CN105022157A - 一种太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置 - Google Patents
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Abstract
一种太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置，包括光学望远镜系统、太阳自适应光学系统、多光谱层析成像系统、图像复原及数据融合系统。本装置利用太阳辐射光谱与太阳大气高度的关系，通过增加多光谱层析成像系统，并结合太阳自适应光学技术、图像复原技术，最终实现对太阳活动区进行高分辨力、高对比度层析成像观测。本发明创新性和实用性强，对研究太阳活动发展、演化具有重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及太阳活动区观测技术领域，特别是针对太阳表面活动区进行高分辨力观测和多光谱层析成像观测技术领域。
背景技术
太阳大气具有层状结构，由内而外分为光球、色球、过渡区和日冕。太阳耀斑和日冕物质抛射等爆发活动贯穿整个太阳大气，尽管太阳大气每个高度层都有自己独特的物理特性，但其通过热流动，磁场能量和物质运动紧密地联系起来，因此太阳大气应该被看作一个三维整体。太阳大气不同层具有不同温度和物质，向外辐射不同频率的电磁波。
随着太阳物理学进步，人类对太阳研究在时间尺度、空间尺度及光谱精度等方面提出更高的要求，因此，对太阳望远镜装置也提出了更高的时间分辨力、空间分辨力和光谱分辨力需求。当前，太阳望远镜口径不断增大，集光能力和理论空间分辨力得到提高。然而，由于大气湍流的影响，大口径太阳望远镜在可见光波段观测时的最好效果，只相当于一台口径约为10厘米的小口径望远镜在衍射极限时的观测效果，因此，大口径太阳望远镜实际观测能力并没有随着口径增大而明显提高；为了克服大气湍流对望远镜成像质量造成的影响，世界上各大口径太阳望远镜相继配备了太阳自适应光学系统，如美国1.6米太阳望远镜NST配备了97单元太阳自适应光学系统(Adaptive Optics at the Big Bear Solar Observatory:InstrumentDescription and First Observations),德国1.5米太阳望远镜GREGOR配备了256单元太阳自适应光学系统(The1.5meter solar telescope GREGOR，Astron.Nachr,Vol.333,No.9,pp:796～809,2012).正在筹建中的美国4米太阳望远镜ATST也采用1369单元太阳自适应光学系统校正大气像差(High Order Adaptive Optics System Reference Design PerformanceModeling，ATST Project Documentation,TN-0073,Revision A,2006),欧盟多国共同筹建的4米太阳望远镜EST也需要采用太阳自适应光学系统作为太阳望远镜高分辨力观测的组成部分(Wavefront Sensing and Wavefront Reconstruction for the4m European Solar Telescope,Proc.Of SPIE,7736:77362J,2010).因此，太阳自适应光学系统已经成为太阳望远镜装置获得高分辨力观测的必须手段之一。
然而，为了获得太阳表面活动区在不同太阳大气高度的不同形态，以及太阳活动在不同太阳大气高度的演化过程，仅仅采用集成太阳自适应光学系统的望远镜装置对太阳活动区进行高分辨力观测是不够的，还需要对太阳表面进行多光谱层析成像观测。当前，国内外较大口径太阳望远镜装置已经或即将安装太阳自适应光学系统，能够实现对太阳活动区进行高分辨力观测。然而，传统太阳望远镜仅能够观测太阳活动区在特定太阳大气高度的表现形式是不够的，为了建立太阳活动区在太阳大气不同高度的产生、发展、壮大的演变过程，需要对太阳活动区在不同太阳大气高度表现形式进行观测，建立太阳活动与太阳大气结构水高度变化的函数关系。虽然太阳大气每个高度层都有自己独特的物理特性，但太阳大气不同层具有不同温度和物质，向外辐射不同频率的电磁波。因此，可以通过对太阳活动区不同光谱观测实现太阳活动在不同太阳大气高度的表现，可以得到太阳活动区的瞬时三维结构以及太阳活动形式的发展过程，为实现对太阳活动的预警和预报奠定数据基础。
但传统太阳望远镜配备太阳自适应光学系统后无法实时获得更高分辨力的观测图像，且观测结果仅针对特定太阳大气高度太阳活动区。这限制了研究人员利用大口径太阳望远镜获得太阳活动区在太阳大气中的三维结构，以及在太阳大气不同高度的形态、发展、演化过程和趋势，
