CN108489606B - 一种应用于太阳观测的可调谐滤光器在线标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于太阳观测的可调谐滤光器在线标定方法,由望远镜系统(1)、待标定滤光器(2)、相机(3)、参考光光强记录系统(4)、分光镜(5)和反射镜(6)组成。可调谐滤光器广泛应用于太阳窄带光谱成像观测,并需要定期进行在线标定。传统方法通过对日面宁静区成像观测,在标定过程中的太阳光强变化将对滤光器标定的准确性产生较大影响。本发明通过实时太阳光强探测,对标定过程中的非太阳大气吸收现象导致的太阳光强变化进行修正,能够有效克服长时间标定过程中太阳光强变化并削弱标定过程中薄云对太阳光强的影响;可以应用于太阳观测中各类可调谐滤光器的在线标定,显著降低在线标定对太阳光强稳定性的要求,提升标定准确性。
Description
技术领域
本发明涉及太阳光学观测领域,特别是一种应用于太阳观测的可调谐滤光器在线标定方法。
背景技术
太阳为地球上的万物提供了生存的必要保证,同时,太阳的活动也直接影响着地球的气候、通信等诸多方面。近年来,随着太阳物理学,空间天文学等科学的发展,对太阳的研究不再局限于对单波段和成像特征的观测,进一步延伸到对太阳分层结构的观测和对物理量的测量。
由于太阳在特定吸收峰(波长)的线心和线翼分别对应太阳大气的不同高度层(如656nm波长线新对应色球层,而线翼对应光球层),通过待标定可调谐滤光器对特定波长及其偏带区域进行窄带光谱扫描成像,可以实现对太阳大气不同高度的层析成像;此外,通过对太阳光谱的扫描成像,结合多普勒效应计算太阳视向速度场,可以获取重要的物理参数。因此,通过待标定可调谐滤光器对太阳进行窄带光谱成像观测是目前进行太阳观测的重要手段之一。
由于待标定可调谐滤光器加工、装配、控制等多方面因素,往往滤光器的实际光谱轮廓、中心波长等参数与理论值有所偏差,因此,必须定期通过在线标定的方式对待标定可调谐滤光器的透过率函数光谱进行测量,通过与理论谱线的对比,检验待标定可调谐滤光器的工作状态。
传统的可调谐滤光器标定方式需要在无云的晴天进行,并且假定标定器件太阳光强恒定(即光强的变化是由于滤光器中心波长的变化引起)。一方面,即使是目视无云的晴天,仍可能存在肉眼难以辨别的薄云,会影响太阳辐照强度;另一方面,即使是绝对无云的情况下,由于太阳光在不同高度时穿越的大气层厚度不同,太阳光强会在一天中表现出随时间的变化,这对于可调谐滤光器的标定,特别是所需时间较长的宽光谱范围内的多采样点标定有较大影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:为应用于太阳观测中的可调谐滤光器标定提供一套方法,能够有效修正标定过程中的太阳光强变化,提升标定准确性,并降低可调谐滤光器在线标定对天气状况(晴天无云)的严格要求。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是:一种应用于太阳观测的可调谐滤光器在线标定方法,如附图1所示,在待标定可调谐滤光器2标定过程中,利用参考光光强记录系统4实时记录太阳光光强变化。并按照以下方式进行标定:
第一步:设置可调谐滤光器待标定光谱范围及扫描步长。
第二步:设置相机3和参考光光强记录系统4采集频率。
第三步:将望远镜系统1指向日面中心。相机3分别采集每个滤光器扫描波长λk对应的t时刻图像光强矩阵Qt(像素数为m×n),共M帧,采集完成后,调整滤光器中心波长至下一个扫描位置;同时,参考光光强记录系统4同步记录t时刻光强矩阵It(像素数为a×b),直至对待标定光谱范围内的所有波长点采集结束,共N帧。
第四步:对参考光光强矩阵It求和,得到t时刻的单帧总光强值将扫描波长λk对应采集时间内单帧总光强值叠加并除以帧数N,得到扫描波长λk采集时间内的平均参考光强值除以t时刻的总光强It,得到t时刻光强修正参数
第五步:当滤光器扫描波长为λk,求得相机3在t时刻对应的单帧总光强值Qt=∑m∑n Qt,乘以t时刻的光强修正参数I_coet,得到t时刻对应的修正总光强值Qt_modified=Qt·I_coet。
第六步:绘制波长值λk和所对应的修正总光强值Qt_modified的曲线图,得到待标定可调谐滤光器光谱曲线。
