射电天空与观测源分布可视化软件

喻业钊，韩金林

(1.中国科学院国家天文台，北京 100012；2.中国科学院大学，北京 100049)

射电天空与观测源分布可视化软件

喻业钊1，2，韩金林1

(1.中国科学院国家天文台，北京 100012；2.中国科学院大学，北京 100049)

射电天文观测需要事先对射电源分布及天空背景有清晰的了解。目前国内射电天文台站缺乏射电天空与观测源分布可视化软件来对射电天空背景和观测源进行显示。开发一款简洁、移植性强的可视化软件，方便观测者直观地了解射电天空，帮助他们制定合理的观测计划。该软件使用C语言及PGPLOT子函数库编写，在Linux系统下运行，实现了星空的实时查询和按时查询，并支持用户更改观测台站、天空背景和射电源表等。该软件具有很好的扩展能力，将面向国内各天文台站及天文爱好者开源发布。

射电天文；可视化软件；PGPLOT；开源软件

CN53－1189/P ISSN1672－7673

1932年卡尔·央斯基探测到来自银河系中心的射电辐射，从此，射电波段成为天文观测中一个重要的波段，是地基天文观测在传统光学窗口之外的新窗口。射电窗口的观测波长范围大致为0.1 mm～10 m，跨越了5个量级，比光学窗口(大约覆盖0.35 μm～1 μm波长范围)大了许多。通过这一崭新的窗口，人们在短短几十年的时间内有了许多重要的天文发现。20世纪60年代4个重要天文发现，即:脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射和星际有机分子，都是通过射电波段的观测发现的。

不同于光学波段，天体在射电波段的辐射无法被人眼直接感知。国内的天文台及各天文网站上还没有射电天空的实时显示软件，且一般的天文观测者对射电天空了解较少，给天文观测带来些许不便。有些射电观测人员在观测时或观测前计算射电源的地平坐标值，以文本列表显示，不够直观。德国马普射电天文所早先开发的skyview软件，仅针对某一固定地点显示单一波段的银河射电背景和一些射电强源。该软件不开源发布，用户无法根据自己的需要进行适当的修改。

国内的射电天文台越来越多，例如，目前已有密云50 m、昆明40 m、上海25 m、新疆南山25 m、新疆乌拉斯台21CMA、德令哈13.7 m毫米波望远镜、羊八井中德亚毫米波望远镜等等。最近，新建的上海65 m射电望远镜已经开始运行，500 m口径球面射电望远镜正在紧张施工中，将来还有新疆奇台110 m、China-ART。若能以直观图像实时、简明地显示任何观测台站与观测相近频段的射电天空背景，并显示待观测射电源位置、流量等必要信息，对天文观测者制定射电观测计划会很有帮助。为此开发这款射电天空及观测源可视化软件，开源释放给观测人员及天文台，使得观测者及望远镜操作人员能随时直接看到射电源在可见天球上的位置。因此，这款软件对射电观测及射电天文科普都非常有意义。

1 软件要求分析

考虑到射电天空可视化软件主要面向专业的天文观测者，软件应做到简单、方便，不需过多的美化。首先需要为软件选择一个合适的背景图像。银河系在射电波段比光学波段更为延展，在很多情况下银河弥漫射电辐射可以是射电观测的目标。在观测射电源时，银河弥漫辐射又是系统噪声中很强的天空背景噪声。在不同射电波段，所探测到的银河弥漫辐射的结构不尽相同。不同天文台的科学观测目标不同，需要了解不同射电波段的银河系弥漫辐射背景。

为了让用户能直观了解待观测射电源的位置及天空背景信息，软件必须以地平坐标系绘制某一射电天文台在任何时刻的银河背景，并适当标注射电源的坐标信息。此外，软件应能查询显示任意时刻的射电天空背景和射电源的位置，以方便观测者制定合理的观测计划。

普适性和可扩展性是这款软件的关键。国外同类型软件因为没有开源，用户不能任意设定观测台站的地理位置，而且背景辐射内容是在单一频段。我们的射电天空可视化软件，可使用户根据自己的需要修改天文观测台站地点，显示不同观测波段的银河背景辐射以及观测目标源的位置。

