2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——天文學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在光學(xué)天文觀測(cè)中，由大氣湍流引起的圖像模糊現(xiàn)象通常被稱為：A.光譜線展寬B.視寧度效應(yīng)C.像散D.壞像素2.對(duì)于來自計(jì)數(shù)探測(cè)器（如CCD）的天文圖像，其主要噪聲來源通常是：A.高斯噪聲B.泊松噪聲C.調(diào)制噪聲D.差分噪聲3.在進(jìn)行多幀天文圖像的平場(chǎng)校正時(shí)，平場(chǎng)圖像通常是指：A.對(duì)暗天區(qū)天空的成像B.對(duì)亮天區(qū)的平均成像C.對(duì)整個(gè)視場(chǎng)中天空背景光強(qiáng)的成像D.對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光源的成像4.傅里葉變換去卷積方法通常用于改善天文圖像的分辨率，其基本原理是：A.利用已知點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行逆向卷積B.將圖像分解為高頻和低頻成分進(jìn)行過濾C.通過統(tǒng)計(jì)分析去除隨機(jī)噪聲D.對(duì)圖像進(jìn)行幾何變換以消除畸變5.在天文光譜數(shù)據(jù)處理中，將不同觀測(cè)天體的光譜進(jìn)行比對(duì)時(shí)，通常需要解決的關(guān)鍵問題之一是：A.波長(zhǎng)定標(biāo)的不確定性B.光譜中的噪聲水平過高C.探測(cè)器像素響應(yīng)不一致D.光譜線強(qiáng)度隨時(shí)間變化6.使用標(biāo)準(zhǔn)星對(duì)天文圖像進(jìn)行光度標(biāo)定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)星指的是：A.視星等已知但天體物理性質(zhì)未知的天體B.天體物理性質(zhì)已知且視星等精確測(cè)量的天體C.距離地球非常近的天體D.在圖像中亮度異常突出的天體7.在目標(biāo)檢測(cè)算法SExtractor中，用于確定潛在天體是否為真實(shí)天體的關(guān)鍵步驟是：A.圖像去噪B.背景估計(jì)與_subtractC.形態(tài)學(xué)分析或星等-形態(tài)學(xué)聯(lián)合分類D.幾何畸變校正8.FITS（FlexibleImageTransportSystem）文件格式在天文數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中占據(jù)重要地位，其主要優(yōu)勢(shì)之一是：A.文件體積非常小B.支持極高的圖像分辨率C.具有靈活的結(jié)構(gòu)，可以存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等信息D.只適用于光學(xué)波段圖像9.在使用IRAF的task`daophot`進(jìn)行星等測(cè)量時(shí)，至少需要知道以下哪些信息？（多選）A.目標(biāo)天體的精確位置B.參考星（或標(biāo)準(zhǔn)星）的位置和星等C.觀測(cè)所用望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)參數(shù)D.大氣透明度測(cè)量值10.對(duì)于干涉望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的復(fù)雜數(shù)據(jù)，其成像過程本質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的：A.傅里葉逆變換過程B.拉普拉斯變換過程C.卷積過程D.微分方程求解過程二、填空題1.天文觀測(cè)數(shù)據(jù)中，除了隨機(jī)噪聲，還可能包含______和系統(tǒng)性偏差等誤差來源。2.為了消除或減弱大氣視寧度效應(yīng)對(duì)圖像質(zhì)量的影響，常用______技術(shù)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。3.