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置，实现更高分辨力实时观测能力和大视场观测能力，为太阳活动的数学模型建立、太阳风暴演化的预报和预警提供重要依据。
本发明解决上述的技术问题采用的技术方案是：一种太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置，包括光学望远镜系统、太阳自适应光学系统、多光谱层析成像系统、图像复原及数据融合系统；
光学望远镜系统，包括轻质蜂窝主镜、次镜、中继反射镜组、主镜室、主镜温控系统、热视场光阑及温控系统、镜筒结构和机架结构；其中，轻质蜂窝主镜被安装于主镜室上，并作为整体与次镜、中继反射镜组共同依附于镜筒结构和机架结构上，通过镜筒结构与机架结构连接为一体；入射光束首先经过轻质蜂窝主镜反射后在主镜的焦点位置形成实焦点，并继续向前传播至次镜的反射面，次镜为有焦反射镜，再次将光束反射，并形成观测焦点；中继反射镜组对次镜反射光进行合理编排，使得观测焦点能够进入观测室，便于在光学望远镜观测室；主镜温控系统位于主镜室中，并通过主镜室的支撑结构将轻质蜂窝主镜支撑在上方；主镜温控系统通过向轻质蜂窝主镜面板背板吹较低温度冷媒，使轻质蜂窝主镜背板温度降低，并进一步降低轻质蜂窝主镜面板温度，达到缩小轻质蜂窝主镜镜面与周围环境空气之间温度差，并最终实现对轻质蜂窝主镜镜面视宁度效应的控制；同时，主镜温控系统对轻质蜂窝主镜的温度控制，也能够实现轻质蜂窝主镜镜体的温度均匀分布，从而抑制由于温度分布不均匀导致的热变形效应；热视场光阑及温控系统位于光学望远镜系统主焦点位置处，热视场光阑限制光学望远镜系统成像视场，并通过对光学望远镜系统成像视场的限制，限制进入望光学望远镜系统的能量，避免次镜及中继反射镜组变形甚至损坏，也保证光学望远镜系统的成像质量；热视场光阑仅在光学望远镜系统在白天对太阳活动区进行观测时需要使用，通过热视场光阑对成像视场的限制，限制进入次镜和中继反射镜组的太阳光辐射强度，从而保证光学望远镜系统的成像质量；热视场光阑温控系统对热视场光阑进行冷却，冷却途径为通过将低温液体冷媒注入热视场光阑腔体内，对热视场光阑进行降温，并回收冷却废液，形成循环系统，最终实现热视场光阑与周围环境空气温度平衡，控制光学望远镜内部视宁度效应，保证光学望远镜系统的成像质量；热视场光阑及温控系统位于光学望远镜主焦点处，固定于光学望远镜镜筒结构上；热视场光阑温控系统通过冷媒输送和回收管道与热视场光阑进行连接，实现对热视场光阑的温度控制，热视场光阑温控系统自身则固定于镜筒结构上；
太阳自适应光学系统，位于光学望远镜系统的观测焦点之后，由准直器、高速倾斜反射镜、可变形反射镜、波前探测器及性能评估器组成；准直器位于光学望远镜系统的观测焦点之后，用于将会聚光束准直成平行光，准直后的平行光束分别进入高速倾斜镜、可变形反射镜和波前探测器，分别用于校正倾斜像差、高阶大气像差以及波前畸变探测；性能评估器根据校正后的波前探测器的波前测量结果，计算太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置点扩展函数，并作为后端图像复原和数据融合系统的依据，获得更高分辨力的图像复原结果；太阳光束经过太阳自适应光学系统波前校正后，进入多光谱层析成像系统中；
多光谱层析成像系统，按照成像光谱波长范围不同分为可见光波段层析成像模块、近红外波段层析成像模块及红外波段层析成像模块；多光谱层析成像系统位于太阳自适应光学系统后端，经过不同光谱限制范围的分光镜后分别进入可见光波段层析成像模块、近红外波段层析成像模块及红外波段层析成像模块中；可见光波段层析成像模块、近红外波段层析成像模块或红外波段层析成像模块结构相同，均由滤光器、成像系统、成像相机和同步控制模块组成；滤光器位于成像系统之前的平行光中，根据科学目标对成像系统成像中心波长和光谱带宽进行限制；成像系统用于对特定太阳大气高度的太阳活动区进行成像；成像相机用于对特定光谱成像观测，获得对应太阳大气高度的成像结果；同步控制模块用于各光谱成像相机的同步控制，位于成像相机后端，通过信号线与各光谱成像相机连接；
