CN104180973A - 一种实现太阳磁场望远镜透过轮廓的在轨调试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现太阳磁场望远镜透过轮廓的在轨调试系统及方法，包括由望远系统、偏振分析器、滤光器依次连接组成的待测太阳磁场望远镜，以及由透镜组、光栅光谱仪、光电倍增管依次同轴排列设置的谱线轮廓调试系统，其中，在所述滤光器的输出端和透镜组的输入端之间连接有光纤束，所述滤光器包括至少一个晶体级，分别调整所述滤光器中的各晶体级方位，使得从待测太阳磁场望远镜中输出的光源经所述光纤束引光并依次通过所述透镜组成像、光栅光谱仪轮廓扫描以及光电倍增管的信号放大后输出的光谱线轮廓图在计算机中予以显示。本发明解决了原有光学系统中无法判断整个望远镜使用状态的透过轮廓以及太阳磁场测量精度下降的问题。

Description

一种实现太阳磁场望远镜透过轮廓的在轨调试系统及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种实现太阳磁场望远镜的透过轮廓的在轨调试系统及方法。

背景技术

太阳强磁场区域剧烈的爆发往往伴随着大量的高能辐射和带电粒子流，它对宇航安全、短波通讯、近地气象和人类生存环境均产生重要影响，对太阳磁场的研究长期以来一直是太阳研究的主题。太阳磁场望远镜是天文望远镜的一种，是进行太阳物理核心课题研究的关键仪器，太阳磁场望远镜于1985年安装于北京天文台怀柔太阳观测站，是光机电综合一体的高精密设备，主要研究目标是研究太阳磁场、速度场以及相关的太阳物理现象。

双折射滤光器是太阳磁场望远镜中的主要光学器件，双折射滤光器是由双折射晶体构成的、利用偏振光的干涉作用得到充满视场的单色光的仪器，双折射滤光器主要依靠旋转滤光器内的波片来调整谱线的。透过轮廓调试与定标是双折射滤光器型太阳磁场望远镜建成并投入使用前必不可少的一项工作。现有技术中，暂还未出现实现太阳磁场望远镜透过轮廓的在轨调试与定标，一般是先对双折射滤光器单独进行调试与定标，最后再利用望远镜的磁场测量效果进行微调完成谱线定标，此方法的弊端是只能得到滤光器的轮廓，无法判断整个望远镜使用状态的透过轮廓，望远镜的测试状态和实际工作状态经常存在较大差异，也不能及时的诊断望远镜观测时出现的问题。而且采用传统的方法，望远镜的轮廓调试的工作量较大，透过轮廓定标存在误差，影响太阳磁场的测量精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种实现太阳磁场望远镜的透过轮廓的在轨调试系统及方法，以解决原有的无法实现整个望远镜透过轮廓的检测定标以及太阳磁场测量受环境影响测量精度下降的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种实现太阳磁场望远镜透过轮廓的在轨调试系统，包括两个部分：由望远系统、偏振分析器、滤光器依次连接组成的待测太阳磁场望远镜，以及由透镜组、光栅光谱仪、光电倍增管依次同轴排列设置的谱线轮廓调试系统，其中，在所述滤光器的输出端和透镜组的输入端之间连接有光纤束，光纤束由多根细小的光纤组成，数百根，甚至数千根，所述滤光器包括至少一个晶体级，分别调整所述滤光器中的各晶体级方位，并使得光谱仪的透射波长与待测望远镜设定的观测波长一致，使得从待测太阳磁场望远镜中输出的光源经所述光纤束引光并依次通过所述透镜组成像、光栅光谱仪轮廓扫描以及光电倍增管的信号放大后输出的光谱线轮廓图在计算机中予以显示。

进一步地，所述调试系统还包括有半导体激光器，所述半导体激光器连接至所述光纤束的输入端，用于调试系统的光路调整。

优选地，所述滤光器包括八个晶体级，各晶体级内设可旋转的用于改变入射光相位差的波片。各晶体级的透过带宽不一样，所述晶体级的数量根据不同望远镜和滤光器的要求可作相应调整，波片的旋转由外部的旋转装置如电机带动。

