CN105571827A - 一种日冕仪平场测量和光强标定的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种日冕仪平场测量和光强标定的装置，包括：乳白玻璃、衰减片、日冕仪、滤光系统、探测器、图像采集系统；其中，该装置以天然面光源太阳作为光源，来自太阳的光经所述乳白玻璃扩散成大角度光源；所述大角度光源的光经所述衰减片调节入射光强度后进入日冕仪，由所述日冕仪的视场光阑选择视场，形成均匀的面光源；所述滤光系统对所述面光源发射的光进行波长选择，特定波长的光经探测器、图像采集系统采集后存储。本发明的装置在平场测量的同时可以兼顾光强标定，具备低成本、操作简便、多功能的优点。

Description

一种日冕仪平场测量和光强标定的装置与方法

技术领域

本发明涉及实测太阳物理领域，特别涉及一种日冕仪平场测量和光强标定的装置与方法。

背景技术

在日冕观测发展史上，日冕仪的出现具有里程碑式的意义。自1931年法国科学家lyot发明日冕仪以来，人类摆脱了只能在日全食观测日冕的局限，日冕的观测更加常规化。至今，无论是地面还是空间太阳观测设备中，基于日冕仪的日冕观测是其重要构成部分之一，并推动了日冕、空间物理以及空间环境预报研究的迅猛发展。

日冕仪根据其观测对象的不同可以分为E冕或K冕日冕仪，也称发射线日冕仪或白光日冕仪，其区别于其它太阳或夜天文望远镜的主要不同是日冕仪需要掩体遮挡来自太阳的光，比如有的日冕仪观测1.1到3个太阳半径的日冕，1.1个太阳半径以内的光需要完全遮挡。当今的日冕观测多基于面阵成像器件(CCD或CMOS相机)，日冕仪中光学系统的脏点、渐晕以及面阵成像器件每个像元的感光差异均会影响到日冕成像的质量，所以需要寻求有效的平场校正方法扣除上述影响。另外，尽管日冕观测需要遮掉太阳光，但其强度定标多采用相对太阳光的强度来表示，即：10^-xB_sun，B_sun代表太阳光，一般x的值在6-10之间，取决于其观测视场的大小。因此，日冕观测的数据处理除平场校正外，还需要一套光强标定的装置。可见，日冕仪的平场改正和光强标定是基于日冕仪数据开展科学和应用研究的基础。

平场测量的关键是在观测视场内获得均匀的面光源。太阳观测因是面源观测，可以采用的平场测量方法有以下几种：1、选取日面中心宁静区，随机移动望远镜，多帧叠加获得均匀面光源，该方法主要用在小视场观测中，日冕仪视场较大不再适用。2、移动太阳像使得太阳像在面阵成像器件内位置变化，采用最小二乘拟合方法拟合出平场，该方法可以用在局部和全日面太阳观测中，其采用的软件算法，需要精确的数据对齐，耗时较长，有时也会出现边缘效应，影响平场测量精度。因为日冕仪观测需要靠掩体遮挡太阳，移动太阳像位置时太阳可能不在掩体遮挡范围内，太阳光相对日冕光很强，此时很容易饱和，所以该方法并不适合用在日冕仪上。

为得到面光源，夜天文观测平场测量多采用圆顶平场或晨昏蒙影平场。圆顶平场需要在观测圆顶内建造一个幕布，一个光源，光源打到幕布上散射出均匀的面光源，该方法可以用到日冕仪上，但其成本较高。天光平场在日出或日落前后背对太阳的方向选择一块无云、尽可能均匀的天区，将该天区视做面光源，这个方法也可以用在日冕仪上，但其仅能在日出或日落前后几十分钟的时间内测量平场，测量时间有限。且该方法受云雨等极端天气的影响较大。

