费米LAT数据处理初体验·入门篇

费米伽玛射线望远镜的官方数据处理软件叫做Fermi Science Tools，最近得到机会尝了一下鲜，算是把LAT数据处理的整个过程摸索了一遍，于是将主要步骤和心得总结备考。由于内容较多，这次先介绍基本的数据处理步骤，至于比较麻烦的光谱分析则留给后文解决。其实跟HEAsoft比起来，Fermi Science Tools的整人程度要差得远，首先安装上就要简单快捷许多。先从这里下载当前的版本，解压，得到一个名为ScienceTools-v9r15p2-fssc-20090808-PLATFORM的文件夹（以当前的版本为例，其中PLATFORM对应匹配的操作系统版本，请自行替换之）。进入这个文件夹，在终端输入如下命令： ./configure >& configure.out 如果顺利的话，这一步完成后，软件就已经安装完毕了。比起HEAsoft动辄需要半小时甚至更久的编译时间，Fermi Science Tools的安装只消几秒钟。为使用方便起见，接下来要设置环境变量，以bash用户为例，打开家目录下的.bashrc文件，加入以下两行内容即可： export FERMI_DIR=$HOME/glast/ScienceTools-v9r15p2-fssc-20090808-PLATFORM/i686-pc-linux-gnu-libc2.3.4
source $FERMI_DIR/fermi-init.sh 当然，这里的文件夹名称需要自己根据实际情况修改。Fermi Science Tools的方便之处是，安装完毕就可以运行了，不像HEAsoft那样还有配置校准文件一类的琐事。然后是准备数据，提取原始数据的网站是这里，按要求填好目标天体中心坐标、覆盖天区范围、观测时间、能段范围和数据类别即可。需要注意的一是观测时间，费米望远镜在大部分工作时间内进行的观测基本是巡天模式，换句话说不针对特定目标，而是每隔几小时就扫描全天一次，所以观测时间一般来说不必特指，而且由于GeV高能光子数量并不多，一个建议是不要选取过短。另一点是数据类别，包括光子数据（Photon Data）、扩展数据（Extended Data）以及航天器数据（Spacecraft Data）三类，所有这些数据都以FITS格式提供，其中第一、三两类是必需的。光子数据是航天器接收的原始事件序列记录，内有待提取的图象、光谱和光变的一切信息；航天器数据与观测时望远镜的姿态和位置有关，对于后面的数据筛选来说非常重要。下面这张图片是官方网站提供的数据处理流程图。在介绍基本处理步骤之前，有必要先简单介绍一下软件包的主要工具。至于探测器的结构和工作原理本文就免了，有兴趣可参考旧文或者官方资料。gtselect：gtselect应该可以说是所有分析的前提。它的作用是根据原始数据和一系列的选择标准，生成新的FITS格式文件。这里的选择标准包括时间范围、能量范围、天顶角和天区，不过在实际操作中，天区应与下载原始数据时的选择一致，否则会带来一些麻烦。至于能量范围，一般的建议是不要选满LAT的全能段，原因是探测器有效面积在接近上下限时比较低。而考虑地球照的影响，天顶角也不宜过大，官方有建议是以105度为好。下面提供有效面积的形式供参考，其中的θ表示辐射源相对LAT轴向的倾角：这个有效面积描述的是有效面积与入射角度和能量之间的关系，换句话说是LAT探测光子效率的表征，在后续文章准备介绍的exposure map生成时还会用到。上图只是正面照射的情形，背面照射的形式有所不同，不过总体趋势无异。除了有效面积，响应函数还与许多其他因素有关，名称叫做P6_V3_DIFFUSE。至于选择时间范围，不知道如何换算年月日与任务时间？没关系，只消打开原始数据的FITS文件头就可以查到了，所以这不是问题。不过如果连FITS是个什么东西都不知道，那建议还是先补补课再说吧……gtmktime：时间段选择工具，主要是根据航天器数据筛选数据处理所需要的有效时间段。最基本的筛选指标是南大西洋异常区（SAA），好象跟地球的范艾伦辐射带有关，具体是啥东西本人也没搞清楚，总之是望远镜在经过南大西洋上空时获取的数据不甚可靠，当然除此以外还有其他一系列的标准，在此不赘述。经过gtselect与gtmktime处理之后的数据方可用于真正的分析工作。gtbin：数据合并工具，将输入数据（gtmktime的结果外带航天器数据）按时间、能量或者空间标准进行合并，可以生成光谱、光变曲线或者图象/Data Cube，生成结果的类型由algorithm参数来定义。说到这里，成图成谱成光变就都可以实现了，只要三步，gtselect->gtmktime->gtbin。本人拿来试刀的目标叫做Terzan 5，是个具有高能辐射的球状星团。下图是费米的图象，圆圈所指大致是星团位置，其实它的高能辐射和银河系比起来要弱上许多。以Terzan 5为例，下面就是具体输入的内容：[bzhang@Melipal terzan5]$ gtselect
Input FT1 file[list]
Output FT1 file[ter5_filtered_5deg.fits]
RA for new search center (degrees) (0:360) [267.02]
Dec for new search center (degrees) (-90:90) [-24.7792]
radius of new search region (degrees) (0:180) [5]
start time (MET in s) (0:) [239557417]
end time (MET in s) (0:) [298530000]
lower energy limit (MeV) (0:) [200]
upper energy limit (MeV) (0:) [300000]
maximum zenith angle value (degrees) (0:180) [105][bzhang@Melipal terzan5]$ gtmktime
Spacecraft data file[L100618062133E0D2F37E56_SC00.fits]
Filter expression[IN_SAA!=T&&DATA_QUAL==1]
Apply ROI-based zenith angle cut[yes]
Event data file[ter5_filtered_5deg.fits]
Output event file name[ter5_filtered_5deg_gti.fits][bzhang@Melipal terzan5]$ gtbin
This is gtbin version ScienceTools-v9r15p2-fssc-20090808
Type of output file (CCUBE|CMAP|LC|PHA1|PHA2) [CMAP] LC
Event data file name[ter5_filtered_5deg_gti.fits]
Output file name[ter5_filtered_5deg_gti_img_gal.fits] ter5_filtered_5deg_gti_lc.fits
Spacecraft data file name[L100618062133E0D2F37E56_SC00.fits]
Algorithm for defining time bins (FILE|LIN|SNR) [LIN]
Start value for first time bin in MET[239557417]
Stop value for last time bin in MET[249953847]
Width of linearly uniform time bins in seconds[300000]到这里就已经可以生成光变曲线了。用Fermi Science Tools自带的fv绘制曲线如下：基本的处理步骤是这些，至于各个参数，酌情修改就是了，最可靠的参考还是官方手册。对于gtbin来说，如果要成图，可以将算法选择为CMAP。如果后面要做光谱分析，就应该如此设置。不过以上只是针对持续辐射源的，还没有尝试伽玛暴数据的处理，这正是最近本人打算摸索的内容。PS：强烈BS卖票比座位多的港龙航空外加手检胶片一脸不情愿的深圳宝安机场，以后再也不想乘坐港龙的飞机了，嗯嗯……内容来自 Bo Zhang's Homepage

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