ПулКОН ::: Введение в Apex II

Универсальный программный комплекс Апекс-II предназначен для высокоточной автоматизированной астрометрической и фотометрической обработки и эфемеридного обеспечения ПЗС-наблюдений естественных и искусственных тел Солнечной системы. В настоящее время Апекс-II используется для обработки наблюдений, полученных в ГАО РАН, САО РАН, обсерватории Тариха (Боливия), а также в обсерваториях Майданак (Узбекистан), Абастумани (Грузия), Маяки (Украина) и на других наблюдательных площадках сети ПулКОН. Специализированные приложения, разработанные на базе Апекс-II, позволили значительно повысить точность астрометрической редукции наблюдений малых тел Солнечной системы, выполняемых на автоматическом зеркальном астрографе ЗА-320М в ГАО РАН; также, с их помощью был обнаружен ряд новых фрагментов объектов ГСО в рамках проекта ПулКОН. Апекс-II представляет собой открытую программную платформу, основанную на высокоуровневом языке сценариев обработки и развитой библиотеке модулей для решения широкого круга задач практической астрономии. На данный момент система является единственным в мире специализированным программным пакетом, предназначенным для высокоточной полностью автоматической редукции широкого спектра ПЗС-изображений. Возможности программного комплекса Апекс-II позволяют применять его для массовой первичной обработки изображений в программах мониторинга астероидов, сближающихся с Землей, контроля околоземного пространства, а также мониторинга любых других транзиентных явлений (малые тела Солнечной системы, послесвечение космических гамма-всплесков, вспышки сверхновых и т.д.) в оптическом и инфракрасном диапазоне.

Архитектура и принципы построения системы Апекс-II во многом подобны принципам, использованным при создании таких широко применяемых астрономическим сообществом программных пакетов, как IRAF, MIDAS и IDL. Подобно этим пакетам, Apex II включает ядро с интерпретатором высокоуровневого языка программирования:

библиотеку стандартных подпрограмм, реализующих наиболее употребительные в данной предметной области алгоритмы и различные сопутствующие служебные функции;
графическую подсистему для интерактивной визуализации изображений и построения графиков;
набор пользовательских процедур и сценариев, использующих указанные выше компоненты для решения задач обработки различных классов астрономических изображений.

В отличие от перечисленных выше пакетов обработки, Apex II основан не на специально разработанном для него интерпретируемом языке, а на широко распространенном универсальном объектно-ориентированном языке сценариев Python. Такой выбор обусловлен, прежде всего, простотой и гибкостью языка, существованием его реализаций для всех основных аппаратно-программных платформ и наличием развитой библиотеки функций для решения большинства часто возникающих задач, таких как ввод-вывод, визуализация данных и стандартные математические операции -например, матричная алгебра, регрессия и обработка n-мерных изображений. Вопреки достаточно распространенному мнению о низкой производительности программ, написанных на интерпретируемых языках, сценарии Python зачастую имеют даже большую производительность по сравнению с аналогичными программами, написанными на классических компилируемых языках. Это обусловлено, прежде всего, высокой степенью векторизации операций. Помимо большей компактности и ясности программного кода, это приводит к тому, что наиболее интенсивные в вычислительном отношении участки алгоритма исполняются внешними модулями, написанными на языках C и Fortran и оптимизированными для данной аппаратно-программной архитектуры.

Все эти преимущества в настоящее время начинают привлекать ведущих разработчиков программного обеспечения для научных исследований; свидетельством этого является, например, проект PyRAF (www.stsci.edu/resources/software_hardware/pyraf) для создания на языке Python сценариев обработки в среде IRAF. Стандартная библиотека Apex II базируется, прежде всего, на пакетах Numerical Python и Scientific Python (NumPy/SciPy, www.scipy.org). Первый из них реализует базовые операции для работы с числовыми массивами, включая векторизацию операторов и функций и матричную алгебру; второй содержит реализацию основных алгоритмов, используемых в научных приложениях - преобразования Фурье, интегрирование функций, решение дифференциальных уравнений, интерполяцию, оптимизацию и нелинейную регрессию, обработку сигналов и n-мерных изображений, вычисление специальных функций и др. Основываясь на этих алгоритмах, а также на встроенных функциях Python, библиотека Apex II реализует различные операции более высокого уровня, характерные для задач обработки астрономических изображений - это, прежде всего, преобразование шкал времени, калибровка и фильтрация ПЗС-изображений, автоматическое выделение объектов, аппроксимация изображений объектов модельными профилями (PSF fitting), астрометрическая и фотометрическая редукция, работа с различными каталогами объектов и т.д.

Таким образом, Apex II является, прежде всего, универсальной программной платформой для разработки систем редукции широкого спектра астрономических данных. В частности, платформа Apex II используется для решения задач астрометрической и фотометрической редукции массивов наблюдений объектов Геостационарной орбиты. Обработка наблюдений проводится в автоматическом и полуавтоматическом режиме. Существующий для этого конвейер обработки ПЗС-изображений объектов ГСО включает в себя следующие этапы:

Автоматический подбор (и, при необходимости, синтез) калибровочных кадров для каждого ПЗС-изображения из обрабатываемого массива; bias/dark/flat-коррекция. Данный шаг не является обязательным и выполняется только при наличии в текущем каталоге необходимых калибровочных кадров.
Аппроксимация и устранение неравномерности фона неба. Данный шаг используется при наличии заметной неоднородности общего фона изображения и может частично заменять собой стадию flat-коррекции, без необходимости подготовки отдельных калибровочных кадров; на результирующей точности такой подход не сказывается.
Оптимальная фильтрация изображения для повышения отношения "сигнал/шум" (SNR) выделяемых объектов. В стандартном режиме, производится свертка исходного изображения с модельной функцией профиля следа звезды, с учетом углового масштаба, ориентации осей и положения центра кадра, длительности экспозиции и ожидаемого диаметра кружка рассеяния звезды.
Выделение объектов пороговым алгоритмом, с логической фильтрацией битовой маски для повышения вероятности детектирования слабых объектов и снижения числа ложных детектирований.
Определение центров выделенных объектов методом аппроксимации модельной функцией рассеяния точки (PSF). В случае, если целевой объект или опорные звезды не могли быть продетектированы автоматически на предыдущем шаге, производится принудительное измерение их областей, указанных вручную на стадии подготовки изображений.
Измерение потоков от объектов методом апертурной, PSF- или оптимальной фотометрии.
Исключение остаточных шумовых выбросов (включая следы космических частиц) по различным критериям.
Идентификация целевого объекта (объектов) по их положениям на кадре, указанным вручную на стадии подготовки изображений.
Выбор наилучших опорных звезд по критериям близости фактической длины и ширины следа к расчетной и совпадения углов поворота следов.
Отождествление опорных звезд с астрометрическим каталогом, с возможностью поиска площадки в области каталога заданного размера.
Астрометрическая редукция - определение постоянных пластинки (LSPC) в выбранной модели.
Отождествление объектов с опорным фотометрическим каталогом и расчет блеска объектов в инструментальной системе.
Определение координат и блеска целевого объекта по полученным астрометрическому и фотометрическому решениям.
Формирование отчета в стандартном формате о всех целевых объектах в кадре.

Программный комплекс Апекс-II для астрометрической и фотометрической обработки ПЗС-наблюдений естественных и искусственных тел Солнечной системы.