EAST觀測網數據處理程序與變星研究｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	王立涵
論文名稱：	EAST觀測網數據處理程序與變星研究 Data Reduction of EAST Network and Variables Research
指導教授：	周定一
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 天文研究所 Institute of Astronomy
論文出版年：	2007
畢業學年度：	95
語文別：	中文
論文頁數：	110
中文關鍵詞：	變星、盾牌座變星、星震、頻率分析、仙王座變星
外文關鍵詞：	EAST, V830 Her, V350 Peg, frequency analysis, asteroSeimology, GSC 2102-1429
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臺灣地暉星震觀測網(Taiwan Earthshine and AsteroSeimology Telescope Network, EAST)為即將陸續建置的全球性觀測網，而星震為其科學課題之一，星震本身需要長時間的連續數據，以求能對於星光變化的頻率測量能精準，而全球性的觀測網能以接力觀測的方式達成長時間的連續數據，目前EAST觀測網已經於西班牙屬迦納利群島的 Tenerife 島上有第一個觀測站，此外在新竹清華大學的物理系館樓上也有一測試用的站台，並即將在 2007 年七月建置烏茲別克的觀測站。
本研究使用 EAST 的數據，對於幾顆已知的變星進行觀測與分析，
包含盾牌座δ型(δ Scuti)變星 BI CMi、V350 Peg、V830 Her 共三顆，仙王座β型(β Cephei)變星LR Gem一顆，以求了解整體觀測的能力；此外發展觀測網的數據處理程序以及影像分析程序，並使用快速傅利葉轉換進行最簡單的頻率分析，最終希望能大量而迅速的在一組影像中檢索出可能為變星的目標。
對於 BI CMi，共 1 晚數據可用，可以在光度曲線上找到約 0.12 天的變化週期；對於 V350 Peg 共 13 晚數據可用，光度曲線上可以找到約 0.175 天的變化週期，而 FFT 結果初步給出 0.2 天的週期，接近已知的週期 0.2011 天，但可能是由截斷效應所貢獻；對於 V830 Her 共 5 晚數據可用，光度曲線上可以找到約 0.18 天的變化週期， FFT 結果初步給出 0.1734 天的週期，接近已知週期的 0.1772 天；對於 LR Gem 共 1 晚數據可用，光度曲線上可能可以推測半個變化週期是 0.2 天，所以可能可以假設它有 0.4 天的週期，不符合已經被報告的 0.238 天週期，此外數據量不足，無法進一步結論。
此外，對於 V830 Her 視野內的另一顆星 GSC 2102-1429，找到疑似週期性變光的情形，按光度曲線結果其可能週期約為 0.15 天至 0.2 天。

Taiwan Earthshine and AsteroSeimology Telescope Network (EAST) is a global network that will be come true.
Asteroseimology, one science topic of EAST network, need continuous data to analyze frequency of flux variation of stars. And, longer total lenghth of data is better for frequency analysis. So global network is a feasible scheme.
Now, the first system of EAST had been established at Teide Observatory, Tenerife, Canary Island, Spain.

EAST station can work automatically or controlled reomtely through the Internet. And the second system will be established in Uzbekistan this summer.

In this thesis, a data reduction procedure of EAST system is presented. We develope some methods to remove signal not from stars. And two procedures, finding stars and photometry is developed for image analysis. Finally, we plot the light curve and analyze frequency of variation of light curve, using fast fourier transform.
We observe three δ Scuti stars, BI CMi, V350 Peg and V830 Her.
For BI CMi, we can roughly find period of 0.12 day in the light curve. For V350 Peg, we can roughly find period of 0.175 day in the light curve. And a period of 0.2 day is given by FFT. It isn't believable enough because leakage.
For V830 Her, we can roughly find period of 0.18 day in the light curve. And a period of 0.1734 day is given by FFT.
It match known period from the hipparcos catalogue. We observe one β Cephei star, LR Gem. For LR Gem, we has poor data to check its period.

Besides, A suspected variable star, GSC 2102-1429 is presented. We suspect a period of 0.15 ~ 0.2 day for GSC 2102-1429.