在圖像標(biāo)定過程中，幾何標(biāo)定主要確定圖像中像素坐標(biāo)與實(shí)際天空位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而______則用于確定圖像的亮度與實(shí)際天體輻射強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。4.去卷積是圖像處理中一項(xiàng)重要技術(shù)，但其過程通常是病態(tài)的，需要借助特定的______算法來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定求解。5.從一維光譜數(shù)據(jù)中提取天體光譜線輪廓時(shí)，常用的方法包括高斯擬合、______擬合以及更復(fù)雜的基于模型的方法。6.對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間序列的光變數(shù)據(jù)分析，需要考慮系統(tǒng)誤差的消除和______估計(jì)，以獲得可靠的變?cè)磪?shù)。7.在使用Python進(jìn)行天文數(shù)據(jù)處理時(shí)，__NumPy__和__SciPy__是兩個(gè)核心的基礎(chǔ)科學(xué)計(jì)算庫(kù)，而__AstroPy__則提供了專門針對(duì)天文應(yīng)用的工具和函數(shù)。8.天文數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在特定的文件格式中，除了FITS，像VOTable和____也是常見的數(shù)據(jù)交換格式。9.在進(jìn)行多波段圖像融合時(shí)，為了使不同波段的圖像能夠無(wú)縫拼接，需要先進(jìn)行精確的______和色彩校正。10.利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，通常需要大量的標(biāo)記數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，這涉及到數(shù)據(jù)集的______和預(yù)處理。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述天文圖像平場(chǎng)校正的原理及其主要目的。2.解釋什么是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF），以及為什么它對(duì)天文成像質(zhì)量至關(guān)重要。3.描述在進(jìn)行天文光譜數(shù)據(jù)減響應(yīng)（DarkCurrentSubtraction）時(shí)，需要考慮哪些因素，并簡(jiǎn)述其基本步驟。四、計(jì)算題1.假設(shè)某次觀測(cè)得到一張?zhí)煳膱D像，其像素尺度為0.2arcsec/pixel。圖像中心位于赤道坐標(biāo)系下的赤經(jīng)α=150°30'00"，赤緯δ=+45°20'00"。圖中某點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y)=(250,150)pixel。請(qǐng)計(jì)算該點(diǎn)在天空坐標(biāo)系中的大致赤經(jīng)和赤緯（要求給出計(jì)算過程和結(jié)果）。2.某光度測(cè)量任務(wù)中，使用了一個(gè)已知絕對(duì)星等為M_V=12.0mag的標(biāo)準(zhǔn)星，測(cè)得它在圖像上的測(cè)光星等是m_V=10.5mag。假設(shè)觀測(cè)是在地球大氣頂層進(jìn)行的（即沒有大氣消光影響）。請(qǐng)計(jì)算該觀測(cè)地的地球大氣消光系數(shù)k_v（要求給出計(jì)算過程和結(jié)果，并說明所使用的公式）。五、論述題討論在天文觀測(cè)數(shù)據(jù)中，噪聲的主要來源有哪些？針對(duì)其中兩種不同的噪聲類型，簡(jiǎn)述可以采用哪些數(shù)據(jù)處理技術(shù)來減弱其影響或進(jìn)行校正。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.A5.A6.B7.C8.C9.A,B10.A二、填空題1.系統(tǒng)誤差2.光學(xué)傳遞函數(shù)校正/點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)校正(或其具體方法如暗場(chǎng)校正)3.