优选地，所述透镜组由至少两片凸透镜组成，采用三片最好。

此外，所述调试系统在避光环境中进行。

基于本发明的另一方面，还提供一种实现太阳磁场望远镜透过轮廓的在轨调试方法，包括如下步骤：

将光纤束的两端分别连接到待测太阳磁场望远镜中的滤光器的输出端及谱线轮廓调试系统中的透镜组的输入端；

调整谱线轮廓调试系统中的光栅光谱仪的透过波长，使其与待测太阳磁场望远镜的观测波长相同；

分别调整位于待测太阳磁场望远镜中的滤光器中的各晶体级方位，使其输出光强值为最大；

从待测太阳磁场望远镜中输出的光源经所述光纤束引光并通过谱线轮廓调试系统中的光栅光谱仪扫描及光电倍增管的放大后输出得到观测模式下的光谱轮廓图。

进一步地，在将光纤束连接于光栅光谱仪与透镜组之间之前，先外接激光器作为辅助光源，主要目的是用作调整光路，使接下来的待测太阳磁场望远系统的光路符合接入要求，将光纤束输入端连接到激光器，另一端连接到透镜组，调整透镜组内各个凸透镜的位置使得光束入射到光栅光谱仪狭缝中，光束焦比为1/4，关闭激光器电源。

进一步地，所述滤光器包括八个晶体级，各晶体级可由电机控制其旋转角度，依次令每个晶体级内部的波片在垂直于光路的平面内旋转，观察输出光强，当输出光强值在设定波长上最大时停止旋转。

进一步地，从晶体级透过带宽最大的晶体级开始旋转，依次重复调整，在调整完各个晶体级后，标定每个晶体级的位置。

进一步地，在获得输出光谱轮廓图后，在按照同比例同时旋转待测太阳磁场望远镜滤光器中的各晶体级，可观测滤光器透过轮廓的整体移动的谱线图。

进一步地，所述调试在全遮光环境中进行。

与现有技术相比，本发明所提供的一种实现太阳磁场望远镜的透过轮廓的在轨调试系统及方法，达到了如下技术效果；

(1)、本发明首次采用光纤束引光，能够在望远镜运行状态下对其透过轮廓进行检测，减短了望远镜投入使用的周期，降低了轮廓调试的工作量，令定期的波带调整容易实现，并且可得到最准确的整个望远镜工作状态下的透过轮廓，利于对望远镜准确的评估和问题解决；

(2)、本发明可以实时直观的检测出望远镜在长期工作后导致的透过轮廓漂移、各晶体级不匹配和透过率降低等问题，保证太阳磁场的测量精度；

(3)、本发明具有通用性，可应用于各种双折射滤光器型望远镜，实现定期的透过轮廓检测、调试和定标。

附图说明

图1是本发明所述的一种实现太阳磁场望远镜的透过轮廓的在轨调试系统的组成示意图；

图2是本发明在调试前的太阳磁场望远镜透过轮廓的光谱图；

图3是本发明在调试后的太阳磁场望远镜透过轮廓的光谱图；

图4是本发明在调试前测得的太阳磁场图；

图5是本发明在调试后测得的太阳磁场图。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定部件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个部件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分部件的方式，而是以部件在功能上的差异来作为区分的准则。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本新型的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明所述的一种实现太阳磁场望远镜透过轮廓的在轨调试系统的组成示意图。该系统主要包括两个组成部分：待测太阳磁场望远镜10和谱线轮廓调试系统20，为了实现数据的采集、存储和显示，还设有数据采集系统和计算机。

其中，待测太阳磁场望远镜10主要由望远系统101、偏振分析器102、滤光器103依次连接组成，谱线轮廓调试系统20主要由依次同轴排列设置的透镜组201、光栅光谱仪202以及光电倍增管203组成。在所述滤光器103的输出端和透镜组201的输入端之间连接有光纤束30，所述光纤束30由上百根的光纤维组成，所述滤光器103包括至少一个晶体级，分别调整所述滤光器103中的各晶体级方位，令输出光强值为最大，并调整光栅光谱仪的透过波长与观测太阳磁场设定的波长一致，使得从待测太阳磁场望远镜10中输出的光源经所述光纤束30引光并依次通过所述透镜组201成像、光栅光谱仪202轮廓扫描以及光电倍增管203的信号放大后输出的光谱线轮廓图在计算机中予以显示。本光学系统直接以待测太阳磁场望远镜10输出光为光源，以光纤束30连接，应用成熟商品光栅光谱仪202作为检测仪器，具有重复性高，定标准确，方法易于操作的优点，完成了已往无法实现整个望远镜透过轮廓的检测定标。

