喻業(yè)釗，韓金林

(1.中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，北京 100012；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

射電天空與觀測源分布可視化軟件

喻業(yè)釗1，2，韓金林1

(1.中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，北京 100012；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

射電天文觀測需要事先對(duì)射電源分布及天空背景有清晰的了解。目前國內(nèi)射電天文臺(tái)站缺乏射電天空與觀測源分布可視化軟件來對(duì)射電天空背景和觀測源進(jìn)行顯示。開發(fā)一款簡潔、移植性強(qiáng)的可視化軟件，方便觀測者直觀地了解射電天空，幫助他們制定合理的觀測計(jì)劃。該軟件使用C語言及PGPLOT子函數(shù)庫編寫，在Linux系統(tǒng)下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了星空的實(shí)時(shí)查詢和按時(shí)查詢，并支持用戶更改觀測臺(tái)站、天空背景和射電源表等。該軟件具有很好的擴(kuò)展能力，將面向國內(nèi)各天文臺(tái)站及天文愛好者開源發(fā)布。

射電天文；可視化軟件；PGPLOT；開源軟件

CN53－1189/P ISSN1672－7673

1932年卡爾·央斯基探測到來自銀河系中心的射電輻射，從此，射電波段成為天文觀測中一個(gè)重要的波段，是地基天文觀測在傳統(tǒng)光學(xué)窗口之外的新窗口。射電窗口的觀測波長范圍大致為0.1 mm～10 m，跨越了5個(gè)量級(jí)，比光學(xué)窗口(大約覆蓋0.35 μm～1 μm波長范圍)大了許多。通過這一嶄新的窗口，人們在短短幾十年的時(shí)間內(nèi)有了許多重要的天文發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)60年代4個(gè)重要天文發(fā)現(xiàn)，即:脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機(jī)分子，都是通過射電波段的觀測發(fā)現(xiàn)的。

不同于光學(xué)波段，天體在射電波段的輻射無法被人眼直接感知。國內(nèi)的天文臺(tái)及各天文網(wǎng)站上還沒有射電天空的實(shí)時(shí)顯示軟件，且一般的天文觀測者對(duì)射電天空了解較少，給天文觀測帶來些許不便。有些射電觀測人員在觀測時(shí)或觀測前計(jì)算射電源的地平坐標(biāo)值，以文本列表顯示，不夠直觀。德國馬普射電天文所早先開發(fā)的skyview軟件，僅針對(duì)某一固定地點(diǎn)顯示單一波段的銀河射電背景和一些射電強(qiáng)源。該軟件不開源發(fā)布，用戶無法根據(jù)自己的需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

國內(nèi)的射電天文臺(tái)越來越多，例如，目前已有密云50 m、昆明40 m、上海25 m、新疆南山25 m、新疆烏拉斯臺(tái)21CMA、德令哈13.7 m毫米波望遠(yuǎn)鏡、羊八井中德亞毫米波望遠(yuǎn)鏡等等。最近，新建的上海65 m射電望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)開始運(yùn)行，500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡正在緊張施工中，將來還有新疆奇臺(tái)110 m、China-ART。若能以直觀圖像實(shí)時(shí)、簡明地顯示任何觀測臺(tái)站與觀測相近頻段的射電天空背景，并顯示待觀測射電源位置、流量等必要信息，對(duì)天文觀測者制定射電觀測計(jì)劃會(huì)很有幫助。為此開發(fā)這款射電天空及觀測源可視化軟件，開源釋放給觀測人員及天文臺(tái)，使得觀測者及望遠(yuǎn)鏡操作人員能隨時(shí)直接看到射電源在可見天球上的位置。因此，這款軟件對(duì)射電觀測及射電天文科普都非常有意義。

1 軟件要求分析

考慮到射電天空可視化軟件主要面向?qū)I(yè)的天文觀測者，軟件應(yīng)做到簡單、方便，不需過多的美化。首先需要為軟件選擇一個(gè)合適的背景圖像。銀河系在射電波段比光學(xué)波段更為延展，在很多情況下銀河彌漫射電輻射可以是射電觀測的目標(biāo)。在觀測射電源時(shí)，銀河彌漫輻射又是系統(tǒng)噪聲中很強(qiáng)的天空背景噪聲。在不同射電波段，所探測到的銀河彌漫輻射的結(jié)構(gòu)不盡相同。不同天文臺(tái)的科學(xué)觀測目標(biāo)不同，需要了解不同射電波段的銀河系彌漫輻射背景。