图像复原及数据融合系统，位于太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置末端，包括图像复原模块和数据融合模块，是对多光谱层析成像系统获取的成像结果进行图像复原，获得更高分辨力的图像以及与光谱相关的显示，大视场图像的拼接，并最终对复原后的图像进行数据融合，获得某一时刻太阳活动区在不同太阳大气表现形式的三维信息；图像复原模块根据太阳自适应光学系统中性能评估模块计算结果及多光谱层析成像系统成像相机光谱强度测量结果，对经太阳自适应光学系统校正后的太阳活动区成像结果进行复原，同时，为了弥补太阳自适应光学观测视场较小的缺点，图像复原模块还能够实现对太阳活动区图像进行拼接，拼接后的图像视场将比原视场大10倍以上，图像复原模块对太阳活动区进行大视场拼接时，需要对太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置指向活动区，太阳自适应光学系统校正后获得成像结果；然后将望远镜装置指向邻近区域，再次控制太阳自适应光学系统，获得校正后的成像结果，如此反复直至将整个太阳活动区扫描完毕；图像复原模块对扫描的多帧图像进行图像复原处理后，开始依据重合区域特征完成大视场成像的拼接；数据融合模块是最终获得太阳活动区在不同太阳大气高度三维成像结果的关键模块，根据各成像光路成像光谱及其对应太阳大气高度，重构出某一时刻太阳活动区在太阳大气的空间分布。
本发明的原理在于：首先，引入太阳自适应光学技术，并在传统太阳自适应光学系统基础上增加太阳望远镜实时性能评估模块，为进一步、实时提高太阳望远镜成像能力奠定基础。其次，针对传统成像技术无法实现对太阳活动进行三维层析成像的问题，利用太阳大气不同高度向地球辐射不同波长的太阳光谱这一特点，本发明提出在传统太阳望远镜基础上增加多光谱层析成像系统，对不同太阳大气高度的太阳活动表现形式进行观测。最后，为了能够实时获得及显示高分辨力、大视场以及三维层析成像结果，本发明提出在太阳望远镜后端增加图像处理和数据融合系统，用以对太阳自适应光学校正后的成像结果进行实时图像复原、大视场拼接和三维成像数据融合等操作，获取太阳活动区从光球底部到色球上部不同高度层的结构和动力学信息，为太阳活动甚至太阳风暴的预测和预警奠定基础。
本发明提出技术具有如下优点：
(1).本发明提出的一种太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置，在传统的太阳自适应光学技术基础上，引入太阳望远镜成像性能实时评估模块，为进一步、实时完成图像复原和数据融合奠定基础，有效提高太阳望远镜成像能力。
(2).本发明提出的一种太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置，结合太阳大气高度与太阳辐射光谱之间的关系，提出采用多光谱成像系统对太阳活动区进行三维层析成像。通过对不同光谱波长的太阳光束进行成像，而每个不同的光谱与太阳活动区大气高度是相对应的，通过多光谱层析成像系统对太阳表面活动区进行高分辨力观测可以获得太阳大气的三维结构信息，并可以据此反演太阳活动在不同太阳大气高度演化过程，为研究太阳活动产生、发展和演变奠定了数据基础，同时也为太阳活动预报提供早期数据支持和数据基础。
(3).本发明提出的一种太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置，通过在太阳望远镜后端增加图像处理和数据融合系统，用以对太阳自适应光学校正后的成像结果进行实时图像复原、大视场拼接和三维成像数据融合等操作，能够实时获得及显示高分辨力、大视场以及三维太阳活动区层析成像结果。
总之，本发明是在综合考虑太阳望远镜对太阳表面活动区观测特点和需求后提出的，利用太阳大气不同高度物理特点及辐射光谱特征，通过多光谱层析成像系统对太阳活动在太阳大气中不同形态进行实时三维高分辨力观测，得到太阳活动在太阳大气中随时间的演化过程。最终，通过图像复原、大视场拼接及数据融合等手段，建立太阳活动形成、发展、壮大直至爆发的模型，为太阳风暴、日地空间天气预报和预警提供重要支持。本发明结合实际需求，创新性和实用性强，对大口径太阳望远镜发展，以及对太阳活动观测、预报和预警均具有重要意义。
附图说明
图1为一种太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置示意图。
图2为采用双格林高利设计方案光学望远镜系统示意图。
图3太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置可能的层析成像观测结果。
图4图像复原模块大视场拼接流程示意图。
图5图像复原模块对太阳活动区进行大视场拼接实例示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置由光学望远镜系统、太阳自适应光学系统、多光谱层析成像系统、图像复原及数据融合系统等组成。