具体来说，要实现太阳磁场的测量，望远镜主要有三个主要部分：望远系统101、偏振分析器102以及滤光器103组成，所述望远系统101可以是由抛物面主镜、准直镜构成，偏振分析器102位于望远系统101之后，通过偏振光学元件的不同组合方式，调制分离出太阳谱线在磁场作用下产生的各个Stokes偏振分量。望远系统101得到的是白光像、望远系统101加滤光系统可以得到单色像，而想获得太阳磁图需要在得到太阳单色像的基础上，利用偏振分析器102观测到Stokes参数的各个分量，才能实现。

所述滤光器103为双折射晶体滤光器103，双折射滤光器103型是以滤光器103作为滤光元件，它的最大优点是可以直接得到太阳的二维图像，因而获得二维单色像及磁图的时间分辨率远高于光谱仪型。双折射滤光器103由双折射晶体构成的、利用偏振光的干涉作用得到充满视场的单色光。偏振光进入光轴平行于通光表面的双折射晶片后，分成振动方向垂直于晶轴的寻常光和平行于晶轴的非常光，采用的双折射材料是水晶或冰洲石晶体。本发明中的滤光器103包括八个晶体级，各晶体级内设用于改变入射光相位差的波片，各个晶体级可由电机带动其旋转，进而促使晶体内的波片旋转，旋转角度方向可变，当某晶体级光强值最大时，停止电机的运转，其旋转方式可为从滤光器203中的的晶体级透过带宽最大的晶体级开始，然后依次向透过带宽较小的晶体级调整。

由于太阳光谱经过太阳磁场望远镜后，能量损失严重，用肉眼无法很好的识别或识别不清，调整测试用的光学通路中还需外接光源，该光源采用半导体激光器，所述半导体激光器连接至所述光纤束30的输入端，用于辅助谱线轮廓调试系统20的光路调整。半导体激光器工作原理是采用激励方式，利用半导体物质(即利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光，其体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高，能够明显增强光传输功率，使其满足肉眼能够观察出太阳光谱图。其中，所述激光器的波长与待测太阳磁场望远镜10的设定波长设置为大致相同，如532nm。

所述谱线轮廓调试系统20主要由依次同轴排列设置的透镜组201、光栅光谱仪202以及光电倍增管203组成。其中，光纤束30在连接时也与透镜组201同轴排列。

本发明中的透镜组201分别连接光纤束30的输出端和光栅光谱仪的输入端，将经光纤束30传导过来的光谱进行汇聚放大后传导给光栅光谱仪202。所述透镜组由至少两片凸透镜组201成，优选采用三片，每一片镜片具有两个折射曲面，透镜由于两个表面的折射，具有对光束的会聚或发散作用，能在任何要求位置形成物体的像。单独一片透镜往往不能满足校正像差的要求；本发明采用几片透镜构成组合体，从校正像差的需要出发，确定各透镜的结构参量，使整个组合体既满足成像和使用要求，又达到指定的相对孔径、视场角等光学性能，其可以把无限远物体成像于其焦平面上。在实际测量中，透镜组201内各个凸透镜的位置需要调整，使其光束能够入射到光栅光谱仪202狭缝中，光束焦比为1/4。

所述光栅光谱仪202利用光的折射或衍射产生色散，获得单波长辐射。当从透镜组201射出的一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长(颜色)。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长，具体在本发明中，其透过波长设置为与太阳磁场望远镜的观测波长一致，为532.4nm，光栅光谱仪为ACTON公司生产的型号为SpectraPro-300i，光谱分辨率为0.027nm。

光电倍增管203是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件，它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200～1200纳米的极微弱辐射功率。当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大，然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。

其中，所述光电倍增管203和光栅光谱仪202都与数据采集系统连接，数据采集系统将光栅光谱仪202扫描到的数据经光电倍增管203的放大以及数据采集系统处理后在计算机中清晰的显示出光谱图。