簡介1
1 臺灣地暉星震觀測網(Taiwan Earthshine and AsteroSeimology Telescope
Network, EAST) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 星震(Asteroseismolgy) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
3 盾牌座δ 型變星( δ Scuti Variable Stars) . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
4 仙王座β 型變星(β Cephei Variable Stars) . . . . . . . . . . . . . . . . 2
5 可見光影像之基本分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
5.1 合併影像. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
5.2 n − σ clipping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
5.3 移動平均方法(Running Mean) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
5.4 中位數濾波方法(Median Filtering) . . . . . . . . . . . . . . . . 4
6 光度曲線(Light Curve) 與光度變化頻率的分析. . . . . . . . . . . . . . . 5
7 星表與星體資料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
觀測與數據處理7
1 觀測與原始影像. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 暗電流與偏壓(Dark Current and Bias) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1 進一步分析偏壓. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 進一步分析暗電流. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 平場(Flat Field) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4 宇宙射線(cosmic ray) 與異常像元的分析處理. . . . . . . . . . . . . . . 15
5 影像的對正. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6 修正程序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6.1 步驟1． CCD 基礎程序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6.2 步驟2．去除異常亮/暗點. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.3 步驟3．計算影像偏移量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.4 步驟4．對正影像. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.5 步驟5．合併影像. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.6 步驟6．找星點. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6.7 步驟7．對正乾淨影像. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6.8 步驟8．去除非星點信號. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6.9 步驟9．數據處理完成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
影像分析21
1 找星點. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.1 對一組影像進行平均. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2 判斷局部最大值. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3 判斷星點. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4 決定星點在影像上的座標. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2 孔徑測光(Aperture Photometry) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1 計算輻射量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 孔徑測光之改進. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 孔徑半徑之選擇. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 點瀰散函數測光(Point Spread Function Photometry) . . . . . . . . . . 29
4 星等與輻射量變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5 較差測光法(Differential Photometry) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6 天空背景亮度之估計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
光度曲線(Light Curve) 33
1 光度曲線之繪製. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.1 補點. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2 測光誤差之估算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
快速傅利葉與頻率分析(Fast Fourier Transform and Frequency Analysis)
39
1 傅利葉轉換(Fourier Transform) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.1 快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform) . . . . . . . . . . . . . 40
2 離散數據、混疊效應(Aliasing) 與洩漏效應(Leakage) . . . . . . . . . . . 40
2.1 混疊效應(Aliasing) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2 洩漏效應(Leakage) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 頻率分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1 將多日的光度曲線做連結. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
觀測結果    45
1 BI CMi, 盾牌座δ 型變星. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.1 基本資料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.2 光度曲線與FFT 頻率分析結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2 V350 Peg, 盾牌座δ 型變星. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.1 基本資料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2 V350 Peg 光度曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3 V350 Peg 單日數據的FFT 頻率分析結果. . . . . . . . . . . . . 54
2.4 V350 Peg 連結多天數據進行FFT 分析之結果. . . . . . . . . . . 59
3 V830 Her, 盾牌座δ 型變星. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1 基本資料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 V830 Her 光度曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 V830 Her 單日數據的FFT 頻率分析結果. . . . . . . . . . . . . 64
3.4 V830 Her 連結多天數據進行FFT 分析之結果. . . . . . . . . . . 67
4 LR Gem、仙王座β 型變星. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1 基本資料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2 LR Gem 光度曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5 GSC 2102-1429, 新發現的候選變星. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1 基本資料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2 GSC 2102:1429 光度曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
結語與討論73
1 星震觀測網能力分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
1.1 暗電流與平場分析結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
1.2 光度曲線結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
1.3 頻率分析結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2 以EAST 數據進行搜索週期性變星. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3 EAST進階發展. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.1 影像分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2 觀測儀器與觀測策略. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3 發展新的變星比對演算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4 連結多日數據的快速傅立葉轉換之改進. . . . . . . . . . . . . . . 76
A 進一步分析偏壓79
A.1 偏壓影像之空間起伏變化分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
A.2 偏壓影像在時間上的起伏分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
B 進一步分析暗電流87
B.1 暗電流的空間起伏分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
B.2 暗電流的時間標準差分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
C 進一步分析平場101
D 有關點瀰散函數擬合星點(Point Spread Functions) 105
D.1 常用的擬合之函數. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
D.2 擬合演算法(Fitting Algorithm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

                                

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