光学望远镜系统主要包括轻质蜂窝主镜1、次镜2、中继反射镜组3、主镜室4、主镜温控系统5、热视场光阑及温控系统6、镜筒结构和机架结构，其中，轻质蜂窝主镜1被安装于主镜室4上，并作为整体，与次镜2、中继反射镜组3共同依附于镜筒结构和机架结构上，通过镜筒结构与机架结构连接为一体。机架结构为镜筒结构及其依附结构提供支撑和跟踪、旋转。入射光束首先经过轻质蜂窝主镜1反射后在主镜焦点位置形成实焦点，并继续向前传播至次镜2反射面，次镜2为有焦反射镜，再次将光束反射，并形成观测焦点。中继反射镜组3的主要功能是对次镜反射光进行合理编排，使得观测焦点能够进入观测室，便于在光学望远镜观测室进行观测。光学望远镜系统一般采用格林高利设计方案或双格林高利设计方案，如图2显示了采用双格林高利设计形式的光学望远镜系统示意图。图2中，M1为轻质蜂窝主镜1，M2为次镜2，M3～M8为中继反射镜组，主要用于中继成像，将观测焦点Coude焦点引入观测室中。
太阳自适应光学系统位于光学望远镜系统观测焦点之后，其主要由准直器7、高速倾斜反射镜8、可变形反射镜9、波前探测器10以及性能评估器11等几个部分组成。本发明所述的太阳自适应光学系统是在传统的太阳自适应光学系统基础上，引入性能评估器11，利用波前探测器测量结果，通过傅里叶变换手段，获得系统点扩展函数，为图像复原和数据融合系统提供数据支持。准直器7位于太阳望远镜观测焦点之后，用于将会聚光束准直成平行光，其可以采用离轴反射抛物镜，也可以采用折射元件。准直后的平行光束分别进入高速倾斜镜8，可变形反射镜9、波前探测器10，分别用于校正倾斜像差、高阶大气像差以及波前畸变探测。性能评估器11主要作用是根据校正后的波前探测器10波前测量结果，计算太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置点扩展函数，并作为后端图像复原和数据融合系统的依据，获得更高分辨力的图像复原结果。传统太阳自适应光学系统中并不包含在线的性能评估器11，仅通过事后分析来评估太阳望远镜装置的成像性能，因此无法实现太阳自适应光学系统性能实时评估，也无法实现太阳活动区图像实时复原以及多光谱层析成像系统实时数据融合。本发明提出在传统太阳自适应光学系统中引入性能评估器11，利用波前探测器10测量结果，通过傅里叶变换手段，获得系统点扩展函数，为图像复原和数据融合系统提供数据支持。
设波前探测器10波前探测结果为Φ，则性能评估器(11)性能评估结果PSF为：
上式中，{·}为傅里叶变换公式，PSF为点扩展函数，A为入射光束振幅，i为虚数单位，Φ波前探测结果。
太阳自适应光学系统是实现对太阳活动区高分辨力观测的关键技术，其可以有效校正大气湍流引起的波前像差，以及由于光学望远镜系统自身重力、装配等误差引起的波前像差，使望远镜装置能够实现对太阳活动区进行接近衍射极限的观测能力。
太阳光束经过太阳自适应光学系统波前校正后，进入多光谱层析成像系统中。本发明所述的多光谱层析成像系统，其光谱范围覆盖可见光至近红外波段，每单路层析成像系统使用的滤光器类型和特性与光谱中心波长和光谱带宽要求有关，滤光器类型主要包括F-P滤光器、双折射滤光器、干涉滤光片等。多光谱层析成像系统需要配备同步控制模块，用于各光谱成像相机的同步控制，其位于成像相机后端，通过信号线与各光谱成像相机连接。同步控制模块可以采用软件控制的方式，通过时钟信号触发。多光谱层析成像系统按照成像光谱波长范围不同分为可见光波段层析成像模块12、近红外波段层析成像模块13以及红外波段层析成像模块14。通过对不同光谱波长的太阳光束进行成像，而每个不同的光谱与太阳活动区大气高度是相对应的，通过多光谱层析成像系统对太阳表面活动区进行高分辨力观测可以获得太阳大气的三维结构信息，并可以据此反演太阳活动在不同太阳大气高度演化过程，为太阳活动预报提供早期数据支持和数据基础。多光谱层析成像系统位于太阳自适应光学系统后端，经过不同光谱限制范围的分光镜后进入可见光波段层析成像模块12、近红外波段层析成像模块13以及红外波段层析成像模块14，这三个模块之间的差异在于成像光谱范围不同，可见光波段层析成像模块12主要工作在可见光光谱范围，其各自的成像系统均在可见光范围内选择单个光谱成像，近红外波段层析成像模块13和红外波段层析成像模块14也分别在工作在近红外波段和红外波段，其模块内的各成像系统也均在对应光谱范围内选择某个波长成像。每个波段层析成像模块均包含多路成像系统，且每路层析成像系统具有特定的光谱波长和光谱带宽。对单路层析成像系统，由滤光器15、成像系统16和成像相机17组成。滤光器15位于成像系统16之前的平行光中，其主要作用是根据科学目标对成像系统16成像中心波长和光谱带宽进行限制。不同的科学目标，对太阳光成像光谱中心波长和光谱带宽要求也不相同，因此滤光器14的选择也需要相应变化。可选择的滤光器15类型包括干涉滤光片、双折射滤光器、F-P滤光器等。成像系统16用于对特定太阳大气高度的太阳活动区进行成像，一般采用组合透镜设计方式，即几个单片透镜通过胶合、装配或两种方式相结合的方式实现。成像相机17用于对特定光谱成像观测，获得对应太阳大气高度的成像结果。