综上所述，太阳观测中常用的平场方法无法用于日冕仪观测，夜天文观测用到的方法可以应用于日冕仪，但其或获建造成本较高，或依赖天气、可供使用时间太少。日冕仪的光强标定是相对太阳亮度而言，所以是相对定标。太阳是强光源，实验室很难模拟其强度，所以实验室的光强定标方法适用范围有限。能否研制一套低成本、高精度、观测期间可随时使用、可兼顾平场测量和日冕光强标定的装置是日冕观测的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术中不具有可兼顾平场测量和日冕光强标定的装置的缺陷，从而提供一种能够同时可兼顾平场测量和日冕光强标定的装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种日冕仪平场测量和光强标定的装置，包括：乳白玻璃2、衰减片3、日冕仪4、滤光系统5、探测器6、图像采集系统7；其中，

该装置以天然面光源太阳作为光源，来自太阳的光经所述乳白玻璃2扩散成大角度光源；所述大角度光源的光经所述衰减片3调节入射光强度后进入日冕仪4，由所述日冕仪4的视场光阑选择视场，形成均匀的面光源；所述滤光系统5对所述面光源发射的光进行波长选择，特定波长的光经探测器6、图像采集系统7采集后存储。

上述技术方案中，所述乳白玻璃2在装置工作时旋转。

上述技术方案中，所述乳白玻璃2与衰减片3的组合实现的光强亮度在10^-5B_sun到10^-11B_sun之间。

上述技术方案中，所述日冕仪4为内掩式日冕仪，或外掩式日冕仪。

上述技术方案中，所述滤光系统5为lyot滤光器或干涉滤光片。

上述技术方案中，所述探测器6为面阵CCD或CMOS相机。

上述技术方案中，所述图像采集系统7用于探测器控制、数据采集和存储、数据头文件输入；具体包括：调节探测器曝光时间、增益，控制探测器采像，存储探测器采集的图像，输入观测时间、观测目标、天气状况在内的参数。

本发明还提供了基于所述的日冕仪平场测量和光强标定的装置所实现的日冕仪平场测量方法，包括：数据采集阶段、计算平场阶段；其中，

数据采集阶段包括：

步骤101)、将所述乳白玻璃2和衰减片3放在日冕仪4的前方，安装时尽可能保证其轴向和日冕仪的光轴平行；

步骤102)、驱动所述乳白玻璃2旋转；

步骤103)、将所述日冕仪4对准太阳，保证太阳中心和所述日冕仪4中掩体中心一致；

步骤104)、测量多张平场像；

步骤105)、取下乳白玻璃2和衰减片3，关闭日冕仪4镜盖，采集多张暗场图像；

计算平场阶段包括：

步骤201)、读取数据采集阶段得到的多张暗场图像，对这些暗场图像求平均，得到暗场数据d；

步骤202)、依次读取数据采集阶段得到的各张平场像，对每张平场像减去步骤201)得到的暗场数据d，之后求平均并做归一化处理，得到平场数据f。

本发明又提供了基于所述的日冕仪平场测量和光强标定的装置所实现的日冕仪光强标定方法，包括：数据采集阶段、计算平场阶段和光强标定阶段；其中，

数据采集阶段包括：

步骤101)、将所述乳白玻璃2和衰减片3放在日冕仪4的前方，安装时尽可能保证其轴向和日冕仪的光轴平行；

步骤102)、驱动所述乳白玻璃2旋转；

步骤103)、将所述日冕仪4对准太阳，保证太阳中心和所述日冕仪4中掩体中心一致；

步骤104)、测量多张平场像；

步骤105)、取下乳白玻璃2和衰减片3，关闭日冕仪4镜盖，采集多张暗场图像；

计算平场阶段包括：

步骤201)、读取数据采集阶段得到的多张暗场图像，对这些暗场图像求平均，得到暗场数据d；

步骤202)、依次读取数据采集阶段得到的各张平场像，对每张平场像减去步骤201)得到的暗场数据d，之后求平均并做归一化处理，得到平场数据f；

光强标定阶段包括：

步骤301)、利用测量的平场像，减去暗场数据d，记为I₁，测量时保证探测器测量的数值在探测器线性响应范围之内；

步骤302)、将乳白玻璃和衰减片移出，按照日冕观测模式测量同样曝光时间的日冕数据，减去暗场d，记为I₂，测量时保证探测器测量的数值在探测器线性响应范围之内。

步骤303)、利用乳白玻璃和衰减片的透过率计算日冕亮度；其中，假设只用乳白玻璃，其透过率为10^-5，则相同曝光时间下的日冕亮度为：I₂×10^-5/I₁B_sun；假设同时使用乳白玻璃和10^-1的衰减片，则其透过率为10^-6，则相同曝光时间下的日冕亮度为：I₂×10^-6/I₁B_sun。

