窄带观测的连续谱扣除策略仿真
- 研究领域：星系和AGN、银河系和近邻星系
- 后端仪器：MCI
- 赛题内容：
为了准确提取MCI窄带观测中来自弥散电离气体的发射线信号，需要在图像级别对天体的连续谱辐射进行高精度扣除。受限于观测资源，有时无法针对每一个目标获得完全匹配的连续谱图像和窄带图像。实际操作中需借助不同的宽带观测数据来进行连续谱扣除。
本题目需利用矮星系的高分辨率数值模拟，合成含有 MCI 窄带 F658N/F502N 与宽带 F606W、F814W、U' 响应的仿真图像，通过注入MCI的 PSF 、读出噪声与天空背景及抖动模式，构建受控的连续谱—发射线混合基准场景。比较两种连续谱扣除策略：仅用 F606W 估计连续谱的单宽带法与结合 F814W+U′ 重建颜色依赖连续谱的双宽带法，在不同典型区域（H II 区、超新星遗迹、核星团及弥散电离气体等）的表现。通过线通量恢复度、残余背景 RMS 与结构相似度指数 (SSIM)，在等典型区域做像素级和区域综合评估，并进行观测参数敏感性分析，最终给出观测资源受限情况下的滤波片配置建议。
需重点解答的具体问题：
1. 色差建模与连续谱预测精度。单宽带 F606W 与双宽带 F814W+U′ 在不同恒星群体/尘埃条件下的色差–通量关系怎样？两种方案的统计误差与系统偏差分别来源于哪些物理/观测因素？
2. 区域依赖性评估。在星团、H II 区、超新星遗迹、核星团、弥散电离气体等区域，单宽带法与双宽带法的残差图像差异如何？哪些物理环境（年龄梯度、内部消光、背景梯度等）最易放大两种方法的差别？
3. 定量指标与验证方法。定义并计算需要统计的核心指标（线通量恢复度、残余背景 RMS、SSIM、信噪比提升率等）。如何基于已知“真值”与可控噪声，在像素与区域两级对指标进行评估？
4. 观测效应敏感性分析。PSF不匹配、天空背景梯度、曝光时间、读出噪声等参数各自对两种策略的影响强度如何？连续谱泄漏超过 5 % 线强度时的参数阈值在哪里？
5. 推荐策略与误差预算。针对不同科学目标与资源受限情形，滤波片选择与最小曝光需求应如何优化？残余系统误差对 H α 面亮度极限及 [O III]/H α 比值图的影响量级是多少？
- 数据文件：
本题目采用RIGEL 高分辨率辐射流体力学模拟得到仿真观测图像，需要从模拟中提取恒星粒子、气体单元及尘埃后生成观测数据立方，根据MCI滤波片响应及PSF 、读出噪声与天空背景等获得仿真观测图像，并进行扣除策略的构建及对比。
数据和使用说明链接：https://box.nju.edu.cn/d/11051f45b13e4f6aa5a5/
- 评分标准：
量化比较两种扣除方法（F606W vs. F814W+U’）在窄带扣除中的效果差异，以近邻矮星系（如M33）为目标源，评估对1300s MCI/F658N窄带观测及500s宽带观测的连续谱扣除效果，着重比较以下几个核心指标：
- 相对误差和系统偏差。测量扣除后剩余发射线信号与“真值”基准的偏差。平均残差≤ 5% 且系统偏差〈2%：10 分。平均残差 5–15% 或系统偏差 2–5%：8 分。平均残差 15–30% 或系统偏差 5–10%：6 分。平均残差 ＞ 30% 或系统偏差 ＞ 10%：2-4分。
- 稳健型和敏感性。评估方法对背景噪声、PSF变形以及模型假设偏离的鲁棒性，以及对微弱信号的检出能力。对 S/N≥5 信号恢复率 > 90% 且 对噪声扰动（±10%）影响 < 5%：10 分。恢复率 80–90% 或噪声影响 5–10%：8 分。 恢复率 60–80% 或噪声影响 10–20%：6 分。 恢复率 < 60% 或噪声影响 > 20%：2-4分。
- 实用性与复杂度。评估所需观测数据量、计算资源与流程复杂性；方法通用性。所需数据少，一键流程／脚本化：10 分。 数据需求中等（2 张宽带），流程模块化：8 分。 需 > 2 张宽带，需手动调优参数：6 分。 流程多步骤、多手动交互、需额外高维 SED 拟合及大量调参：2-4 分。
参数说明：
平均残差：在所有选定区域上，计算扣除后像素值与真值之间的绝对差值的平均。
系统偏差：扣除后像素值残余在大尺度上的平均方向性偏移（正/负）。
恢复率：对不同强度（S/N）仿真注入的发射线信号，检出并定量恢复到探测阈值的像素比例。
噪声影响：加入±10% 强度随机背景后，平均残差和系统偏差的变化幅度。
使用上述评分标准，即可对两种方法在同一套仿真数据上打分比较，总分更高的方法更优。
如有任何问题，请发邮件至csst_uc@nao.cas.cn，并标题注明“CSST科学数据挑战大赛”。