多光谱层析成像系统由多个单路层析成像系统组成，且每路层析成像系统中的滤光器15中心光谱波长和光谱带宽均根据太阳物理科学目标。与传统单路成像系统不同的是，多光谱层析成像系统能够同时采集各光谱的成像结果，通过图像复原和数据融合等方法，最终获得某一时刻太阳活动区在不同太阳大气高度的表现形式。为此，多光谱层析成像系统需要同步控制模块18，用于各光谱成像相机的同步控制，其位于成像相机17后端，通过信号线与各光谱成像相机连接。同步控制模块18的主要功能是实现各光谱成像相机的同步控制，其可以通过计算机直接模拟同步信号，使得各光谱成像相机同时开通和关闭即可。与传统太阳望远镜相比，太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置通过增加多光谱层析成像系统，能够实现对太阳活动区在不同太阳大气高度表现形式的观测，并最终实现对太阳活动区进行高分辨力、高对比度层析成像观测能力。
图3显示了太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置通过多光谱层析成像系统获得的观测结果。由于太阳大气不同高度温度、物质组成不同，向外辐射的光谱也不相同。从太阳大气底部向上，大致可以分为光球层、过渡区、色球层和日冕层等几个不同层。多光谱层析成像系统利用不同太阳大气高度向外辐射不同光谱波长的特点，可以分别设置于光球层、过渡区、色球层以及日冕层对应的成像系统，从而获取不同光谱对应高度的成像结果，如附图3所示。将不同光谱成像系统观测结果融合为一张三维图像，就可以得到太阳活动区在不同太阳大气高度的形态，以及太阳活动形式的产生、发展和演变过程。
图像复原及数据融合系统位于太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置末端，主要包括图像复原模块19和数据融合模块20。本专利所述的图像复原和数据融合系统，主要作用是对多光谱层析成像系统获取的成像结果进行图像复原，获得更高分辨力的图像以及与光谱相关的显示，大视场图像的拼接，并最终对复原后的图像进行数据融合，获得某一时刻太阳活动区在不同太阳大气表现形式的三维信息。图像复原模块19是实现对太阳活动区进行高分辨力观测的必要步骤，这是对太阳自适应光学技术的重要补充。图像复原模块19根据太阳自适应光学系统中性能评估模块11计算结果以及多光谱层析成像系统成像相机17光谱强度测量结果，可以对经太阳自适应光学系统校正后的太阳活动区成像结果进行复原，进一步提高成像分辨力。设第m个光谱通道对太阳活动区成像图像为Pm，则复原后的图像Pm0与源图像关系如下式所示：
同时，为了弥补太阳自适应光学观测视场较小的缺点，图像复原模块19实现对太阳活动区图像进行拼接，拼接后的图像视场将比原视场大10倍以上。图像复原模块19对太阳活动区进行大视场拼接时，需要对太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置指向活动区，太阳自适应光学系统校正后获得成像结果；然后将望远镜装置指向邻近区域，再次控制太阳自适应光学系统，获得校正后的成像结果，如此反复直至将整个太阳活动区扫描完毕。图像复原模块对扫描的多帧图像进行图像复原处理后，开始依据重合区域特征完成大视场成像的拼接。
利用图像复原模块进行大视场拼接流程示意图如附图4所示。首先，利用望远镜装置搜索太阳活动区所在的坐标范围，并控制望远镜装置指向活动区进行成像。太阳自适应光学装置对望远镜装置成像视场覆盖的区域进行波前校正后获得高分辨力成像结果。完成对一个区域的高分辨力成像后，控制望远镜装置指向相邻区域，进行太阳自适应光学波前校正和高分辨力成像。如此往复，直到能够覆盖较大活动区对应的全部视场为止。完成对较大活动区分别进行高分辨力成像后，利用图像复原模块19对这些图像进行图像复原处理，最后利用数据融合模块20完成对观测图像的拼接，从而获得对较大活动区的高分辨力拼接成像结果。附图5为利用本发明专利提出的望远镜装置进行大视场拼接成像可能的实现结果之一。附图5中，望远镜装置将较大太阳活动区分成了7个较小的成像区域，并分别进行高分辨力成像，获得7幅成像结果。根据7幅图像中相同部分的匹配，将7幅图像拼接在一起，就得到了较大活动区的高分辨力成像结果。数据融合模块20是最终获得太阳活动区在不同太阳大气高度三维成像结果的模块，其主要功能为根据各成像光路成像光谱及其对应太阳大气高度，重构出某一时刻太阳活动区在太阳大气中的空间分布。这里所谓数据融合，就是将多光谱层析成像系统中不同光谱成像系统观测结果与太阳大气不同高度对应光谱辐射特性相结合，从而实现对同一时刻太阳活动区在不同太阳大气高度表现形式的描绘。由于太阳自适应光学系统性能评估模块11、图像复原模块19和数据融合模块20均融入本发明提出的太阳活动区高分辨力层析成像装置中，因此能够提高数据实时性，做到太阳活动区高分辨力层析成像结果的实时处理和显示。
