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1、关于fits文件的解析及光谱数据的提取,研究生前沿技术讲座,有关lamost的介绍光谱的介绍Fits文件的介绍我们的工作,一、Lamost简介,LAMOST为英语The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope Project,的缩写，汉语为大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（简称LAMOST)是一架横卧南北方向的中星仪式反射式密特望远镜。应用多镜面加主动光学技术和并行可控式光纤定位创新技术，使之成为大口径兼大视场光学望远镜的世界之最。由于它的4米口径，可以观测到20.5等的暗弱天体。
2、在5度视场上可以放置4000根光纤，同时获得4000个天体的光谱。望远镜建成后将安放在中国科学院国家天文台兴隆观测站。一九九六年正式立项为国家“九五”重大科学工程项目。总投资2.35亿元人民币。,其中主要的光谱观测路径如下图：,LAMOST每夜将观测上万个天体的光谱,其数据量是数京字节；而总的计划是观测上千万条光谱。因此LAMOST应该是一个全自动地进行观测运行和数据处理的系统，以最有效地获得观测数据和取得最大的科学成果。为此目的，LAMOST设计了一套完整的自动化观测与处理的软件，其中主要包括巡天战略系统(SSS)、观测控制系统(OCS)和数据处理系统(DPS)。,二、光谱的介绍,天体信息获
3、取的渠道1 电磁辐射（Electromagnetic radiation）光的辐射2 宇宙线 (Cosmic Rays)高能粒子流3 中微子 (Neutrinos)与一般物质作用极弱, 恒星和超新星核心 4 引力波 (Gravitational wave ) 加速质量,光速,极弱而在我们所要做的光谱就是光的辐射而获取的光谱，下面可以看电磁辐射的可见光窗口,Lamost天体光谱的采集：,下面我们给出天体光谱的一般情况示意图：,其中，可以看到一条谱线的基本特征，其中包括wavelength（宽度，即频率或波长），,intensity（强度或流量），谱线的轮廓，在轮廓中，我们可以看到突出的一些元素的
4、发射线，还有下凹的吸收线等。这样就引出了光谱学。,光谱学作为天体的最基本诊断工具，它是通过天体所发出的谱线来分析天体的性质，来研究天体，大体有以下几方面天体的性质和物理量： 运动学性质: 如视向速度Vr物理性质: T, P, M, B 等化学性质: 化学成分,元素丰度 峰值频率 （连续谱） 有效温度谱线位置，多普勒位移 化学元素，视向速度谱线强度 化学元素的丰富度谱线轮廓, 位置 速度场谱线强度, 宽度 温度, 压力, 重力Zeeman分裂, 偏振 磁场,下面给出几个光谱的二维示例图给出光谱的感性认识：恒星HD116608的光谱,在上图可以看到很多元素的发射线和吸收线,类星体类星体3C273光
5、谱 z = 0.158,三、Fits文件介绍,在天文学中，我们所存光谱的格式是按一定格式存储的，那就是fits文件格式。而我们做的工作就是如何在fits文件中抽取到我们所需要的数据进行集成，然后再进行批量的各项处理，如光谱的分类分析处理。首先，fits文件是由多个文件头和主要数据块组成的。一个fits文件中有七个Fits HDU，每个都包括 文件头（ASCII码）+数据记录。我们现在分析处理所需的为第0个数据头，下面给出其主要的文件头和数据记录的主要格式内容。其中文件头中包含：,Simple： 是否符合文件标准。BITPIX： 一个数据值的位数,有5种允许的情况,8位,16位,32位二进制整数
6、,浮点数(32和64位,按照IEEE标准)spectra classification 光谱分类SPEC_CLN 分类种类SPEC_QSO=3 表示类星体SPEC-HIZ-QSO=4 表示很大星移的类星体SPEC-STAR =1表示恒星,2表示星系STAR-LATE=6 表示晚恒星，M或更晚ECLASS 表示星系分类参数 ECOEFF1 表示膨胀系数SN_G = 8.04687000000000E+00 / Median S/N ration ig g 中间值Offset 表示偏移量所占字节数红移：Red-shift status， 用Z-STATUS表示红移状态,这些是主要的文件头的参数，可
