發(fā)布時(shí)間：2020-10-25 18:13

　　 大型巡天望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)為天文學(xué)界帶來(lái)了海量的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的天文學(xué)研究方興未艾。以美國(guó)斯隆數(shù)字巡天(SDSS)和中國(guó)資助研發(fā)的郭守敬望遠(yuǎn)鏡(大天區(qū)多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡,LAMOST)為代表的光譜巡天,使得天文光譜觀測(cè)數(shù)據(jù)的信息量飛速擴(kuò)容,分析所獲取的天體光譜,可知其物理、化學(xué)和與運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì),限制天體的演化過(guò)程和宇宙分布等等。LAMOST望遠(yuǎn)鏡是國(guó)際天文界中視場(chǎng)最大、光譜獲取率最高的多目標(biāo)光譜望遠(yuǎn)鏡,率先實(shí)現(xiàn)同時(shí)觀測(cè)數(shù)千個(gè)天體光譜的大規(guī)模巡天工作。自2011年以來(lái)LAMOST已完成6年的大規(guī)模巡天觀測(cè),獲取了最大的恒星參數(shù)星表,存儲(chǔ)的DR5數(shù)據(jù)集已達(dá)到900多萬(wàn)條光譜,LAMOST獲取的天文大數(shù)據(jù)豐富了全球天文觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)�；谶@一寶貴數(shù)據(jù),我國(guó)的某些領(lǐng)域的天文學(xué)研究特別是銀河系研究擺脫了依賴(lài)國(guó)外望遠(yuǎn)鏡和數(shù)據(jù)的狀況,增強(qiáng)了我國(guó)天文學(xué)研究的整體實(shí)力。同時(shí),數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的天文研究也逐漸成為天文學(xué)研究的重要領(lǐng)域。本文從巡天數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)平臺(tái)處理、統(tǒng)計(jì)分析等方面展開(kāi)研究,提出光學(xué)系統(tǒng)中觀測(cè)光纖存在焦比退化問(wèn)題,并結(jié)合LAMOST實(shí)際觀測(cè)的解決方案進(jìn)行譜線擬合分析,從源頭上分析數(shù)據(jù)的可靠性;文中引入R語(yǔ)言分析LAMOST觀測(cè)A型恒星數(shù)萬(wàn)量級(jí)以上的海量光譜數(shù)據(jù),利用現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法及計(jì)算程序,實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理,相關(guān)性分析巡天觀測(cè)數(shù)據(jù)的分類(lèi)結(jié)果與LAMOST模板之間的系統(tǒng)性差異,以及在LAMOST海量光譜數(shù)據(jù)集中,回歸分析觀測(cè)比例較低但極具研究?jī)r(jià)值的早期A型恒星光譜,重新構(gòu)建LAMOST觀測(cè)數(shù)據(jù)B型恒星分類(lèi)模板。借助深度學(xué)習(xí)天文數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),實(shí)現(xiàn)高效處理海量的光譜數(shù)據(jù),有效提取并正確解釋數(shù)據(jù)信息所隱含的、未知的、有研究?jī)r(jià)值較的信息。本文開(kāi)展了如下4個(gè)方面工作:首先,依據(jù)LAMOST望遠(yuǎn)鏡調(diào)試階段的大芯徑光纖,由于焦比退化現(xiàn)象產(chǎn)生的出射環(huán)型斑貌,結(jié)合CCD光譜圖像特點(diǎn)實(shí)施輪廓擬合的抽譜方法,把二維CCD光譜圖像轉(zhuǎn)換成一維光譜,模擬LAMOST的紅端數(shù)據(jù),選取采樣點(diǎn)在5000?~6000?波段范圍,此波段包含鐵元素Fe發(fā)射線的譜線與獲得的環(huán)形斑輪廓卷積,分析焦比變化對(duì)Fe發(fā)射線峰值的影響,闡明正式巡天觀測(cè)時(shí),主鏡Mb前懸掛平場(chǎng)漫反射屏消除環(huán)形斑引發(fā)偏差的正確性。其次,引入R語(yǔ)言平臺(tái)應(yīng)用國(guó)際天文界的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式FITS加載RFITSIO軟件包,實(shí)現(xiàn)LAMOST巡天光譜數(shù)據(jù)讀取、編譯并運(yùn)行圖形化分析,較好地利用R語(yǔ)言挖掘和提取譜線樣本的主要特征,為高效地獲取挖掘天文光譜數(shù)據(jù)信息以及相應(yīng)的未知天文學(xué)知識(shí)奠定基礎(chǔ)。充分利用R語(yǔ)言應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,完成天文光譜的模式識(shí)別與數(shù)據(jù)挖掘等工作,提高了數(shù)據(jù)分析效率。文中結(jié)合LAMOST數(shù)據(jù)讀取、測(cè)試了R語(yǔ)言中的各類(lèi)軟件模塊,涵蓋數(shù)據(jù)擬合:數(shù)據(jù)建模、極值法、最小二乘法、最大似然法、非線性回歸;數(shù)據(jù)插值:內(nèi)插、樣條法;數(shù)據(jù)平滑:移動(dòng)平均、頻譜分析;距離分類(lèi):歐氏距離、馬氏距離;相關(guān)分析:自相關(guān)、交叉相關(guān)、圖像平移;高維數(shù)據(jù)降維:PCA等。運(yùn)用上述方法從天文數(shù)據(jù)中提取信息,為解釋天文學(xué)光譜譜線特征和探求未知種類(lèi)的海量稀有天體提供技術(shù)依托。針對(duì)LAMOST已發(fā)布F、G、K恒星光譜劃分Kurucz模板光譜對(duì)應(yīng)的參數(shù)空間網(wǎng)格,歸一化處理20多萬(wàn)條LAMOST實(shí)測(cè)光譜,經(jīng)距離計(jì)算比對(duì)Kurucz理論模板庫(kù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后,結(jié)果顯示LAMOST光譜測(cè)量物理參數(shù)質(zhì)量較高,具備極好的可靠性,為后續(xù)恒星大氣模型的優(yōu)化提供相應(yīng)的論證依據(jù)。再次,利用天文光譜中Lick線指數(shù)有效提取恒星特征。采用Astrostat軟件聚類(lèi)分析線指數(shù),實(shí)現(xiàn)多元線性回歸和隨機(jī)森林算法分析來(lái)估計(jì)A型恒星的有效溫度。解決隨機(jī)森林訓(xùn)練集數(shù)據(jù)范圍內(nèi),回歸預(yù)測(cè)模型解決過(guò)度擬合問(wèn)題。比較兩種回歸的結(jié)果,較好地分析解釋了數(shù)據(jù)之間的強(qiáng)相關(guān)性。使用嶺回歸方法解決最小二乘回歸法不穩(wěn)定的問(wèn)題,從而有效地利用線指數(shù)預(yù)測(cè)A型恒星的有效溫度,得出LAMOST大樣本的多維參數(shù)空間光譜線指數(shù)數(shù)據(jù)正確預(yù)測(cè)有效溫度的方法。最后,依據(jù)LAMOST已發(fā)布的DR5所有實(shí)測(cè)的B型恒星光譜,實(shí)施有監(jiān)督聚類(lèi)方法,得到絕大多數(shù)譜線被標(biāo)記為B6型(7662條)和B9型(3969條),選取ELODIE已發(fā)布的實(shí)測(cè)光譜庫(kù)B型光譜數(shù)據(jù),經(jīng)線性判別分析每個(gè)子類(lèi)型的類(lèi)內(nèi)距離,成功構(gòu)建出B型光譜子類(lèi)型的新分類(lèi)模板,完善LAMOST巡天數(shù)據(jù)的分類(lèi)模板庫(kù)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：P111
【部分圖文】：