本发明的优点在于：

1、相比夜天文中常用的天光平场方法，本发明的面光源光强和日冕强度相近，而天光平场相比日冕强度弱，测量时需要增加曝光时间，所以本发明具有短曝光的优点，可以提高平场测量的效率。另外，天光平场仅仅可以在早晨或黄昏时有限的时间测量，测量时间有限，本发明可以在有太阳的时间开展，可供测量的时间大大延长。可见本发明具备光强足、信噪比高、曝光时间短、可随时测量的优点。

2、圆顶平场需要光源和漫散射幕布，置于圆顶内部，成本较高。且人造光源的响应范围较窄,太阳光源可以覆盖X射线到红外光谱,其光谱响应相当宽。相比夜天文观测中用到的圆顶平场，本发明不需要额外的光源系统，而是采用太阳这一天然光源，减少了光源的成本，具备低成本、宽光谱响应范围的优点。

3、一般光强标定需要用到已知透过率的减光片，且观测时需要将太阳偏离日冕仪视场中，操作复杂。本发明在平场测量的同时可以兼顾光强标定，操作简单，具备低成本、操作简便、多功能的优点。

附图说明

图1是本发明的日冕仪平场测量和光强标定的装置的结构示意图。

图面说明

1太阳2乳白玻璃

3衰减片4日冕仪

5滤光系统6探测器

7图像采集系统

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

参考图1，本发明的日冕仪平场测量和光强标定的装置包括：乳白玻璃2、衰减片3、日冕仪4、滤光系统5、探测器6、图像采集系统7；其中，该装置以天然面光源太阳作为光源，来自太阳1的光经乳白玻璃2扩散成约90度的大角度光源；所述大角度光源的光经衰减片3调节入射光强度后进入日冕仪4，由所述日冕仪4的视场光阑选择视场，形成均匀的面光源；所述滤光系统5对所述面光源发射的光进行波长选择，特定波长的光经探测器6、图像采集系统7采集后存储。

下面对本发明的日冕仪平场测量和光强标定的装置中的各个部件做进一步说明。

所述乳白玻璃2的透过率约10^-5，在本发明的装置工作时，乳白玻璃2能在外部驱动下旋转，以消除乳白玻璃本身透过率不均匀性的影响。乳白玻璃2在本发明的装置中作为扩展器件，能够克服太阳作为光源所具有的不均匀性及光源大小偏小的缺点，生成大视场、均匀的面光源。作为一种优选实现方式，为克服乳白玻璃不同位置透过率不均匀的影响，实际测量时可以将乳白玻璃2以一定角度旋转，以得到更加均匀的面光源。

所述衰减片3的透过率在10^-1到10^-6之间，根据观测日冕强度的不同，选择不同透过率的衰减片。

乳白玻璃2和衰减片3的组合可以实现的光强亮度在10^-5B_sun到10^-11B_sun之间，在不同太阳半径处的日冕亮度多在10^-6到10^-11B_sun，可以满足日冕观测的要求。

所述日冕仪4可以是内掩式日冕仪，也可以是外掩式日冕仪，既可以开展E冕观测，也可以开展K冕观测，其基本组成部分包括：物镜、掩体、二次成像镜、视场光阑、消杂散光器件等部分。E冕和K冕对应不同的观测目标，既可以采用内掩式也可以用外掩式日冕仪观测，E冕和K冕观测的主要不同在于日冕仪的滤光设备，E冕观测采用窄带滤光器(lyot)，K冕观测采用宽带滤光器。因乳白玻璃的扩散特性，面光源以不同角度入射日冕仪4的物镜，经日冕仪4的视场光阑选择后仅留下特定角度的光，假设内掩式日冕仪的视场约3个太阳半径，对应96’的视场，乳白玻璃的扩散角约90度，在96’的视场内其光强变化很小(不均匀性<1％以内)，可视为均匀的面光源。

