重点介绍图像软件DS9,以及天文图像数据处理分析软件IRAF基本安装、结构、环境设置,IRAF天文应用包介绍,基本任务、基本命令、基本参数等介绍。

4、天体测光与天文图像数据处理(4学时)

4.1 天文观测、图像及分光基本数据处理(2学时)

介绍天文观测的基本流程和注意事项,天文测光观测基本数据处理流程和简单测光软件及原理,天体分光观测基本数据处理流程和软件。

4.2 天文测光数据处理实际操作(2学时)

本节要求学生能够完成最基本图像数据处理,以及完成从观测图像中测量观测天体一些基本信息,比如星等。

五、高能数据获取及处理(苟利军,3次课)

1、高能线数据简述(3学时)

1.1 高能观测的特点及其发展历史(1学时)

高能光子产生于宇宙间的激烈活动现象。作为能量辐射的最高端,这个波段的观测有着与众不同的观测要求及条件。我们将简单回顾高能观测的发展历史,望远镜和探测器的发展;以及各种各种望远镜观测模式的简单介绍与比较;高能观测和其他波段之间的区别及联系。

1.2高能观测取得的成就(2学时)

经过几十年努力,X射线望远镜的发展也经历了很大发展。做为最先进的望远镜的代表,Chandra, 至今已经运行15年。我们将以此卫星的发现结果为代表,从观测的角度来讲述我们在观测方面所取得成就。

2. 主要望远镜结构的介绍及其相关数据处理实践(6学时)

这个阶段不涉及到计算,但是要求计算机动手多一些。

2.1 以某个望远镜(Chandra或者XMM-Newton或其它)已有数据为例,介绍如何获取数据,以及不同观测模式下的观测流程,和不同观测模式下(像或光栅)的数据在处理方式上的差别。处理程序的获取及安装(包括HEASOFT, XSPEC, CIAO等)。本节希望学生理解观测模式的差异,以及如何选择。(1学时)

2.2 以具体数据实例,展示如何从原始数据得到光变曲线和光谱。本节要求学生能够了解和熟悉一些基本的处理流程。(1学时)

2.3 以XSPEC为例,让学生对XSPEC的整个分析流程有一个大概的了解,同时对一些常用模型有一个初步了解。(2学时)

2.4 以一个简化的黑洞的自旋测量过程为例,了解光谱分析的具体过程。同时学习简单脚本程序的编写。(2学时)

六、射电数据处理(李菂,3次课)

由于射电望远镜的独特技术特征,射电观测是认识宇宙重子物质,特别是宇宙气体的最强大工具之一。逐步进入正常运行的射电干涉阵ALMA,正在革命性地改变从行星形成到高红移星系等多个天体物理领域,包括揭示源恒星盘结构,前生命有机分子的形成,快速测量星系红移等。

本课程面向具有基本天文背景的研究生,介绍目前世界较为通用的射电天文观测手段和处理软件。为学生选择科研方向和计划从事相关的研究项目提供基本的知识框架。

1、射电望远镜基本原理和数据结构

1.1 射电望远镜 (1学时):介绍射电望远镜,特别是观测量的物理意义。

1.2射电光谱数据分析基础,辐射转移原理 (2学时): 建立观测量(天线温度,速度弥散等等和目标物理(热温度,湍流,密度等等)、化学参量(风度)的依赖关系。

2、单天线数据处理实例。

2.1 大型谱线巡天科学简介(1学时)

2.2 基于CLASS的谱线数据处理(2学时)事先安装CLASS。使用Class完成两个通用任务,精细结构谱线拟合及谱线成像。

3、干涉仪数据处理实例

3.1 射电干涉仪基础 (1学时)

2.2 基于CASA的干涉仪数据分析实例(2学时) 事先安装CASA。使用CASA完成两个基本任务,谱线认证和成像作图。

考核方式: 做项目作业(6次)+考试项目(每人数据不同:40%)。

授课教师简介:

颜毅华
中国科学院国家天文台台长助理、研究员、太阳物理研究部主任、太阳活动研究团组首席研究员,中国科学院太阳活动重点实验室主任
goffice(at)nao.cas.cn

研究领域:太阳物理学 天文技术与方法

社会任职:担任世界空间研究学会(WISER)太阳和日球工作组召集人及编辑委员会委员、国际日地物理委员会(SCOSTEP)科学专业代表(2008-)、国际无线电科联(URSI)射电天文分会中国代表、国际天文联合会(IAU)日食工作组委员(2006-),太阳活动委员会组委(2009-)等职。2012年在第28届国际天文学联合会大会上当选为太阳与日球专业委员会的副主席,任期为2012-2015年。

赵永恒
国家天文台大科学工程LAMOST项目总经理、研究员、博士生导师
yzhao(at)nao.cas.cn

研究领域:从事天文学和天体物理研究,主要包括活动天体的理论研究、高能天体的观测分析、多波段观测、数据分析技术、天文信息技术以及LAMOST项目的科学研究和工程管理等工作。

社会任职:中国天文学会常务理事 北京天文学会理事长

李菂
中国科学院国家天文台研究员 恒星形成及星际介质演化研究团组首席科学家 射电天文研究部首席科学家
dili(at)nao.cas.cn

研究领域:河内恒星形成的观测研究;射电天文仪器和技术;天体化学和光谱学;数据分析算法。

社会任职:澳大利亚国家望远镜设备指导委员会(ATSC)委员; Astrophysical Journal论文评阅人; JCMT和CSO观测申请评委; JPL Diversity and Inclusion 监督委员会成员; 康奈尔大学工程和物理科学图书馆咨询委员会成员; 美国天文学会成员;美国物理学会成员

苟利军
中国科学院国家天文台青年千人研究员 恒星级黑洞爆发现象研究创新团组负责人
lgou(at)nao.cas.cn

研究领域:Black hole physics and its properties (mass and spine), gamma-ray burst including its explosion mechanisms and afterglow evolution, high-energy astrophysics

We made a first-ever precise measurement to the distance, mass, and spin for the black hole in Cyg X-1 system which is the first black hole prototype. Using MCMC method, we did a multi-band and careful analysis to the afterglow of the first high-redshift Gamma-Ray Burst (GRB), GRB 050904, which is located at z=6.295, and compared its properties with the ones at low redshift.

