技术领域
[0001] 本
发明涉及
光学望远镜技术领域，特别涉及一种定量计算光学观测光污染的方法。
背景技术
[0002] 人类空间活动产生了大量的空间碎片，天文台的建立为空间碎片的观测提供了条件。但如今光污染严重，天文台的选址以及光学观测的分析研究受光污染影响较大，因此，对光污染的研究很有必要。
[0003] 目前来说，对光污染的分析研究，一部分研究人员主要采用全天相机、高
分辨率卫星、高分辨率
光谱仪等，观测夜天光
亮度，从而得到观测数据，根据观测数据进行光污染的分析；还有一部分研究人员采用光学望远镜，调节光学望远镜的仰
角以及方位角，观测夜天
光亮度，通过比较不同仰角以及不同方位角观测数据进行光污染的分析。
[0004] 但由于光污染是夜天光的组成部分，仅通过观测设备观测的夜天光亮度数据分析光污染，与真实结果存在较大的误差，不利于天文台的初期选址，也不利于光学观测过程中的分析研究。
发明内容
[0005] 针对
现有技术存在上述
缺陷，本发明提供了一种定量计算光学观测光污染的方法。
[0006] 本发明提供了一种定量计算光学观测光污染的方法，包括：
[0007] 建立黄道光
信号量仿真模型、气辉信号量仿真模型、
银河系
光信号量仿真模型以及大气散射光信号量仿真模型；
[0008] 利用光学望远镜进行实际夜天光观测，得到观测的夜天光亮度，根据观测的夜天光亮度计算得到夜天光观测信号量；
[0009] 根据光学望远镜的观测指向以及性能参数，考虑大气消光的影响，利用所建立的黄道光信号量仿真模型仿真计算得到黄道光信号量，利用所建立的气辉信号量仿真模型仿真计算得到气辉信号量，利用所建立的
银河系光信号量仿真模型仿真计算得到银河系光信号量，利用所建立的大气散射光信号量仿真模型仿真计算得到大气散射光信号量；
[0010] 根据得到的黄道光信号量、气辉信号量、银河系光信号量以及大气散射光信号量，求和计算得到夜天光信号量；
[0011] 将采用光学望远镜得到的夜天光观测信号量与仿真计算得到的夜天光信号量做差，计算得到光污染观测信号量。
[0012] 进一步地，根据观测的夜天光亮度得到夜天光观测信号量的公式，具体为：
[0013]
[0014] 式中：Msky为观测的夜天光亮度；Ssky为夜天光观测信号量；Qek为光学望远镜透过率和
量子效率的乘积；D为光学望远镜的口径；tint为曝光时间；FOVsca为单个
像素的视场。
[0015] 进一步地，光学望远镜的性能参数包括：口径、视场、量子效率。
[0016] 进一步地，所述利用所建立的黄道光信号量仿真模型计算得到黄道光信号量，具体包括：
[0017] 将光学望远镜的观测指向的坐标转换到黄道
坐标系；
[0018] 根据转换的黄道坐标系，利用线性插值法在黄道光信号查询表中查询转换的黄道坐标系对应的黄道光信号值；
[0019] 根据查询得到的黄道光信号值，仿真计算得到黄道光信号量。
[0020] 进一步地，仿真计算得到黄道光信号量的公式，具体为：
[0021]
[0022] 式中：Szod为仿真得到的黄道光信号量；Spec0(λ)为0等星的光谱数据；Hzod为根据黄道光信号查询表查询得到的黄道光信号值；QE(λ)为量子效率；AtmExt(λ)为大气消光的影响；λ为
波长；h为普朗克常数；c为光速。
[0023] 进一步地，所述利用所建立的气辉信号量仿真模型仿真计算得到气辉信号量，具体包括：
[0024] 根据采用的光学望远镜中滤光片的波长，利用线性插值法在气辉信号查询表中查询波长对应的气辉信号值；
[0025] 根据查询得到的气辉信号值，仿真计算得到气辉信号量。
[0026] 进一步地，仿真计算得到气辉信号量的公式，具体为：
[0027]
[0028] 式中：Sagl为仿真得到的气辉信号量；ZLOS为天顶角；Airg(λ)为根据气辉信号查询表查询得到的气辉信号值。
[0029] 进一步地，利用所建立的银河系光信号量仿真模型仿真计算得到银河系光信号量的公式，具体为：
[0030]