7、以看出，跟据文件头定义的标准可以读出很多有关光谱的属性。在fits文件中，文件头的结束标志为”END”在文件的数据部分为8位字节流的形式存放。,第0条HDU,第1条HDU,第2条HDU,第3条HDU,第4条HDU,第5条HDU,第6条HDU,文件头,8位字节流形式fits数据,文件头,8位字节流形式fits数据,文件头,8位字节流形式fits数据,文件头,8位字节流形式fits数据,文件头,8位字节流形式fits数据,文件头,8位字节流形式fits数据,文件头,8位字节流形式fits数据,图示：fits文件头,下图为fits文件数据第0个HDU的节选图,四、Fits文件的读取,随着计算机技术、
8、互联网技术，特别是像软件开发工具的快速发展，天文软件也像其它门类软件一样得到了高速发展。天文软件的开发队伍中既有世界著名的软件公司、专业软件开发人员，也有酷爱软件编程的天文爱好者。现在的天文软件种类繁多，内容几乎涉及天文学的各个领域。这些软件的使用，无论是对专业的天文工作者还是业余时间玩玩天文的爱好者都提供了极大的方便。,（一）按用户群不同，天文软件可分为专业天文软件和业余天文软件。,美国国立光学天文台开发的IRAF（iraf.noao.edu/) 欧洲南方天文台开发的MIDAS （www.eso.org/projects/esomidas/) 用于天文图像处理的有美国国立射电天文台开发的AI
9、PS （www.cv.nrao.edu/aips/) 主要用于FITS文件处理的FTOOLS（heasarc.gsfc.nasa.gov)软件包由美国宇航局高能天体物理科学文献研究中心开发，现在的版本为fv4.3 alpha。,图1 fv4.3界面图示,（二）我们所做的fits文件处理,前面已介绍在fits文件处理有很多成熟的软件，比如在我国最常用的由美国航空宇航局高能天体物理科学文献研究中心开发的fv。但是，这些软件的一大缺点就是不能进行多条fits文件的读写。我们现在所做的就是进行多fits文件同时读写，将读出我们所需数据进行自动编号及整合处理。,首先，在上面已经介绍了fits文件的主要存
10、储格式，很显然，每个fits文件中包含一个主HDU，并有六个扩展头组成。我们以读主HDU为例，即第0部分。,我们进行的开发环境为visual 开发环境，语言为c#语言。在实现过程中，主要是文件读写的操作，所用到的主要文件I/O类如下。我们最常用到的就是最基本的FileStream类，它打开文件可惊醒读写字节操作，它是由Stream类抽象而来的，它的许多属性和方法都是从Stream类派生得到的。,由于fits文件的数据块部分为8位的字节流，所以我们就恰恰用到了FileStream类的读写字节的方法。但是FileStream类同样存在着一些问题，由于C#在强制类型转换方面的不灵活就导致了FileS
11、tream类的Read和Write方法是用并且只能使用字节数组，在读文件数据块中虽然起到了很好的作用，但在文件的其它操作方面增加了转换的复杂度和效率，不是很令人满意。为了解决这个问题，我们又用了System.IO类具有的几个专门用于文件读写的类。下面是对象的层次,Object,StreamReader,TextReader(抽象类),StringReader,TextWriter(抽象类),StreamWriter,StringWriter,MarshalByRefObject,Fits读取的具体实现： 主要实现的模块为读取文件头的方法、读取数据部分的方法、把fits文件读出转化为光谱的特定处
12、理格式.code文件的方法。,其中我们给出具体实现过程为：1、启动界面，选择读取的类型，即要读哪个头的数 据。然后选择好读出的fits文件要保存的目录以及.Code保存的名字。（注：在事项过程中，读出的每一条fits纪录都会以特定的格式保持原文件名进行存储，在每一条fits纪录中抽取主要数据追加到.code数据文件中以便以后的分析处理使用）,2、点击“浏览fits文件”按钮，进行fits文件的选择，可进行多个文件的选择， 如图：,3、点击文件打开对话框的“打开”按钮后，根据所选fits文件进行读取处理，并在进度信息中实时显示所读取的文件以及进度的快慢，直至文件处理完成。,在此fits文件处理中，由于文件IO是占用时间最长的，我们对运行速度做了一系列的代码优化，比如在写入文件中写入的格式等。 现在我们用.NET开发，现在的版本还只限于windows下，还没有作unix系统下的版本，跨平台还是一个问题。,谢谢大家！Q&A,