总之，太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置通过引入多光谱层析成像系统，能够完成可见光至近红外的某些波段，在较大视场内，对太阳活动区实现高空间和高时间分辨力同时成像，获取太阳活动区从光球底部到色球上部不同高度层的结构和动力学信息。此外，在传统太阳自适应光学系统中引入性能评估模块11能够实时评估太阳自适应光学系统校正后望远镜装置的成像能力，这为后端图像复原和数据融合系统数据处理的实时性奠定了基础。通过图像复原和数据融合系统，本发明提出的太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置能够实时地产出具有高分辨能力的太阳活动区层析成像结果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置，其特征在于：包括光学望远镜系统、太阳自适应光学系统、多光谱层析成像系统、图像复原及数据融合系统；
光学望远镜系统，包括轻质蜂窝主镜(1)、次镜(2)、中继反射镜组(3)、主镜室(4)、主镜温控系统(5)、热视场光阑及温控系统(6)、镜筒结构和机架结构；其中，轻质蜂窝主镜(1)被安装于主镜室(4)上，并作为整体与次镜(2)、中继反射镜组(3)共同依附于镜筒结构和机架结构上，通过镜筒结构与机架结构连接为一体；入射光束首先经过轻质蜂窝主镜(1)反射后在主镜(1)的焦点位置形成实焦点，并继续向前传播至次镜(2)的反射面，次镜(2)为有焦反射镜，再次将光束反射，并形成观测焦点；中继反射镜组(3)对次镜(2)反射光进行合理编排，使得观测焦点能够进入观测室，便于在光学望远镜观测室；主镜温控系统(5)位于主镜室(4)中，并通过主镜室(4)的支撑结构将轻质蜂窝主镜(1)支撑在上方；主镜温控系统(5)通过向轻质蜂窝主镜(1)面板背板吹较低温度冷媒，使轻质蜂窝主镜(1)背板温度降低，并进一步降低轻质蜂窝主镜(1)面板温度，达到缩小轻质蜂窝主镜(1)镜面与周围环境空气之间温度差，并最终实现对轻质蜂窝主镜(1)镜面视宁度效应的控制；同时，主镜温控系统(5)对轻质蜂窝主镜(1)的温度控制，也能够实现轻质蜂窝主镜(1)镜体的温度均匀分布，从而抑制由于温度分布不均匀导致的热变形效应；热视场光阑及温控系统(6)位于光学望远镜系统主焦点位置处，热视场光阑限制光学望远镜系统成像视场，并通过对光学望远镜系统成像视场的限制，限制进入望光学望远镜系统的能量，避免次镜(2)及中继反射镜组(3)变形甚至损坏，也保证光学望远镜系统的成像质量；热视场光阑仅在光学望远镜系统在白天对太阳活动区进行观测时需要使用，通过热视场光阑对成像视场的限制，限制进入次镜(2)和中继反射镜组(3)的太阳光辐射强度，从而保证光学望远镜系统的成像质量；热视场光阑温控系统对热视场光阑进行冷却，冷却途径为通过将低温液体冷媒注入热视场光阑腔体内，对热视场光阑进行降温，并回收冷却废液，形成循环系统，最终实现热视场光阑与周围环境空气温度平衡，控制光学望远镜内部视宁度效应，保证光学望远镜系统的成像质量；热视场光阑及温控系统位于光学望远镜主焦点处，固定于光学望远镜镜筒结构上；热视场光阑温控系统通过冷媒输送和回收管道与热视场光阑进行连接，实现对热视场光阑的温度控制，热视场光阑温控系统自身则固定于镜筒结构上；
太阳自适应光学系统，位于光学望远镜系统的观测焦点之后，由准直器(7)、高速倾斜反射镜(8)、可变形反射镜(9)、波前探测器(10)及性能评估器(11)组成；准直器(7)位于光学望远镜系统的观测焦点之后，用于将会聚光束准直成平行光，准直后的平行光束分别进入高速倾斜镜(8)、可变形反射镜(9)和波前探测器(10)，分别用于校正倾斜像差、高阶大气像差以及波前畸变探测；性能评估器(11)根据校正后的波前探测器(10)的波前测量结果，计算太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置点扩展函数，并作为后端图像复原和数据融合系统的依据，获得更高分辨力的图像复原结果；太阳光束经过太阳自适应光学系统波前校正后，进入多光谱层析成像系统中；