[0031] 式中：Sgal为仿真得到的银河系光信号量；Ngal为银河系光除太阳外的
恒星的信号量总量。
[0032] 进一步地，利用所建立的大气散射光信号量仿真模型仿真计算得到大气散射光信号量的公式，具体为：
[0033]
[0034] 式中：SSA为仿真得到的大气散射光信号量；FSA(0.55μm)为
太阳光谱在波长0.55μm处的一个通量；ES为太阳常数；fcorr为修正因子。
[0035] 本发明提供的一种定量计算光学观测光污染的方法，建立了黄道光信号量仿真模型、气辉信号量仿真模型、银河系光信号量仿真模型以及大气散射光信号量仿真模型；利用光学望远镜进行实际夜天光观测，得到了夜天光观测信号量；然后根据光学望远镜的观测指向以及性能参数，利用所建立的仿真模型分仿真计算得到黄道光信号量、气辉信号量、银河系光信号量以及大气散射光信号量；根据得到的黄道光信号量、气辉信号量、银河系光信号量以及大气散射光信号量，求和计算得到夜天光信号量；将采用光学望远镜得到的夜天光观测信号量与仿真计算得到的夜天光信号量做差，计算得到光污染观测信号量。该方法通过建立夜天光中除光污染外的其他组成部分的信号量模型，并与光学望远镜实测数据相结合，定量计算得到光污染信号量，避免通过观测设备观测的数据分析光污染时存在的较大误差，有利于天文台的初期选址以及光学观测过程中的分析研究。
附图说明
[0036] 图1为本发明
实施例提供的一个定量计算光学观测光污染的方法的
流程图；
[0037] 图2为本发明实施例提供的一个仿真计算得到黄道光信号量的方法流程图；
[0038] 图3为本发明实施例提供的一个仿真计算得到气辉信号量的方法流程图。
具体实施方式
[0039] 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一部分实施例，而不是全部实施例。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。
[0040] 参考图1，图1为本发明实施例提供的一个定量计算光学观测光污染的方法的流程图。本发明提供了一种定量计算光学观测光污染的方法，所述方法包括：
[0041] S1：建立黄道光信号量仿真模型、气辉信号量仿真模型、银河系光信号量仿真模型以及大气散射光信号量仿真模型；
[0042] S2：利用采用光学望远镜进行实际夜天光观测，得到观测的夜天光亮度，根据观测的夜天光亮度计算得到夜天光观测信号量；
[0043] S3：根据光学望远镜的观测指向以及性能参数，考虑大气消光的影响，利用所建立的黄道光信号量仿真模型仿真计算得到黄道光信号量，利用所建立的气辉信号量仿真模型仿真计算得到气辉信号量，利用所建立的银河系光信号量仿真模型仿真计算得到银河系光信号量，利用所建立的大气散射光信号量仿真模型仿真计算得到大气散射光信号量；
[0044] S4：根据得到的黄道光信号量、气辉信号量、银河系光信号量以及大气散射光信号量，求和计算得到夜天光信号量；
[0045] S5：将采用光学望远镜得到的夜天光观测信号量与仿真计算得到的夜天光信号量做差，计算得到光污染观测信号量。
[0046] 本发明实施例通过建立夜天光中除光污染外的其他组成部分的信号量模型，并与光学望远镜实测数据相结合，定量计算得到了光污染信号量，避免了通过相关设备观测的数据分析光污染时存在的较大误差，有利于天文台的初期选址以及光学观测过程中的分析研究。
[0047] 具体的，参考图1、图2以及图3，一种定量计算光学观测光污染的方法，包括：
[0048] S1：建立黄道光信号量仿真模型、气辉信号量仿真模型、银河系光信号量仿真模型以及大气散射光信号量仿真模型。在步骤S1中，根据实际条件以及光学望远镜参数，通过仿真
软件建立黄道光信号量仿真模型、气辉信号量仿真模型、银河系光信号量仿真模型以及大气散射光信号量仿真模型；其中黄道光信号量仿真模型、气辉信号量仿真模型、银河系光信号量仿真模型以及大气散射光信号量仿真模型为本领域技术人员已知的模型。