崔峻
中国科学院国家天文台百人计划研究员,中国科学院月球与深空探测重点实验室常务副主任,行星物理研究团组首席科学家
cuij(at)nao.cas.cn

北京大学物理系学士,中国科学院国家天文台硕士,美国亚利桑那大学天文系博士,英国帝国理工大学物理系博士后。

研究领域:为行星大气及行星空间环境。

近年来学术成绩包括:(1)提出了类地行星夜间电离层形成的全新输运机制,是对传统碰撞电离机制的重要补充;(2)对于卡西尼质谱仪数据进行的分析被视为参考标准,基于这些数据发布的Titan热层、电离层特性被国际同行广泛认可并应用于建模;(3)针对行星大气逃逸的传统金斯模型提出了一个热传导修正模型,被成功应用于传统模型无法解释的Titan氢分子逃逸现象;(4)确定了Titan高层大气波动现象的物理本质,提出了一个基于成分效应和耗散效应推导基本波动参数的方法。崔峻曾广泛参与多项国际、国内重大深空探测项目,如卡西尼项目、嫦娥项目等。现为国际行星大气及演化委员会委员、国际空间探测协调组成员、并多次为ApJ、JGR、Icarus等国际主流SCI期刊审稿。曾主持多项国家自然科学基金项目。迄今为止共发表国际SCI期刊论文30篇,引文共计800余次。

吴宏
国家杰青 研究员
hwu(at)bao.ac.cn

研究领域:正常星系、相互作用星系、红外星系、红外类星体

承担科研项目:利用Spitzer、Herschel红外卫星数据研究近邻星系的性质。

软件环境介绍:

中国虚拟天文台在中国科学院科研信息化专项和国家发改委高技术服务业研发及产业化专项的资助下,以国内核心天文观测设备的时间申请、审批,数据汇交、共享、使用,课题设计、开展为线索,融合天文观测和科研活动所需的科学数据、科技文献、高性能计算、软件和实用工具等资源,打造了一个物理上分散、逻辑上统一的网络化科学研究平台;这个平台以中国天文数据中心的数据资源为基础,基于虚拟天文台技术和云计算技术,是一个全生命周期数据管理与开放共享平台。

本次课程所用的“多波段天文数据获取与处理软件环境”由中国虚拟天文台提供支持,为每一位同学免费提供虚拟机使用空间及云存储空间。

针对本门课程,我们准备了名为MADARA(Multi-wavelength Astronomical Data Acquisition, Reduction and Analysis Environment)的虚拟机模板。此模板中预装了本次课程需要用到的天文数据处理环境。按照使用说明的步骤操作,可以方便快捷地创建属于自己的虚拟机。

本模板使用Fedora21(32位)操作系统。根据课程安排预装以下软件:

课程内容 授课教师 预装软件
天文数据分析 赵永恒 Python 、Geany
行星数据获取与处理 崔峻 IDL
太阳数据获取与处理 颜毅华 SSW/IDL、JHelioview
光学红外数据获取与处理 吴宏 DS9、IRAF
高能数据获取及处理 苟利军 HEASOFT
射电数据处理 李菂 CLASS、CASA

软件环境使用说明下载:

教学大纲下载

软件环境使用说明下载

软件环境使用说明教学视频下载

课件及资料下载:

多波段天文数据获取与处理课件-天文数据分析1-赵永恒.ppt

多波段天文数据获取与处理课件-天文数据分析2-赵永恒.ppt

多波段天文数据获取与处理课件-天文数据分析3-赵永恒.ppt

多波段天文数据获取与处理资料-天文数据分析1-赵永恒.zip

多波段天文数据获取与处理课件-光学红外数据获取与处理1-1_吴宏.pdf

多波段天文数据获取与处理课件-光学红外数据获取与处理1-2_吴宏.pdf

多波段天文数据获取与处理课件-光学红外数据获取与处理2-1_吴宏.pdf

多波段天文数据获取与处理课件-光学红外数据获取与处理2-2_吴宏.pdf

多波段天文数据获取与处理课件-光学红外数据获取与处理2-3_吴宏.pdf

多波段天文数据获取与处理课件-光学红外数据获取与处理3-1_吴宏.pdf

多波段天文数据获取与处理课件-光学红外数据获取与处理3-2_吴宏.pdf

多波段天文数据获取与处理资料-光学红外数据获取与处理1_吴宏.zip

多波段天文数据获取与处理资料-光学红外数据获取与处理2_吴宏.zip

多波段天文数据获取与处理课件-高能数据获取及处理1_苟利军.pdf NEW

多波段天文数据获取与处理课件-射电数据处理1-李菂.pdf

多波段天文数据获取与处理课件-射电数据处理2-李菂.pdf

多波段天文数据获取与处理课件-射电数据处理2-CASAtutorils_SH.pdf