光度標(biāo)定/輻射定標(biāo)4.正則化5.擬合/模型擬合(如多項(xiàng)式擬合)6.系統(tǒng)誤差/時(shí)變效應(yīng)(或具體內(nèi)容如周期性變化)7.NumPy,SciPy,AstroPy8.VOTable9.對(duì)齊/圖像配準(zhǔn)10.標(biāo)注/標(biāo)簽化三、簡(jiǎn)答題1.原理:平場(chǎng)校正利用一張對(duì)準(zhǔn)了天空背景（無(wú)天體）或已知背景光強(qiáng)的圖像（如暗場(chǎng)圖像或twilightskyimage），去除目標(biāo)圖像中由天空背景亮度不均引起的亮度誤差。其基本思想是用背景圖像的像素值去歸一化或校正目標(biāo)圖像的對(duì)應(yīng)像素值。目的:主要目的是消除或減弱由大氣散射光、儀器暗電流等引起的背景亮度起伏對(duì)目標(biāo)天體亮度測(cè)量的影響，使圖像的相對(duì)亮度關(guān)系更準(zhǔn)確，為后續(xù)的光度測(cè)量和天體測(cè)量奠定基礎(chǔ)。2.解釋:點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）描述了一個(gè)點(diǎn)光源通過望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)系統(tǒng)后，在探測(cè)器上形成的模糊影像的形狀和強(qiáng)度分布。它包含了系統(tǒng)的光學(xué)像差、大氣擾動(dòng)、探測(cè)器響應(yīng)等多種因素的影響。重要性:PSF直接決定了望遠(yuǎn)鏡的成像分辨率。PSF的形狀和大小直接影響圖像的銳利度和細(xì)節(jié)分辨能力。在天文圖像處理中，了解和估計(jì)PSF是進(jìn)行圖像增強(qiáng)（如去卷積）、圖像配準(zhǔn)、目標(biāo)檢測(cè)等操作的基礎(chǔ)，因?yàn)樵S多處理方法都圍繞著PSF展開。3.因素:進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)減響應(yīng)時(shí)，需要考慮：①減響應(yīng)圖像（DarkFrame）的質(zhì)量（是否本身有噪聲或缺陷）；②觀測(cè)期間探測(cè)器暗電流的穩(wěn)定性；③是否存在其他需要同時(shí)減去的背景分量（如偏置光讀數(shù)BiasSubtraction，如果未先完成）；④儀器和環(huán)境的穩(wěn)定性。步驟:基本步驟通常包括：1)獲取在相同曝光時(shí)間、溫度和積分時(shí)間下對(duì)準(zhǔn)暗天區(qū)（無(wú)目標(biāo)光）獲取的暗場(chǎng)圖像（DarkFrame）；2)對(duì)目標(biāo)光譜圖像進(jìn)行背景估計(jì)（BackgroundEstimation），得到背景圖像（BiasSubtractedImage）；3)將背景圖像從目標(biāo)光譜圖像中減去；4)最后從結(jié)果中減去相應(yīng)參數(shù)下的暗場(chǎng)圖像（DarkCurrentSubtraction）。公式通常表示為：Target_corrected=(Target-Background)-Dark。四、計(jì)算題1.計(jì)算過程:*像素尺度：0.2arcsec/pixel。*圖像中心坐標(biāo)：(α,δ)=(150°30'00",+45°20'00")=(150.5°,+45.333°)。*目標(biāo)像素坐標(biāo)：(x,y)=(250,150)。*坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系：Δα=x*dα,Δδ=y*dδ*cos(δ)。*Δα=250pixel*0.2arcsec/pixel=50arcsec=0.833°。*Δδ=150pixel*0.2arcsec/pixel*cos(45.333°)≈150*0.2*0.707≈21.2arcsec≈0.353°。*目標(biāo)天空坐標(biāo)：α_target=α_center+Δα=150.5°+0.833°=151.333°=151°20'。δ_target=δ_center+Δδ=+45.333°+0.353°≈+45.686°=+45°41'。*結(jié)果:大致赤經(jīng)約為151°20'，赤緯約為+45°41'。2.