2 软件实现及基本功能

2.1 开发环境

考虑到多数用户的安装及运行问题，最终选择在Linux环境下利用C语言调用PGPLOT图形子程序库来实现这一射电天空与观测源可视化软件。PGPLOT图形子程序库[1]是基于Fortran-77语言编写的，并提供了一个C语言可用的库(cpgplot)和头文件(cpgplot.h)。鉴于PGPLOT的简洁性和在天文科研工作者中的广泛使用，在Linux环境下利用C语言调用cpgplot进行绘图，不仅能够简洁地实现可视化软件所要达到的目标，也使得可视化软件便于大多数用户安装使用。

2.2 银河弥漫背景辐射数据

针对国内射电天文的发展状况，收集了多个频段观测的银河弥漫辐射的实际全天巡天数据作为软件界面的背景数据。这些数据均可从美国国家射电天文台的SkyView虚拟天文台[2]下载。虚拟天文台搜集了从低频射电波段到伽马波段大量的天文观测数据。选取的射电巡天数据包括:Jodrell Bank、Effelsberg和Parkes 3台射电望远镜在1965至1975年做的408 MHz波段全天射电连续谱巡天[3]；WMAP卫星7年数据中23 GHz波段的全天数据[4]；Planck卫星2013年发布的数据中的100 GHz、217 GHz和353 GHz 3个波段的全天数据[5]。这些银河背景辐射数据均使用银道坐标系存储，数据中包括天球某点的银经、银纬和射电辐射量等信息。为了优化显示效果，对数据中辐射值进行了非线性处理，以增强最终成像的对比度。

2.3 基本界面背景的绘制

银河弥漫背景射电辐射数据使用银道坐标存储，而本文设计的天空可视化软件必须使用观测台站当地的地平坐标系。所以在绘制射电天空时需要进行相应的坐标转换，一般坐标转换过程如图1。

图1 坐标变换基本流程Fig.1 The flowchart of coordinate conversions in the visualization software

可视化软件可使用不同波段的银河背景辐射数据作为背景。数据文件中包含多个数据点，特征参数值包含位置坐标和银河射电强度，需要最终用图像的颜色直观表示出来。数据文件不明确写出坐标数值信息，绘图时需要通过数据点的行列值推算得到银经和银纬，再通过坐标转换将这些数据点的辐射强度值赋给绘图区域上相应的点，完成背景的绘制。在实际绘制银河射电图像时，使用上述坐标转换顺序有时会遇到一些问题。因为对银河射电图像进行坐标转换可理解为一个将平面图像变为球面再变为另一个平面图像的过程。这个过程会导致起初均匀分布的像素点在最终的平面图像中变成非均匀分布，在极点附近区域图像显得尤为难看。另外PGPLOT不可以使用非均匀分布的像素点进行绘图，因此可视化软件实现中采用一种新的坐标转换思路实现绘制银河背景的功能(图2)。具体实现方法如下:

(1)按顺序取绘图区域中的一点，将其坐标通过多次坐标变换到银道坐标；

(2)找出该银道坐标点落在银河射电背景数据列表中的大致位置；

(3)计算该点与邻近数据点的距离，将距离最近的数据点的值赋给该绘图点；

(4)循环直至绘图区域所有点均获得相应的数据值。

这一改进的坐标变换思路只需对可视天区的半个天球上的辐射进行坐标转换和绘图，而不需要处理整个天球的信息，节约了大概一半的计算量。最后把绘图区域中每个像素点的辐射值调用cpgimag()语句直接绘制出来。使用cpgimag()时，要求用户提供一个数组对绘图数据点的坐标进行最终定位及转换。提供给cpgimag()函数的数据是用地平坐标表示的，而地平坐标与显示屏幕的坐标之间是一个简单的线性关系。通过简单设定函数所需的数组，就可以实现从地平坐标到屏幕坐标的转换。

图2 绘制银河射电背景改进流程Fig.2 The modified flowchart of drawing the Galactic radio background in the visualization software

完成背景绘制后再标注地平坐标的坐标轴、坐标值、方位点等信息，然后在界面边上标明观测台站名称、经纬度、当前时间等信息，这样射电天空背景的可视化就实现了。

根据用户设定的观测台站和观测波段，软件可以自动读取计算机时间，读取已有台站数据文件中相应台站的地理坐标，由此计算得到观测地当前的射电天空图像。通过定期更新图像，用户可以对射电天空进行常态监测。为节省计算机中央处理器的计算量，常态显示时使用sleep()功能每5 s更新一次图像。实时显示银河弥漫的射电辐射背景是本软件最基本的一个功能。