多光谱层析成像系统，按照成像光谱波长范围不同分为可见光波段层析成像模块(12)、近红外波段层析成像模块(13)及红外波段层析成像模块(14)；多光谱层析成像系统位于太阳自适应光学系统后端，经过不同光谱限制范围的分光镜后分别进入可见光波段层析成像模块(12)、近红外波段层析成像模块(13)及红外波段层析成像模块(14)中；可见光波段层析成像模块(12)、近红外波段层析成像模块(13)或红外波段层析成像模块(14)结构相同，均由滤光器(15)、成像系统(16)、成像相机(17)和同步控制模块(18)组成；滤光器(15)位于成像系统(16)之前的平行光中，根据科学目标对成像系统(16)成像中心波长和光谱带宽进行限制；成像系统(16)用于对特定太阳大气高度的太阳活动区进行成像；成像相机(17)用于对特定光谱成像观测，获得对应太阳大气高度的成像结果；同步控制模块(18)用于各光谱成像相机的同步控制，位于成像相机(17)后端，通过信号线与各光谱成像相机连接；
图像复原及数据融合系统，位于太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置末端，包括图像复原模块(19)和数据融合模块(20)，是对多光谱层析成像系统获取的成像结果进行图像复原，获得更高分辨力的图像以及与光谱相关的显示，大视场图像的拼接，并最终对复原后的图像进行数据融合，获得某一时刻太阳活动区在不同太阳大气表现形式的三维信息；图像复原模块(19)根据太阳自适应光学系统中性能评估模块(11)计算结果及多光谱层析成像系统成像相机(17)光谱强度测量结果，对经太阳自适应光学系统校正后的太阳活动区成像结果进行复原，同时，为了弥补太阳自适应光学观测视场较小的缺点，图像复原模块(19)还能够实现对太阳活动区图像进行拼接，拼接后的图像视场将比原视场大10倍以上，图像复原模块(19)对太阳活动区进行大视场拼接时，需要对太阳活动区高分辨力层析成像望远镜装置指向活动区，太阳自适应光学系统校正后获得成像结果；然后将望远镜装置指向邻近区域，再次控制太阳自适应光学系统，获得校正后的成像结果，如此反复直至将整个太阳活动区扫描完毕；图像复原模块(19)对扫描的多帧图像进行图像复原处理后，开始依据重合区域特征完成大视场成像的拼接；数据融合模块(20)是最终获得太阳活动区在不同太阳大气高度三维成像结果的关键模块，根据各成像光路成像光谱及其对应太阳大气高度，重构出某一时刻太阳活动区在太阳大气的空间分布。
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105425378A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-03-23 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统 |
| CN106019562A (zh) * | 2016-08-01 | 2016-10-12 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种适用于白天观测的全波段高分辨力成像光学望远镜 |
| CN108490214A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-09-04 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于可调谐滤光器成像观测的太阳大气视向速度场测量方法 |
| CN111399211A (zh) * | 2020-04-13 | 2020-07-10 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜 |
| CN111650740A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-09-11 | 中国科学院云南天文台 | 一种同步大视场测光测谱终端系统及其应用 |
| CN114167597A (zh) * | 2021-12-15 | 2022-03-11 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种太阳望远镜光学系统及装置 |
| CN116338931A (zh) * | 2023-05-30 | 2023-06-27 | 成都庆龙航空科技有限公司 | 无人机光电瞄准装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3100264A (en) * | 1960-01-28 | 1963-08-06 | Polarad Electronics Corp | Star energy identification system for space navigation |
| CN101510007A (zh) * | 2009-03-20 | 2009-08-19 | 北京科技大学 | 一种红外光图像与可见光图像实时摄取与自适应融合装置 |
| CN102879901A (zh) * | 2012-09-29 | 2013-01-16 | 中国科学院光电技术研究所 | 基于太阳地表层共轭自适应光学系统的大视场高分辨力成像装置 |