所述滤光系统5为lyot滤光器或干涉滤光片或其它滤光元件。

所述探测器6为面阵CCD或CMOS相机。

所述图像采集系统7主要实现包括探测器控制，数据采集和存储、数据头文件输入在内的功能，其基本功能包括：调节探测器曝光时间、增益，控制探测器采像，存储探测器采集的图像，输入观测时间、观测目标、天气状况等参数。

在本发明的日冕仪平场测量和光强标定的装置中，由于乳白玻璃和衰减片的透过率可以精确测量，日冕亮度通常以相对太阳强度的大小来表示，所以本发明的装置在测量平场数据的同时，也可以用来光强标定。

本发明的装置在工作时包括数据采集阶段、计算平场阶段以及光强标定阶段。其中，数据采集阶段包括：

步骤101)、将乳白玻璃2和衰减片3放在日冕仪4的前方，安装时尽可能保证其轴向和日冕仪的光轴平行。

步骤102)、驱动乳白玻璃2旋转，消除乳白玻璃2不均匀性的影响。

步骤103)、将日冕仪4对准太阳，保证太阳中心和日冕仪4中掩体中心一致。

步骤104)、测量多张平场像(如1-100张)。采集多张平场像的目的是提高测量精度，抑制噪声。

步骤105)、取下乳白玻璃2和衰减片3，关闭日冕仪4镜盖，采集多张暗场图像。

计算平场阶段以数据采集阶段所得到的数据为基础，获得平场数据，包括以下步骤：

步骤201)、读取数据采集阶段得到的多张暗场图像，对这些暗场图像求平均，得到暗场数据d。

步骤202)、依次读取数据采集阶段得到的各张平场像，对每张平场像减去步骤201)得到的暗场数据d，之后求平均并做归一化处理，得到平场数据f。

在得到平场数据后，可对日冕仪常规观测数据做平场改正，日冕仪数据平场改正的公式为：

o＝(s-d)/f；

其中，式中o是观测目标日冕，s是常规观测时得到的日冕信号，d是暗场数据，f是测量的平场数据。

光强标定阶段以计算平场阶段以及数据采集阶段所得到的数据为基础，实现对日冕强度的标定，其包括：

步骤301)、利用测量的平场像，减去暗场数据d，记为I₁，测量时保证探测器测量的数值在探测器线性响应范围之内。

步骤302)、将乳白玻璃和衰减片移出，按照日冕观测模式测量同样曝光时间的日冕数据，减去暗场，记为I₂，测量时保证探测器测量的数值在探测器线性响应范围之内。

步骤303)、利用乳白玻璃和衰减片的透过率计算日冕亮度。假设只用乳白玻璃，其透过率为10^-5，则相同曝光时间下的日冕亮度为：I₂×10^-5/I₁B_sun。，假设同时使用乳白玻璃和10^-1的衰减片，则其透过率为10^-6，则相同曝光时间下的日冕亮度为：I₂×10^-6/I₁B_sun。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种日冕仪平场测量和光强标定的装置，其特征在于，包括：乳白玻璃(2)、衰减片(3)、日冕仪(4)、滤光系统(5)、探测器(6)、图像采集系统(7)；其中，

该装置以天然面光源太阳作为光源，来自太阳的光经所述乳白玻璃(2)扩散成大角度光源；所述大角度光源的光经所述衰减片(3)调节入射光强度后进入日冕仪(4)，由所述日冕仪(4)的视场光阑选择视场，形成均匀的面光源；所述滤光系统(5)对所述面光源发射的光进行波长选择，特定波长的光经探测器(6)、图像采集系统(7)采集后存储。

