面向时域天文的高精度测光研究

Wide field photometry sky survey will bring huge data for time domain astronomy. To increase observation efficiency, continuous observation of multiple stars is commonly applied. But the number of stars brings a new challenge to fast and high precision photometry. We propose a spatially variable Point Spread Function (PSF) model based on fuzzy math in this project to describe the PSF of images captured by the wide field telescopes. Based on this model, a high precision psf-fitting photometry method is proposed, which uses the PSF generated by laser guide stars as reference and the spatially variable PSF as frame to estimate PSF in the whole image plane, and then obtains the magnitude of stars with the estimated PSF. This method is fast and easy to accelerate data processing with batch mode. The system error of photometry in this method is within the error brought by atmospheric scintillation (1% to 0.1%) in a wide field of view (around 1 arcmin). The results of this project will provide a new idea and an effective method for the high precision time domain photometry sky surveying carried out by 2.4 m telescope in YNAO, KDUST and New Generation wide field sky survey telescope etc.

大视场测光巡天为时域天文学研究积累了大量数据。对于大视场测光，为提高观测效率，往往同时对视场内多个目标连续观测。由于观测视场大、目标多，快速、高精度地测光以最大限度发挥望远镜的观测能力成为一个新的挑战。本项目将模糊数学理论引入，建立一种描述大视场成像的空间可变点扩散函数模型，在此基础上，提出满足大视场巡天特点的点扩散函数模型拟合测光方法。这种方法利用激光导星作为位置固定、亮度稳定的参考目标，结合空间可变点扩散函数模型，获得点扩散函数的估计值，进而实现点扩散函数模型拟合测光。这种方法可在大视场内（1角分左右）将测光的系统误差降低至大气闪烁引起的误差之内（1%左右），观测效率高，数据后期处理速度快。研究结果可为我国未来在云南天文台2.4米望远镜、南极昆仑暗宇宙巡天望远镜（KDUST）及新一代大视场巡天望远镜等设备上开展的时域大视场高精度测光巡天提供一种新思路和有效手段。

望远镜大视场测光巡天可以为时域天文学积累大量数据，但是如何快速、高质量地处理这些测光数据，最大限度地发挥望远镜观测能力就成为了一个问题。本项目研究了影响大视场望远镜成像地主要因素之一：大气湍流。根据研究结果，提出了描述大气湍流廓线随时间变化的方法，并以此为基础确定了大气湍流变化的显著时标，我们发现这一时标和SDSS获取数据的点扩散函数变化时标相近。可以认为，大气湍流是主导点扩散函数变化的重要因素之一。基于此，我们研究了利用激光导引星和波前测量器获取参考点扩散函数，以获得的点扩散函数为基础进行全视场点扩散函数估计，并设计了相应的点扩散函数拟合测光和定位方法。由于实际使用时，望远镜口径较小同时视场较大，对参考的激光导引星有较高的要求。因此，我们利用获取图像中的星象开展了点扩散函数估计和相应测光定位算法的研究。我们分析了不同条件对于点扩散函数估计的影响，设计了一种基于主成分分析和自组织图的点扩散函数估计方法，利用估计的点扩散函数进行了天体测量。结果显示，与传统方法相比，估计的点扩散函数可以将天体测量精度提高一倍以上。利用模拟数据对进行了天体测光研究，结果表明我们的办法对于暗弱目标的测光精度提升明显。