[0049] S2：利用光学望远镜进行实际夜天光观测，得到观测的夜天光亮度，根据观测的夜天光亮度计算得到夜天光观测信号量。在步骤S2中，利用光学望远镜进行实际夜天光观测时，首先设定光学望远镜的观测指向，根据光学望远镜观测t时刻的夜天光亮度，也就是夜天光观测星等值，根据夜天光观测星等值，计算得到夜天光观测信号量，便于光污染信号量的计算。其中，光学望远镜的观测指向既可以是方位角高度角，也可以是赤经赤纬，本步骤之后步骤所述的光学望远镜的观测方向都是指方位角高度角；若光学望远镜的观测指向为赤经赤纬，则需将赤经赤纬转换到方位角高度角，根据方位角高度角执行计算夜天光信号量的步骤。
[0050] 夜天光观测星等值与夜天光观测信号值相互转换的公式，具体如公式(1)所示：
[0051]
[0052] 式中：FOVsca为单个像素的视场；Msky为夜天光观测的亮度，也就是夜天光观测星等值；Ssky为夜天光观测信号量；Qek为光学望远镜透过率和量子效率的乘积；D为光学望远镜的口径；tint为曝光时间。
[0053] S3：根据光学望远镜的观测指向以及性能参数，考虑大气消光的影响，利用所建立的黄道光信号量仿真模型仿真计算得到黄道光信号量，利用所建立的气辉信号量仿真模型仿真计算得到气辉信号量，利用所建立的银河系光信号量仿真模型仿真计算得到银河系光信号量，利用所建立的大气散射光信号量仿真模型仿真计算得到大气散射光信号量。需要说明的是，仿真模型模拟的是与实际观测相同的条件，便于通过仿真模型仿真计算出t时刻的黄道光信号量、气辉信号量、银河系光信号量以及大气散射光信号量，从而进行t时刻光污染观测信号量的计算。
[0054] 在步骤S3中，光学望远镜的性能参数包括：口径、视场以及量子效率；大气消光的影响根据大气传播模型(大气传播模型为本领域技术人员已知的模型)，通过天顶角和大气消光数据计算得到，所以，在计算大气消光的影响之前，首先需根据光学望远镜观测指向的方位角高度角得到天顶角，根据天顶角利用公式(2)进行大气消光的影响的计算，具体计算公式如下：
[0055]
[0056] 式中：AtmExt(λ)为大气消光的影响，Ext(λ)为根据大气消光数据查询表查询得到的大气消光数据，ZLOS为天顶角，λ为波长；其中大气传播模型中存储有不同波长对应的大气消光数据的大气消光数据查询表，根据采用的光学望远镜中滤光片的波长，利用线性插值法在大气消光数据查询表中查询波长对应的大气消光数据。
[0057] 在步骤S3中利用所建立的黄道光信号量仿真模型计算得到黄道光信号量，具体包括：
[0058] S311：将光学望远镜的观测指向的坐标转换到黄道坐标系；
[0059] S312：根据转换的黄道坐标系，利用线性插值法在黄道光信号查询表中查询转换的黄道坐标系对应的黄道光信号值；
[0060] S313：根据查询得到的黄道光信号值，仿真计算得到黄道光信号量。其中，黄道光信号量仿真模型中存储有不同黄道坐标系对应的黄道光信号的查询表，根据转换的黄道坐标系，通过线性插值法能够得到黄道光信号值，利用公式(3)仿真计算即可得到黄道光信号量。计算黄道光信号量的公式(3)具体为：
[0061]
[0062] 式中：Szod为仿真得到的黄道光信号量；FOVsca为单个像素的视场；D为光学望远镜的口径；Spec0(λ)为0等星的光谱数据；Hzod为根据黄道光信号表查询得到的黄道光信号值；QE(λ)为量子效率；AtmExt(λ)为大气消光的影响；h为普朗克常数；λ为波长；c为光速；tint为曝光时间。
[0063] 在步骤S3中，利用所建立的气辉信号量仿真模型仿真计算得到气辉信号量，具体包括：
[0064] S321：根据采用的光学望远镜中滤光片的波长，利用线性插值法在气辉信号查询表中查询波长对应的气辉信号值；
[0065] S322：根据查询得到的气辉信号值，仿真计算得到气辉信号量。其中，气辉仿真模型中存储有不同波长对应的气辉信号值的气辉信号查询表，根据采用的光学望远镜中滤光片的波长，利用线性插值法在气辉信号查询表中查询波长对应的气辉信号值，根据查询得到的气辉信号值，利用公式(4)仿真计算即可得到气辉信号量。计算气辉信号量的公式(4)具体为：