為了讓用戶能直觀了解待觀測射電源的位置及天空背景信息，軟件必須以地平坐標(biāo)系繪制某一射電天文臺(tái)在任何時(shí)刻的銀河背景，并適當(dāng)標(biāo)注射電源的坐標(biāo)信息。此外，軟件應(yīng)能查詢顯示任意時(shí)刻的射電天空背景和射電源的位置，以方便觀測者制定合理的觀測計(jì)劃。

普適性和可擴(kuò)展性是這款軟件的關(guān)鍵。國外同類型軟件因?yàn)闆]有開源，用戶不能任意設(shè)定觀測臺(tái)站的地理位置，而且背景輻射內(nèi)容是在單一頻段。我們的射電天空可視化軟件，可使用戶根據(jù)自己的需要修改天文觀測臺(tái)站地點(diǎn)，顯示不同觀測波段的銀河背景輻射以及觀測目標(biāo)源的位置。

2 軟件實(shí)現(xiàn)及基本功能

2.1 開發(fā)環(huán)境

考慮到多數(shù)用戶的安裝及運(yùn)行問題，最終選擇在Linux環(huán)境下利用C語言調(diào)用PGPLOT圖形子程序庫來實(shí)現(xiàn)這一射電天空與觀測源可視化軟件。PGPLOT圖形子程序庫[1]是基于Fortran-77語言編寫的，并提供了一個(gè)C語言可用的庫(cpgplot)和頭文件(cpgplot.h)。鑒于PGPLOT的簡潔性和在天文科研工作者中的廣泛使用，在Linux環(huán)境下利用C語言調(diào)用cpgplot進(jìn)行繪圖，不僅能夠簡潔地實(shí)現(xiàn)可視化軟件所要達(dá)到的目標(biāo)，也使得可視化軟件便于大多數(shù)用戶安裝使用。

2.2 銀河彌漫背景輻射數(shù)據(jù)

針對(duì)國內(nèi)射電天文的發(fā)展?fàn)顩r，收集了多個(gè)頻段觀測的銀河彌漫輻射的實(shí)際全天巡天數(shù)據(jù)作為軟件界面的背景數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)均可從美國國家射電天文臺(tái)的SkyView虛擬天文臺(tái)[2]下載。虛擬天文臺(tái)搜集了從低頻射電波段到伽馬波段大量的天文觀測數(shù)據(jù)。選取的射電巡天數(shù)據(jù)包括:Jodrell Bank、Effelsberg和Parkes 3臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡在1965至1975年做的408 MHz波段全天射電連續(xù)譜巡天[3]；WMAP衛(wèi)星7年數(shù)據(jù)中23 GHz波段的全天數(shù)據(jù)[4]；Planck衛(wèi)星2013年發(fā)布的數(shù)據(jù)中的100 GHz、217 GHz和353 GHz 3個(gè)波段的全天數(shù)據(jù)[5]。這些銀河背景輻射數(shù)據(jù)均使用銀道坐標(biāo)系存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)中包括天球某點(diǎn)的銀經(jīng)、銀緯和射電輻射量等信息。為了優(yōu)化顯示效果，對(duì)數(shù)據(jù)中輻射值進(jìn)行了非線性處理，以增強(qiáng)最終成像的對(duì)比度。

2.3 基本界面背景的繪制

銀河彌漫背景射電輻射數(shù)據(jù)使用銀道坐標(biāo)存儲(chǔ)，而本文設(shè)計(jì)的天空可視化軟件必須使用觀測臺(tái)站當(dāng)?shù)氐牡仄阶鴺?biāo)系。所以在繪制射電天空時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，一般坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程如圖1。

圖1 坐標(biāo)變換基本流程Fig.1 The flowchart of coordinate conversions in the visualization software