其中,应用对象为可调谐滤光器,即可以通过自身设置改变其透过峰中心波长的滤光器,包括但不限于lyot滤光器、F-P滤光器、光纤马赫-曾德尔干涉仪、光纤光栅滤波器、声光可调谐滤光器。
其中,探测光路分为两路,一路用于直接标定可调谐滤光器;另一路用于探测标定期间的太阳光强变化,在该方法的实现过程中,两条光路可以采用分光的方式获得,也可以分别采用两台望远系统获得,但是采用两台望远系统时,需要保证两台系统指向日面相同区域。
其中,参考光光强记录系统4能够对光强进行实时测量并记录,具体可采用总辐射传感器、特定波段辐射传感器、特定波长的成像系统。
其中,为了保证对快速时变太阳光强过程的有效采样,参考光光强记录系统4采集频率应不低于相机3的采集频率。
其中,标定过程中,望远镜系统1应指向日面中心区域,应避免暗条、黑子、耀斑这一类日面活动特征。
其中,对相机3和参考光记录系统4进行同步或精确记录时间,利用参考光光强修正参数对标定光强度进行修正时,以同一时刻或最接近时刻的参考光修正参数进行修正。
其中,进一步对标定图像进行暗场、平场图像预处理。
本发明的原理:由于太阳大气的吸收现象,太阳在特定波段内的扫描将表现出强弱的变化,形成谱线的吸收峰。为了对可调谐滤光器的透过率光谱进行准确的标定,必须保证标定过程中太阳光强度的恒定,不引入因为非太阳大气吸收现象导致的太阳光强变化,通过可调谐滤光器扫描获得的强度谱线,通过与理论谱线进行对比,完成对可调谐滤光器的标定。
由于绝对的无云晴天无法保证,为了减少太阳光强自然变化对可调谐滤光器的影响,本发明在传统方法的基础上,通过对太阳光强的实时测量,对可调谐滤光器的强度光谱进行修正。
根据孙贤明等人在《冰水混合云对可见光的吸收和散射特性》(物理学报,2006年第2期,第55卷)一文中的研究,云会对太阳多个波段产生不同程度的吸收,造成太阳光强的变化。因此,本发明通过对特定波段太阳光强的变化进行探测,获得太阳光强的时变信息,并据此对大气、云对太阳光强的影响进行修正。
本发明与现有技术相比有如下优点:
(1).相对于现有可调谐滤光器在线标定方法需要对天气状况进行严格的限定(晴天、无云),本发明通过对太阳光强变化的探测,大大降低了薄云对可调谐滤光器标定的影响,显著降低了传统方法对天气状况的要求。
(2).相对于现有可调谐滤光器在线标定方法,本发明能够有效修正标定耗时较长的宽光谱范围内的多采样点标定过程中的太阳光强变化,获得更加准确的太阳光谱轮廓。
总之,本发明将太阳光强修正方法应用于对可调谐滤光器的标定中,有效减少了标定过程中大气、云层对太阳光强变化的影响,相比现有技术,降低了对天气状况的要求,提升了标定准确性,具有较强的创新性。
附图说明
图1为一种应用于太阳观测的可调谐滤光器在线标定方法。
图2为lyot滤光器标定过程中的太阳光强变化。
图3为传统方法获得的lyot滤光器强度光谱与理论光谱对比图。
图4为本发明所获得的lyot滤光器强度光谱与理论光谱对比图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
基于云南天文台1m新真空太阳望远镜的七波段层析成像系统,对该系统中Hα波段(中心波长为656.28nm)的机械式调谐lyot滤光器分别运用传统方法和本方法进行标定。
第二步:设置lyot滤光器成像相机采集频率为5HZ。利用TiO波段(中心波长为705nm)滤光器及其成像相机作为参考光光强记录系统,采集频率设置为5HZ。
第三步:将望远镜系统1指向日面中心。相机3分别采集每个滤光器扫描波长λk对应的t时刻平场图像光强矩阵Qt(像素数为m×n=400×400),帧数N=20;同时,参考光光强记录系统4同步记录t时刻光强矩阵It(像素数为a×b=400×400),直至对待标定光谱范围内的所有波长点采集结束,帧数M=2400。
第五步:对lyot滤光器成像相机采集的各个波长λk对应的M帧图像求和,再除以帧数M,得到各波长λk对应的总光强值绘制波长值λk和所对应的总光强值Qt的曲线图,则得到传统方法获得的滤光器强度光谱标定曲线(附图3)。