[0066]
[0067] 式中：Sagl为仿真得到的气辉信号量；FOVsca为单个像素的视场；D为光学望远镜的口径；Airg(λ)为根据气辉信号查询表查询得到的气辉信号值；QE(λ)为量子效率；AtmExt(λ)为大气消光的影响；λ为波长；tint为曝光时间；ZLOS为天顶角；h为普朗克常数；c为光速。
[0068] 在步骤S3中，对银河系光信号量进行计算时，由于银河系中的恒星数目较多，所以可以将其看作一个均匀分布的面
光源，首先，利用公式(5)计算银河系光从除太阳外银河系中最亮恒星的星等起，直到22等的各星等恒星的信号量总量：
[0069]
[0070] 式中：Ngal为银河系光除太阳外的恒星的信号量总量；M为星等值；M0为出
太阳系外银河系中最亮恒星的星等。
[0071] 根据所计算的银河系光除太阳外的恒星的信号量总量，在考虑口径、视场、量子效率以及大气消光的影响的
基础上，根据所建立的银河系光信号量仿真模型，利用公式(6)得到银河系光信号量，具体为：
[0072]
[0073] 式中：Sgal为仿真得到的银河系光信号量；Ngal为银河系光除太阳外的恒星的信号量总量；FOVsca为单个像素的视场；D为光学望远镜的口径；Spec0(λ)为0等星的光谱数据；QE(λ)为量子效率；AtmExt(λ)为大气消光的影响；λ为波长；tint为曝光时间；h为普朗克常数；c为光速。
[0074] 在步骤S3中，由于建立的为夜天光信号量的仿真模型，所以大气散射光为除太阳光外，大气散射的所有光之和，这里主要考虑为黄道光、星等大于6的暗星和气辉的混合物，并假设大气散射光光谱类型与太阳光谱一致。根据大气散射光信号量仿真模型，利用公式(7)计算即可得到大气散射光信号量，具体如下：
[0075]
[0076] 式中：SSA为仿真得到的大气散射光信号量；FSA(0.55μm)为太阳光谱在波长0.55μm处的一个通量；D为光学望远镜的口径；QE(λ)为量子效率；AtmExt(λ)为大气消光的影响；λ为波长；FOVsca为单个像素的视场；tint为曝光时间；h为普朗克常数；c为光速；ZLOS为天顶角；ES为太阳常数；fcorr为修正因子。
[0077] 其中，修正因子fcorr表示如公式(8)所示，具体为：
[0078]
[0079] 式中：SUN(0.55μm)为太阳光谱在波长0.55μm处的值；ES为太阳常数。
[0080] S4：根据得到的黄道光信号量、气辉信号量、银河系光信号量以及大气散射光信号量，求和计算得到夜天光信号量。其中，所建立的夜天光信号量仿真模型不包括光污染信号量模型，所以，通过得到的黄道光信号量、气辉信号量、银河系光信号量以及大气散射光信号量能够得到除光污染信号量的夜天光信号量。
[0081] S5：将采用光学望远镜得到的夜天光观测信号量与仿真计算得到的夜天光信号量做差，计算得到光污染观测信号量。其中，用光学望远镜观测夜天光亮度得到的夜天光观测信号量，包括：黄道光观测信号量、气辉观测信号量、银河系光观测信号量、大气散射光观测信号量以及光污染观测信号量，通过与仿真模型得到的夜天光信号量做差，即可实现光污染观测信号量的定量计算。
[0082] 本发明实施例提供的一种定量计算光学观测光污染的方法，利用光学望远镜进行实际夜天光观测得到夜天光观测信号量；通过建立的黄道光信号量仿真模型、气辉信号量仿真模型、银河系光信号量仿真模型以及大气散射光信号量仿真模型，在考虑光学望远镜的观测指向以及性能参数的基础上，仿真计算得到黄道光信号量、气辉信号量、银河系光信号量以及大气散射光信号量，并求和得到夜天光信号量；通过将夜天光观测信号量与夜天光信号量做差，即可定量计算得到光污染观测信号量，避免了通过观测设备观测的数据分析光污染存在的较大误差，有利于天文台的初期选址以及光学观测过程中的分析研究。
[0083] 以上所述仅为本
申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