可視化軟件可使用不同波段的銀河背景輻射數(shù)據(jù)作為背景。數(shù)據(jù)文件中包含多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，特征參數(shù)值包含位置坐標(biāo)和銀河射電強(qiáng)度，需要最終用圖像的顏色直觀表示出來。數(shù)據(jù)文件不明確寫出坐標(biāo)數(shù)值信息，繪圖時(shí)需要通過數(shù)據(jù)點(diǎn)的行列值推算得到銀經(jīng)和銀緯，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的輻射強(qiáng)度值賦給繪圖區(qū)域上相應(yīng)的點(diǎn)，完成背景的繪制。在實(shí)際繪制銀河射電圖像時(shí)，使用上述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換順序有時(shí)會(huì)遇到一些問題。因?yàn)閷?duì)銀河射電圖像進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可理解為一個(gè)將平面圖像變?yōu)榍蛎嬖僮優(yōu)榱硪粋€(gè)平面圖像的過程。這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致起初均勻分布的像素點(diǎn)在最終的平面圖像中變成非均勻分布，在極點(diǎn)附近區(qū)域圖像顯得尤為難看。另外PGPLOT不可以使用非均勻分布的像素點(diǎn)進(jìn)行繪圖，因此可視化軟件實(shí)現(xiàn)中采用一種新的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換思路實(shí)現(xiàn)繪制銀河背景的功能(圖2)。具體實(shí)現(xiàn)方法如下:

(1)按順序取繪圖區(qū)域中的一點(diǎn)，將其坐標(biāo)通過多次坐標(biāo)變換到銀道坐標(biāo)；

(2)找出該銀道坐標(biāo)點(diǎn)落在銀河射電背景數(shù)據(jù)列表中的大致位置；

(3)計(jì)算該點(diǎn)與鄰近數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離，將距離最近的數(shù)據(jù)點(diǎn)的值賦給該繪圖點(diǎn)；

(4)循環(huán)直至繪圖區(qū)域所有點(diǎn)均獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)值。

這一改進(jìn)的坐標(biāo)變換思路只需對(duì)可視天區(qū)的半個(gè)天球上的輻射進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和繪圖，而不需要處理整個(gè)天球的信息，節(jié)約了大概一半的計(jì)算量。最后把繪圖區(qū)域中每個(gè)像素點(diǎn)的輻射值調(diào)用cpgimag()語句直接繪制出來。使用cpgimag()時(shí)，要求用戶提供一個(gè)數(shù)組對(duì)繪圖數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行最終定位及轉(zhuǎn)換。提供給cpgimag()函數(shù)的數(shù)據(jù)是用地平坐標(biāo)表示的，而地平坐標(biāo)與顯示屏幕的坐標(biāo)之間是一個(gè)簡單的線性關(guān)系。通過簡單設(shè)定函數(shù)所需的數(shù)組，就可以實(shí)現(xiàn)從地平坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

圖2 繪制銀河射電背景改進(jìn)流程Fig.2 The modified flowchart of drawing the Galactic radio background in the visualization software

完成背景繪制后再標(biāo)注地平坐標(biāo)的坐標(biāo)軸、坐標(biāo)值、方位點(diǎn)等信息，然后在界面邊上標(biāo)明觀測臺(tái)站名稱、經(jīng)緯度、當(dāng)前時(shí)間等信息，這樣射電天空背景的可視化就實(shí)現(xiàn)了。

根據(jù)用戶設(shè)定的觀測臺(tái)站和觀測波段，軟件可以自動(dòng)讀取計(jì)算機(jī)時(shí)間，讀取已有臺(tái)站數(shù)據(jù)文件中相應(yīng)臺(tái)站的地理坐標(biāo)，由此計(jì)算得到觀測地當(dāng)前的射電天空?qǐng)D像。通過定期更新圖像，用戶可以對(duì)射電天空進(jìn)行常態(tài)監(jiān)測。為節(jié)省計(jì)算機(jī)中央處理器的計(jì)算量，常態(tài)顯示時(shí)使用sleep()功能每5 s更新一次圖像。實(shí)時(shí)顯示銀河彌漫的射電輻射背景是本軟件最基本的一個(gè)功能。