2.根据权利要求1所述的日冕仪平场测量和光强标定的装置，其特征在于，所述乳白玻璃(2)在装置工作时旋转。

3.根据权利要求1或2所述的日冕仪平场测量和光强标定的装置，其特征在于，所述乳白玻璃(2)与衰减片(3)的组合实现的光强亮度在10^-5B_sun到10^-11B_sun之间。

4.根据权利要求1或2所述的日冕仪平场测量和光强标定的装置，其特征在于，所述日冕仪(4)为内掩式日冕仪，或外掩式日冕仪。

5.根据权利要求1或2所述的日冕仪平场测量和光强标定的装置，其特征在于，所述滤光系统(5)为lyot滤光器或干涉滤光片。

6.根据权利要求1或2所述的日冕仪平场测量和光强标定的装置，其特征在于，所述探测器(6)为面阵CCD或CMOS相机。

7.根据权利要求1或2所述的日冕仪平场测量和光强标定的装置，其特征在于，所述图像采集系统(7)用于探测器控制、数据采集和存储、数据头文件输入；具体包括：调节探测器曝光时间、增益，控制探测器采像，存储探测器采集的图像，输入观测时间、观测目标、天气状况在内的参数。

8.基于权利要求1-7之一所述的日冕仪平场测量和光强标定的装置所实现的日冕仪平场测量方法，包括：数据采集阶段、计算平场阶段；其中，

数据采集阶段包括：

步骤101)、将所述乳白玻璃(2)和衰减片(3)放在日冕仪(4)的前方，安装时尽可能保证其轴向和日冕仪的光轴平行；

步骤102)、驱动所述乳白玻璃(2)旋转；

步骤103)、将所述日冕仪(4)对准太阳，保证太阳中心和所述日冕仪(4)中掩体中心一致；

步骤104)、测量多张平场像；

步骤105)、取下乳白玻璃(2)和衰减片(3)，关闭日冕仪(4)镜盖，采集多张暗场图像；

计算平场阶段包括：

步骤201)、读取数据采集阶段得到的多张暗场图像，对这些暗场图像求平均，得到暗场数据d；

步骤202)、依次读取数据采集阶段得到的各张平场像，对每张平场像减去步骤201)得到的暗场数据d，之后求平均并做归一化处理，得到平场数据f。

9.基于权利要求1-7之一所述的日冕仪平场测量和光强标定的装置所实现的日冕仪光强标定方法，包括：数据采集阶段、计算平场阶段和光强标定阶段；其中，

数据采集阶段包括：

步骤101)、将所述乳白玻璃(2)和衰减片(3)放在日冕仪(4)的前方，安装时尽可能保证其轴向和日冕仪的光轴平行；

步骤102)、驱动所述乳白玻璃(2)旋转；

步骤103)、将所述日冕仪(4)对准太阳，保证太阳中心和所述日冕仪(4)中掩体中心一致；

步骤104)、测量多张平场像；

步骤105)、取下乳白玻璃(2)和衰减片(3)，关闭日冕仪(4)镜盖，采集多张暗场图像；

计算平场阶段包括：

步骤201)、读取数据采集阶段得到的多张暗场图像，对这些暗场图像求平均，得到暗场数据d；

步骤202)、依次读取数据采集阶段得到的各张平场像，对每张平场像减去步骤201)得到的暗场数据d，之后求平均并做归一化处理，得到平场数据f；

光强标定阶段包括：

步骤301)、利用测量的平场像，减去暗场数据d，记为I₁，测量时保证探测器测量的数值在探测器线性响应范围之内；

步骤302)、将乳白玻璃和衰减片移出，按照日冕观测模式测量同样曝光时间的日冕数据，减去暗场d，记为I₂，测量时保证探测器测量的数值在探测器线性响应范围之内；

步骤303)、利用乳白玻璃和衰减片的透过率计算日冕亮度；其中，假设只用乳白玻璃，其透过率为10^-5，则相同曝光时间下的日冕亮度为：I₂×10^-5/I₁B_sun；假设同时使用乳白玻璃和10^-1的衰减片，则其透过率为10^-6，则相同曝光时间下的日冕亮度为：I₂×10^-6/I₁B_sun。