[发明专利]一种空间天文宇宙线观测图像仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间天文宇宙线观测图像仿真方法，适用于仿真空间天文观测（主要指光学波段）中宇宙线在观测的CCD图像中的观测图像（效应），能够较真实地仿真出宇宙线的能量分布、形状结构等基本参数。为研发中的空间天文观测项目提供有力的仿真数据支持，达到真实有效地分析宇宙线对所观测的天体目标带来的干扰与影响，合理地评估科学目标观测实现的可行性。

背景技术

宇宙线对于天文观测的相机终端设备CCD（Charge Coupled Device：电荷藕合器件图像传感器）将会产生严重的干扰噪声影响，在CCD的靶面上会形成随机分布、形状各异的噪声点，这种噪声点对于天文观测中的主要天体科学目标的观测产生极大的干扰。无论是空间天文观测还是地面天文观测，宇宙线的干扰与影响都是不可避免的。如何较为真实地仿真天文观测图像中的宇宙线在CCD图像中的观测图像（噪声效应），对于研发中天文观测项目尤其是空间观测项目用来评估仪器的观测性能更具有重要的指导意义，但是真实地仿真宇宙线观测图像具有较大的难度。主要是因为宇宙线在观测图像上的噪声效应是由许多因素决定的。

根据宇宙线观测图像的产生机制：来自外太空的高能宇宙线（其主要成份是：质子、α粒子（氦核子）、原子核、电子、γ射线和中微子等）与CCD芯片的原子相碰撞激发出电子，激发的电子在CCD响应电路中的效果等同于光子在CCD中的响应，从而在CCD采集到的图像中会产生亮斑。这些亮斑在CCD上的位置分布是随机的，因为每次宇宙线粒子事件的位置是随机的。亮斑的形状是随机的，亮斑形状从一个像元到多个像元不等，地面观测受地球大气对于部分宇宙线事件的屏蔽作用的影响，大部分宇宙线事件在CCD像元上的影响仅为一个像元，而在空间观测中则占数个像元（最多能到十几个像元）。受到复杂空间环境如太阳活动活跃期或者卫星处于不同轨道位置而受地磁屏蔽的效果差异，遭受到的宇宙事件也会有很大的不同。

现有的宇宙线在CCD上的图像仿真方法是利用较为简单模型，如天文上流行的IRAF软件包mknoise主要是利用高斯分布的椭圆化的半长轴和半短轴来描述不同的宇宙线形状，这与现实中的宇宙线尤其是空间观测中宇宙线在CCD上的像斑形状有很大的差异。另外，该软件包未提供宇宙线能量的分布和遭受宇宙线事件数的计算参数和依据，这些参数在软件包中都是一个自由参量，具有很大的人为随机性，难以达到真实地仿真宇宙线在CCD中的观测图像，使其具有真实的宇宙线事件能量分布和轮廓形态结构的特性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种空间天文宇宙线观测图像仿真方法，该方法能够真实有效地仿真空间天文观测中宇宙线在CCD上生产的图像，为评估研发中的空间天文项目的科学目标和观测策略提供重要的仿真数据。

本发明的技术解决方案是：一种空间天文宇宙线观测图像仿真方法，步骤如下：

（1）根据需要仿真的空间天文观测仪器特性选择已存在的空间望远镜图像；

（2）对步骤（1）中选择的空间望远镜图像按照观测时的不同轨道位置进行分组，每一组图像都进行如下处理：

（2.1）提取图像中的每个宇宙线事件，构建宇宙线事件模板库；

（2.2）对针对每组图像构建的宇宙线事件模板库分别进行统计分析，统计单位像元面积单位时间内CCD靶面上所遭遇的事件数，记为宇宙线遭遇率CRsRate，宇宙线事件的能量分布，每个宇宙线事件所占像元数目；

（3）根据待仿真图像的信息，从宇宙线事件模板库中提取宇宙线事件；

（4）利用步骤（3）中提取的宇宙线事件生成仿真宇宙线图像，除宇宙线事件外图像中的其余像元为背景，其值设为零。

所述步骤（2.1）中提取图像中的每个宇宙线事件处理步骤如下：

（2.1.1）对一组空间望镜图像中同一视场观测三次或以上的原始图像进行平场、减本底、去暗流基本处理，并去除坏像素点；

（2.1.2）对步骤（2.1.1）处理后的同一视场的图像进行图像对齐处理；

（2.1.3）将对齐处理后的图像进行中值法合并处理；即所有图像的每个像元响应值pixval_i的中值作为合并后图像的相应像元的响应值pixval_com；

（2.1.4）将步骤（2.1.2）得到的对齐处理后的图像减去合并后的图像，即可得到宇宙线图像；