2.4 選擇不同觀測臺(tái)站

考慮到不同觀測臺(tái)站地理位置不同，應(yīng)該允許用戶設(shè)置觀測臺(tái)站位置。已經(jīng)收集了多個(gè)臺(tái)站的地理位置可供用戶直接選擇。如果所需天文臺(tái)站位置不在列表里面，用戶可以根據(jù)需要加入自己的地理位置。軟件會(huì)自動(dòng)讀取該地理位置，顯示當(dāng)?shù)氐纳潆娞炜铡?/p>

2.5 展示不同波段射電天空

因?yàn)椴煌煳呐_(tái)能觀測的波段不同，或者觀測者需要在不同波段觀測，軟件可以將不同波段的射電背景輻射的巡天數(shù)據(jù)用于天空背景顯示。在運(yùn)行軟件時(shí)，用戶可選擇使用任意一個(gè)波段，軟件會(huì)自動(dòng)選擇頻率最接近的射電天空背景數(shù)據(jù)。為了適應(yīng)用戶的需求，軟件也允許用戶自行加載新的背景數(shù)據(jù)。

2.6 顯示待觀測的多種射電源

不同的科學(xué)觀測目標(biāo)不盡相同，軟件可以選擇加載校準(zhǔn)源[6]、脈沖星等射電源數(shù)據(jù)[7]，顯示其位置和名稱等必要信息。只要射電源表符合簡單的格式要求，包含射電源名稱、赤經(jīng)赤緯、觀測波段及相應(yīng)波段的流量值，軟件就能讀取其中必要的信息，在實(shí)時(shí)顯示的天空上做標(biāo)記。不同源表的射電源可用不同的標(biāo)志和顏色進(jìn)行標(biāo)記。一個(gè)源表在可見天區(qū)中少于等于20個(gè)射電源目標(biāo)時(shí)，軟件會(huì)在界面上標(biāo)注射電源的名稱。

2.7 查詢?nèi)我鈺r(shí)刻射電天空

用戶在制定觀測計(jì)劃時(shí)，往往需要知道在未來某一時(shí)刻射電源的位置，所以軟件提供了相應(yīng)的查詢功能?？紤]用戶的實(shí)際需要，軟件可顯示任意日期任意時(shí)刻的射電天空和射電源位置。如果用戶不輸入時(shí)間，軟件會(huì)默認(rèn)使用當(dāng)前時(shí)間。

2.8 顯示望遠(yuǎn)鏡指向

軟件從望遠(yuǎn)鏡控制計(jì)算機(jī)獲得望遠(yuǎn)鏡指向信息，并在圖中用相應(yīng)的標(biāo)記表示，有利于觀測人員及時(shí)規(guī)劃和調(diào)整觀測進(jìn)程。當(dāng)沒有連接望遠(yuǎn)鏡控制計(jì)算機(jī)的時(shí)候，軟件讀取數(shù)據(jù)文件中的默認(rèn)指向值進(jìn)行標(biāo)記。

3 軟件安裝、運(yùn)行及效果

軟件從方便用戶安裝、使用的角度出發(fā)，開發(fā)成可在任意目錄下安裝的形式。用戶只需在所要安裝的位置解壓下載軟件包，然后運(yùn)行其中的安裝程序即可完成安裝工作。安裝完軟件之后，用戶只要對(duì)環(huán)境變量文件進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，就可以在任意路徑下運(yùn)行軟件。

3.1 信息配置

軟件要求用戶在當(dāng)前目錄中提供名為“radiosky.input”的配置文件，文件內(nèi)容包括觀測臺(tái)站、觀測頻率、射電校準(zhǔn)源表和觀測目標(biāo)源表等最基本信息，如圖3。其中，觀測臺(tái)站名稱為必要信息，用戶可以從databases子目錄下的臺(tái)站列表文件observatory.info中選取。用戶也可以對(duì)臺(tái)站列表文件的臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，添加新的觀測臺(tái)站及地理位置。對(duì)于觀測頻率，軟件會(huì)根據(jù)用戶填寫的頻率調(diào)取頻率最為相近的銀河射電背景數(shù)據(jù)做界面背景顯示。若用戶不指定觀測頻率，軟件默認(rèn)使用頻率為408 MHz的射電銀河背景。用戶還可選擇性地顯示射電校準(zhǔn)源和觀測目標(biāo)源的文件，也可以用＃號(hào)將文件注釋掉。