| CN103412399A (zh) * | 2013-07-20 | 2013-11-27 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置 |
-
2014
- 2014-04-23 CN CN201410165561.7A patent/CN105022157B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3100264A (en) * | 1960-01-28 | 1963-08-06 | Polarad Electronics Corp | Star energy identification system for space navigation |
| CN101510007A (zh) * | 2009-03-20 | 2009-08-19 | 北京科技大学 | 一种红外光图像与可见光图像实时摄取与自适应融合装置 |
| CN102879901A (zh) * | 2012-09-29 | 2013-01-16 | 中国科学院光电技术研究所 | 基于太阳地表层共轭自适应光学系统的大视场高分辨力成像装置 |
| CN103412399A (zh) * | 2013-07-20 | 2013-11-27 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| KAI WEI等: "First light on the 127-element adaptive optical system for 1.8-m telescope", 《CHINESE OPTICS LETTERS》 * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105425378A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-03-23 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统 |
| CN105425378B (zh) * | 2015-12-31 | 2017-09-12 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种虚拟孔径复振幅拼接超分辨率天文望远镜系统 |
| CN106019562A (zh) * | 2016-08-01 | 2016-10-12 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种适用于白天观测的全波段高分辨力成像光学望远镜 |
| CN106019562B (zh) * | 2016-08-01 | 2018-08-03 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种适用于白天观测的全波段高分辨力成像光学望远镜 |
| CN108490214A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-09-04 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于可调谐滤光器成像观测的太阳大气视向速度场测量方法 |
| CN111399211A (zh) * | 2020-04-13 | 2020-07-10 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于变形次镜的太阳大视场高分辨力成像望远镜 |
| CN111650740A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-09-11 | 中国科学院云南天文台 | 一种同步大视场测光测谱终端系统及其应用 |
| CN114167597A (zh) * | 2021-12-15 | 2022-03-11 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种太阳望远镜光学系统及装置 |
| CN116338931A (zh) * | 2023-05-30 | 2023-06-27 | 成都庆龙航空科技有限公司 | 无人机光电瞄准装置 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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