LAMOST結(jié)構(gòu)示意圖

- 9 -圖 1.2 LAMOST 主動(dòng)光學(xué)示意圖Fig.1.2 The schematic diagram of active optical of LAMOST現(xiàn)有的光纖定位有兩種方法：磁扣法和孔板法。世界上光纖光譜望遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡多采用磁扣法，將光路通過(guò)小棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng) 90°進(jìn)入光纖入射端放置在棱鏡下，機(jī)器臂將每塊磁石吸附著鐵基焦面的基板，光纖延伸光線[56]，最多同時(shí)放置約 400 根光纖在焦面基板上，光纖入射光引到

哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文為此，磁扣法難于實(shí)現(xiàn) LAMOST 設(shè)計(jì)的 4000 根光纖同時(shí)排布的焦面板。美國(guó) SDSS 望遠(yuǎn)鏡放置光纖最多設(shè)計(jì) 660 根光纖，其僅能同時(shí)接收到約 600 個(gè)天體的光再轉(zhuǎn)換成光譜信息，美國(guó) SDSS 望遠(yuǎn)鏡則采用孔板法，按預(yù)先設(shè)定的坐標(biāo)直徑約 500mm 在鋁板上打孔，按已知的觀測(cè)天區(qū)換算天體坐標(biāo)到焦面板上[57]，但觀測(cè)前需要手動(dòng)插好 660 根光纖，再開(kāi)始觀測(cè)，此觀測(cè)方法若按 LAMOST 設(shè)計(jì)要求每個(gè)觀測(cè)夜要設(shè)置 5～6 個(gè)天區(qū)，即每個(gè)觀測(cè)夜需插拔 5～6 次，所以此種方法在 LAMOST 工程上，加工 4000 根光纖孔板法也是難以實(shí)現(xiàn)，也無(wú)法對(duì)如此大的一塊鏡面做出精確微調(diào)。LAMOST 排布增加至 4000 根光纖數(shù)量如圖 1.3 所示，國(guó)際上光纖板打孔插光纖和機(jī)械手放置光纖只能達(dá)到數(shù)百根，而對(duì)于直徑 1.75m 的成像焦面，4000 根光纖單元緊密而有序地分布著[58]，規(guī)定數(shù)分鐘內(nèi)，自動(dòng)定位系統(tǒng)將光纖按星表位置精確定位，最大定位誤差范圍限制 40μm 之內(nèi)。星光先后經(jīng)過(guò)兩面鏡子反射，傳給接收端 16 臺(tái)光譜儀。光譜儀處理天光線并按色譜分離成光譜，32 臺(tái)靈敏的 CCD 相機(jī)記錄著流量定標(biāo)后的光譜數(shù)據(jù)。
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