本发明不同于以往用一台太阳光谱望远镜来定标新望远镜的滤光器103系统，本发明针对望远镜透过轮廓调试的要求，建立一套全新的光学系统，可应用于各种滤光器103型太阳磁场望远镜的透过轮廓检测调试定标。

此外，本发明还提供一种实现太阳磁场望远镜的透过轮廓的在轨调试的方法，主要包括如下步骤：

步骤一、将光纤束30的两端分别连接到待测太阳磁场望远镜10中的滤光器103的输出端及谱线轮廓调试系统20中的透镜组201的输入端；

步骤二、调整谱线轮廓调试系统20中的光栅光谱仪202的的透过波长，使其与待测太阳磁场望远镜10的观测波长相同；

步骤三、分别调整位于待测太阳磁场望远镜10中的滤光器103中的各晶体级方位，使其输出光强值为最大、并达到设计状态下的波长、带宽、透过率等标准；

步骤四、从待测太阳磁场望远镜10中输出的光源经所述光纤束30引光并通过谱线轮廓调试系统20中的光栅光谱仪202扫描输出、和光电倍增管的信号放大后得到观测模式下的光谱轮廓图。

其中，在步骤一中，在将光纤束30连接于光栅光谱仪202与透镜组201之间之前，先外接激光器作为调整光路的辅助光源，将光纤束30输入端连接到激光器，另一端连接到透镜组201，调整透镜组201内各个凸透镜的位置使得光束入射到光栅光谱仪202狭缝中，光束焦比为1/4，关闭激光器电源。通过激光器的设置，可以得到明显增强的光源强度，使检测到的透过轮廓能够被显示辨别。

在步骤二中，将光栅光谱仪202的透过波长调整到532.4nm。

在步骤三中，所述滤光器103包括8个晶体级，各晶体级可由电机控制其旋转角度，依次令每个晶体级内部的波片在垂直于光路的平面内旋转，观察输出光强，当输出光强值最大时停止旋转。具体来说，转动太阳磁场望远镜滤光器103内的一个晶体级，令光强值最大，转动顺序由8号晶体级至1号晶体级，旋转8号晶体级的电机，令8号晶体级内部的波片在垂直于光路平面内旋转，此时输出光强按余弦变化，当输出光强值最大时，停止旋转，再调整下一个晶体级。在调整完各个晶体级后，标定每个晶体级的位置。用光栅光谱仪202扫描待测太阳磁场望远镜10透过轮廓，可获得输出光谱轮廓图。图2和图3分别为调试前后的望远镜轮廓的输出光谱图，从图中可看出，采用本发明的方法调试完毕后的透过轮廓中心位置没有出现漂移现象、没有出现次极大的现象，且轮廓图更清晰，更稳定。

在获得输出光谱轮廓图后，在按照同比例同时旋转待测太阳磁场望远镜10滤光器103中的各晶体级，可观测滤光器103透过轮廓的整体移动的谱线图。按照同比例，同时旋转太阳磁场望远镜滤光器103内的各晶体级，转动对应的角度，滤光器103透过轮廓的整体移动，验证谱线整移效果，整移范围为-2A至+2A，每次整移步长为0.02A，A为幅度。上述工作完成后，移出光纤束，此时磁场望远镜可以实现太阳磁场观测。

图4是本发明在调试前测得的太阳磁场图；图5是本发明在调试后测得的太阳磁场图。从两幅图对比可看出，采用本发明所述的方法调试完毕后测得的太阳磁场图明显比调试前更清晰。

本发明首先将光栅光谱仪202的透过波长调整到设定波长，从滤光器203中的的晶体级透过带宽最大的晶体级开始，旋转晶体级内光学元件，令输出轮廓变化，令光强值在设定波长上最大，反复调整，不再改变后，定标滤光器103各级位置。