計(jì)算過程:*已知：M_V(標(biāo)準(zhǔn)星絕對(duì)星等)=12.0mag，m_V(標(biāo)準(zhǔn)星測(cè)光星等)=10.5mag。*根據(jù)大氣消光公式：m=M+K*z，其中m是測(cè)光星等，M是絕對(duì)星等，K是大氣消光系數(shù)（v波段），z是大氣透過率（通常z=1-m/M，假設(shè)觀測(cè)在地面）。*代入數(shù)值：10.5=12.0+K*(1-10.5/12.0)。*計(jì)算z=1-10.5/12.0=1-0.875=0.125。*代入公式：10.5=12.0+K*0.125。*10.5-12.0=K*0.125。*-1.5=K*0.125。*K=-1.5/0.125=-12.0。*結(jié)果:地球大氣消光系數(shù)k_v≈-12.0mag/km(或單位根據(jù)題目給定，通常為mag/km)。五、論述題噪聲來源:天文觀測(cè)數(shù)據(jù)中的噪聲來源多樣，主要可以分為以下幾類：1.探測(cè)器噪聲:*散粒噪聲(ShotNoise):由探測(cè)器（如CCD）像素接收光子數(shù)量的隨機(jī)性引起，其方差與信號(hào)強(qiáng)度成正比。是計(jì)數(shù)探測(cè)器中最基本的噪聲。*熱噪聲(ThermalNoise):主要由探測(cè)器自身晶格熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，與溫度和探測(cè)器的噪聲等效溫度（NEP）有關(guān)。*暗電流噪聲(DarkCurrentNoise):在無(wú)光照條件下，探測(cè)器像素自身產(chǎn)生的虛假光子電流，與探測(cè)器的溫度和曝光時(shí)間成正比。*讀出噪聲(ReadoutNoise):在讀取探測(cè)器像素電荷時(shí)引入的電子噪聲，通常為固定值，與曝光時(shí)間無(wú)關(guān)。2.大氣噪聲:*大氣視寧度效應(yīng)(Seeing):大氣湍流使星光發(fā)生隨機(jī)抖動(dòng)和模糊，導(dǎo)致圖像分辨率下降，表現(xiàn)為圖像模糊和光點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）的變化。*大氣吸收和散射:大氣對(duì)特定波長(zhǎng)的光有吸收，并使部分星光散射到非目標(biāo)方向，影響圖像對(duì)比度和信噪比。*大氣抖動(dòng)(Flutter):觀測(cè)期間大氣密度的快速變化引起的望遠(yuǎn)鏡指向的微小、隨機(jī)晃動(dòng)。3.儀器噪聲:望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)振動(dòng)、熱效應(yīng)引起的儀器漂移等。4.其他噪聲:如宇宙射線、散粒噪聲、系統(tǒng)誤差（如偏置光不均勻、波長(zhǎng)校準(zhǔn)誤差等）。噪聲減弱/校正技術(shù):針對(duì)不同的噪聲類型，可以采用不同的數(shù)據(jù)處理技術(shù)：1.針對(duì)散粒噪聲和探測(cè)器噪聲:*平場(chǎng)校正(Flat-fielding):使用同一張圖像（無(wú)目標(biāo)光，僅含天空背景）校正因探測(cè)器像素響應(yīng)不一致（增益變化、暗電流不均）造成的圖像亮度誤差。通過將目標(biāo)圖像除以平場(chǎng)圖像實(shí)現(xiàn)。*暗場(chǎng)校正(Dark-fieldSubtraction):使用在相同曝光時(shí)間、溫度下對(duì)無(wú)光照區(qū)域（暗天區(qū)）獲取的圖像（DarkFrame），減去目標(biāo)圖像中對(duì)應(yīng)的像素值，以消除或減弱探測(cè)器暗電流噪聲。*偏置校正(BiasSubtraction):使用在極短曝光時(shí)間下對(duì)無(wú)光照區(qū)域獲取的圖像（BiasFrame），減去目標(biāo)圖像中對(duì)應(yīng)的像素值，以消除或減弱讀出噪聲和偏置光不均勻造成的圖像基線偏移。*噪聲濾波:使用低通濾波器（如均值濾波、中值濾波、高斯濾波）可以平滑圖像，有效減弱高斯噪聲或某些類型的隨機(jī)噪聲，但可能導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)損失。2.針對(duì)大氣噪聲（視寧度效應(yīng)）:*圖像去卷積(Deconvolution):利用估計(jì)的視寧度效應(yīng)造成的點(diǎn)擴(kuò)散