3.2 運(yùn)行及效果

用戶編輯完radiosky.input文件，并根據(jù)自身需要在運(yùn)行目錄下編輯相應(yīng)射電源表后，在終端輸入命令就能正常運(yùn)行射電天空及觀測源可視化軟件。

圖4顯示軟件運(yùn)行的效果。界面的4個(gè)角落位置也顯示了一些必要的信息。左上角是觀測臺(tái)站名稱及其地理經(jīng)緯度；右上角從上到下分別是北京時(shí)間、世界時(shí)和本地恒星時(shí)；左下角顯示的是所用背景數(shù)據(jù)的名稱和圖中顯示的射電源表；右下角則標(biāo)明了望遠(yuǎn)鏡指向及其地平坐標(biāo)。

為了便于觀測者估計(jì)目標(biāo)在天空運(yùn)行的軌跡以及至天體西落的剩余時(shí)間，在顯示圖上還顯示了時(shí)角坐標(biāo)系框架。

4 結(jié)論與展望

從國內(nèi)射電天文發(fā)展的需求，開發(fā)射電天空與觀測源可視化軟件，概述了軟件的相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)，展示了軟件的運(yùn)行結(jié)果。軟件以簡潔、直觀的界面準(zhǔn)確地向用戶傳遞必要的信息，具有良好的移植性和可擴(kuò)展性。用戶可以根據(jù)自己的需要對(duì)觀測臺(tái)站、觀測波段的天空背景、射電源等信息進(jìn)行更新。

軟件的源代碼將使用GNU GPLv3許可證在http://zmtt.bao.ac.cn/radiosky/網(wǎng)頁開源發(fā)布，用戶可以在該網(wǎng)頁下載最新版本軟件。

[1] Pearson T J.PGPLOT graphics subroutine library[EB/OL].California Institute of Technology，2002[2013-08-27].http://www.astro.caltech.edu/～tjp/pgplot/.

[2] SkyView Virtual Observatory[DB/OL].http://skyview.gsfc.nasa.gov/.

[3] Haslam C G T，Salter C J，Stoffel H，et al.A 408 MHz all-sky continuum survey.II-The atlas of contour maps[J].Astronomy and Astrophysics Supplement Series，1982，47:1，2，4－51，53－142.

[4] Komatsu E，Smith K M，Dunkley J，et al.Seven-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)Observations:Cosmological Interpretation[J].The Astrophysical Journal Supplement Series，2011，192(2):18－65.

[5] Ade P A R，Aghanim N，Armitage-Caplan C，et al.Planck 2013 results.I.Overview of products and scientific results[J/OL].arXiv:1303.5062.

[6] Wilson T L，Rohlfs K，Hüttemeister S.Tool of Radio Astronomy[M].Fifth Edition.Berlin Heidelberg:Springer-Verlag，2009:485.

[7] Manchester R N，Hobbs G B，Teoh A，et al.The Australia Telescope National Facility pulsar catalogue[J].The Astronomical Journal，2005，129(4):1993－2006.

A Visualization Software for the Radio Sky and Radio-Source Distribution

Yu Yezhao1，2，Han Jinlin1
(1.National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100012，China，Email:yzyu＠nao.cas.cn；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Directions of radio sources and the Galactic radio background map need to be known before or during practical radio-astronomy observing runs.We have developed a simple visualization software to display the radio sky and the distribution of radio sources.The visualization software，which should be helpful to observers，is developed using the C language and the PGPLOT subroutine library for graphic utilities.It can be run under a Linux environment.This software can be used to display the radio sky at any user-set time；particularly，it can display the real-time radio sky.It allows users to add or remove observational sites，to select desired data of the Galactic radio background，and to modify object entries in radio-source lists for display.This software has rather good expandability.The software together with its source codes will be made freely available to all astronomical institutes and amateur astronomers in China.

Radio astronomy；Visualization software；PGPLOT；Free software

TP311.5

A

1672－7673(2014)03－0305－06

2013－11－20；

2013－12－11

喻業(yè)釗，男，碩士.研究方向:天文技術(shù)與方法.Email:yzyu＠nao.cas.cn