第六步:将各波长λk对应的总光强值Qt乘以相对应时间的光强修正参数I_coet,得到各波长λk对应的总光强值Qt_modified=Qt·I_coet。绘制波长值λk和所对应的总光强值Qt_modified的曲线图,得到待标定可调谐滤光器光谱曲线,即为本发明所提出方法获得的滤光器修正光谱标定曲线(附图4)。
通过附图3、4的对比可以发现,传统方法无法对太阳大气吸收活动和大气、云层等引发的太阳光强变化进行区分。由于太阳光强的不稳定性,在标定过程中太阳光强度出现了±10%以内的波动(附图2),导致传统方法获得的光谱曲线两侧线翼光强出现明显波动,与理论光谱有较大差异(附图3)。
本发明所提出方法能够有效对非太阳大气吸收活动引发的光强变化进行修正,将传统方法无法消除的线翼光强抖动基本消除,使得实测谱线与理论谱线形态基本一致。此外,通过本发明的方法还发现该lyot滤光器中心波长存在约的蓝移(附图4)。
本发明可应用于太阳观测中可调谐滤光器的在线标定,能够有效消除标定过程中非太阳大气吸收现象对太阳光强的影响,显著降低在线标定对天气状况的要求,提升标定准确性。
Claims (7)
1.一种应用于太阳观测的可调谐滤光器在线标定方法,其特征在于:由望远镜系统(1)、待标定可调谐滤光器(2)、相机(3)、参考光光强记录系统(4)、分光镜(5)和反射镜(6)组成;
太阳光经过望远镜系统(1),通过分光镜(5)被分成两路:第一路经过待标定可调谐滤光器(2)进入相机(3);第二路通过反射镜(6)进入参考光光强记录系统(4);
第一步:设置待标定可调谐滤光器(2)待标定光谱范围及扫描步长;
第二步:设置相机(3)和参考光光强记录系统(4)采集频率;
第三步:将望远镜系统(1)指向日面中心,相机(3)分别采集每个滤光器扫描波长λk对应的t时刻图像光强矩阵Qt,像素数为m×n,共M帧,采集完成后,调整滤光器中心波长至下一个扫描位置;同时,参考光光强记录系统(4)同步记录t时刻光强矩阵It,像素数为a×b,直至对待标定光谱范围内的所有波长点采集结束,共N帧;
第四步:对参考光光强矩阵It求和,得到t时刻的单帧总光强值将扫描波长λk对应采集时间内单帧总光强值叠加并除以帧数N,得到扫描波长λk采集时间内的平均参考光强值除以t时刻的总光强It,得到t时刻光强修正参数
第五步:当滤光器扫描波长为λk,求得相机(3)在t时刻对应的单帧总光强值Qt=∑m∑nQt,乘以t时刻的光强修正参数I_coet,得到t时刻对应的修正总光强值Qt_modified=Qt·I_coet;
第六步:绘制波长值λk和所对应的总光强值Qt_modified的曲线图,得到待标定可调谐滤光器光谱曲线;通过该方法可以对待标定可调谐滤光器标定过程中的非太阳大气吸收导致的太阳光强变化进行修正,显著降低待标定可调谐滤光器标定过程对太阳光强稳定性的要求,提升标定准确性。
2.根据权利要求1所述的一种应用于太阳观测的可调谐滤光器在线标定方法,其特征在于:应用对象为待标定可调谐滤光器,即可以通过自身设置改变其透过峰中心波长的滤光器,包括lyot滤光器、F-P滤光器、光纤马赫-曾德尔干涉仪、光纤光栅滤波器、声光可调谐滤光器。
3.根据权利要求1所述的一种应用于太阳观测的可调谐滤光器在线标定方法,其特征在于:参考光光强记录系统(4)能够对光强进行实时测量并记录。
4.根据权利要求1所述的一种应用于太阳观测的可调谐滤光器在线标定方法,其特征在于:为了保证对快速时变太阳光强过程的有效采样,参考光光强记录系统(4)采集频率应不低于相机(3)的采集频率。
5.根据权利要求1所述的一种应用于太阳观测的可调谐滤光器在线标定方法,其特征在于:标定过程中,望远镜系统(1)应指向日面中心区域,但应避免暗条、黑子、耀斑日面活动特征。
6.根据权利要求1所述的一种应用于太阳观测的可调谐滤光器在线标定方法,其特征在于:对相机(3)和参考光记录系统(4)进行同步或精确记录时间,利用参考光光强修正参数对标定光强度进行修正时,以同一时刻或最接近时刻的参考光修正参数进行修正。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种应用于太阳观测的可调谐滤光器在线标定方法,其特征在于:进一步对标定图像进行暗场、平场图像预处理。
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