2.4 选择不同观测台站

考虑到不同观测台站地理位置不同，应该允许用户设置观测台站位置。已经收集了多个台站的地理位置可供用户直接选择。如果所需天文台站位置不在列表里面，用户可以根据需要加入自己的地理位置。软件会自动读取该地理位置，显示当地的射电天空。

2.5 展示不同波段射电天空

因为不同天文台能观测的波段不同，或者观测者需要在不同波段观测，软件可以将不同波段的射电背景辐射的巡天数据用于天空背景显示。在运行软件时，用户可选择使用任意一个波段，软件会自动选择频率最接近的射电天空背景数据。为了适应用户的需求，软件也允许用户自行加载新的背景数据。

2.6 显示待观测的多种射电源

不同的科学观测目标不尽相同，软件可以选择加载校准源[6]、脉冲星等射电源数据[7]，显示其位置和名称等必要信息。只要射电源表符合简单的格式要求，包含射电源名称、赤经赤纬、观测波段及相应波段的流量值，软件就能读取其中必要的信息，在实时显示的天空上做标记。不同源表的射电源可用不同的标志和颜色进行标记。一个源表在可见天区中少于等于20个射电源目标时，软件会在界面上标注射电源的名称。

2.7 查询任意时刻射电天空

用户在制定观测计划时，往往需要知道在未来某一时刻射电源的位置，所以软件提供了相应的查询功能。考虑用户的实际需要，软件可显示任意日期任意时刻的射电天空和射电源位置。如果用户不输入时间，软件会默认使用当前时间。

2.8 显示望远镜指向

软件从望远镜控制计算机获得望远镜指向信息，并在图中用相应的标记表示，有利于观测人员及时规划和调整观测进程。当没有连接望远镜控制计算机的时候，软件读取数据文件中的默认指向值进行标记。

3 软件安装、运行及效果

软件从方便用户安装、使用的角度出发，开发成可在任意目录下安装的形式。用户只需在所要安装的位置解压下载软件包，然后运行其中的安装程序即可完成安装工作。安装完软件之后，用户只要对环境变量文件进行相应的设置，就可以在任意路径下运行软件。

3.1 信息配置

软件要求用户在当前目录中提供名为“radiosky.input”的配置文件，文件内容包括观测台站、观测频率、射电校准源表和观测目标源表等最基本信息，如图3。其中，观测台站名称为必要信息，用户可以从databases子目录下的台站列表文件observatory.info中选取。用户也可以对台站列表文件的台站数据进行补充，添加新的观测台站及地理位置。对于观测频率，软件会根据用户填写的频率调取频率最为相近的银河射电背景数据做界面背景显示。若用户不指定观测频率，软件默认使用频率为408 MHz的射电银河背景。用户还可选择性地显示射电校准源和观测目标源的文件，也可以用＃号将文件注释掉。

3.2 运行及效果

用户编辑完radiosky.input文件，并根据自身需要在运行目录下编辑相应射电源表后，在终端输入命令就能正常运行射电天空及观测源可视化软件。

图4显示软件运行的效果。界面的4个角落位置也显示了一些必要的信息。左上角是观测台站名称及其地理经纬度；右上角从上到下分别是北京时间、世界时和本地恒星时；左下角显示的是所用背景数据的名称和图中显示的射电源表；右下角则标明了望远镜指向及其地平坐标。

为了便于观测者估计目标在天空运行的轨迹以及至天体西落的剩余时间，在显示图上还显示了时角坐标系框架。

4 结论与展望

从国内射电天文发展的需求，开发射电天空与观测源可视化软件，概述了软件的相关功能实现，展示了软件的运行结果。软件以简洁、直观的界面准确地向用户传递必要的信息，具有良好的移植性和可扩展性。用户可以根据自己的需要对观测台站、观测波段的天空背景、射电源等信息进行更新。

软件的源代码将使用GNU GPLv3许可证在http://zmtt.bao.ac.cn/radiosky/网页开源发布，用户可以在该网页下载最新版本软件。

[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

喻业钊，男，硕士.研究方向:天文技术与方法.Email:yzyu＠nao.cas.cn