其次，用光栅光谱仪202扫描，可获得滤光器103在该波长的轮廓。

最后，同时调整各晶体级的旋转角度，实现滤光器103透过轮廓的整移，验证谱线整移效果，使得调试更精确。

整个调试系统如图1所示，由于经过光纤的能量比较弱，整个测试系统要放在全遮光的环境，调试时也进行避光处理。

本发明能够完成以往无法实现的太阳磁场望远镜透过轮廓在线调试与定标。为解决太阳磁场望远镜透过轮廓中心位置漂移、出现次极大、峰值透过率降低等问题，首次采用了光纤引光、在望远镜运行状态对其谱线透过轮廓进行检测，得到观测模式下的透过轮廓，针对存在的透过轮廓中心位置漂移、出现次极大、峰值透过率低等问题，分别调整滤光器103各晶体级透过轮廓，令其匹配，并校准峰值位置，达到设计状态下的波长、带宽、透过率等标准，保证精确的太阳磁场测量。应用该方法分别对北京怀柔现有的三台太阳磁场望远镜及气象局磁场望远镜进行了精确的调试及定标。解决了三通道太阳磁场望远镜透过率降低，出现次级大的问题，直观的发现了35cm磁场望远镜电机导致的谱线整移问题；简化了新滤光器投入使用周期；具有通用性，可应用于各种双折射滤光器型望远镜，实现定期的透过轮廓检测、调试和定标。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种实现太阳磁场望远镜透过轮廓的在轨调试系统，其特征在于，包括：由望远系统、偏振分析器、滤光器依次连接组成的待测太阳磁场望远镜，以及由透镜组、光栅光谱仪、光电倍增管依次同轴排列设置的谱线轮廓调试系统，其中，在所述滤光器的输出端和透镜组的输入端之间连接有光纤束，所述滤光器包括至少一个晶体级，分别调整所述滤光器中的各晶体级方位，使得从待测太阳磁场望远镜中输出的光源经所述光纤束引光并依次通过所述透镜组成像、光栅光谱仪轮廓扫描以及光电倍增管的信号放大后输出的光谱线轮廓图在计算机中予以显示。

2.如权利要求1所述的一种实现太阳磁场望远镜透过轮廓的在轨调试系统，其特征在于，还包括有半导体激光器，所述半导体激光器连接至所述光纤束的输入端，用于谱线轮廓调试系统的光路调整。

3.如权利要求2所述的一种实现太阳磁场望远镜的透过轮廓的在轨调试系统，其特征在于，所述滤光器包括八个晶体级，各晶体级内设可旋转的用于改变入射光相位差的波片。

4.如权利要求3所述的一种实现太阳磁场望远镜的透过轮廓的在轨调试系统，其特征在于，所述透镜组由至少两片凸透镜组成。

5.一种根据前述权利要求1至4中任意一项所述的在轨调试系统的调试方法，其特征在于，包括如下步骤：

将光纤束的两端分别连接到待测太阳磁场望远镜中的滤光器的输出端及谱线轮廓调试系统中的透镜组的输入端；

调整谱线轮廓调试系统中的光栅光谱仪的透过波长，使其与待测太阳磁场望远镜的观测波长相同；

分别调整位于待测太阳磁场望远镜中的滤光器中的各晶体级方位，使其输出光强值为最大；

从待测太阳磁场望远镜中输出的光源经所述光纤束引光并通过谱线轮廓调试系统中的光栅光谱仪扫描及光电倍增管的放大后输出得到观测模式下的光谱轮廓图。

6.如权利要求5所述的调试方法，其特征在于，在将光纤束连接于光栅光谱仪与透镜组之间之前，先外接激光器作为调整光路的辅助光源，将光纤束输入端连接到激光器，另一端连接到透镜组，调整透镜组内各个凸透镜的位置使得光束入射到光栅光谱仪狭缝中，光束焦比为1/4。

7.如权利要求6所述的调试方法，其特征在于，所述滤光器包括八个晶体级，各晶体级可由电机控制其旋转角度，依次令每个晶体级内部的波片在垂直于光路的平面内旋转，观察输出光强，当输出光强值在设定波长上最大时停止旋转。

8.如权利要求7所述的调试方法，其特征在于，从晶体级透过带宽最大的晶体级开始旋转，依次重复调整，在调整完各个晶体级后，标定每个晶体级的位置。

9.如权利要求8所述的调试方法，其特征在于，在获得输出光谱轮廓图后，在按照同比例同时旋转待测太阳磁场望远镜滤光器中的各晶体级，观测滤光器透过轮廓的整体移动的谱线图。

10.如权利要求6-9任一所述的调试方法，其特征在于，所述调试在避光环境中进行。