CN108490214B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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，该方法主要针对太阳大气非速度因素引起的谱线局部强度变化对速度场测量的影响，在进行谱线线心计算时考虑了偏带发射或吸收特征以及偶然误差等因素对谱线轮廓特别是对称性的影响，使用判据对存在发射或者吸收特征的偏带点进行筛选和修正，能够有效剔除太阳大气局部谱线发射或吸收现象对传统质心算法的影响，从而获得更加准确得到谱线偏移量测量结果。本发明在传统的可调谐滤光器和质心算法的基础上，有效去除了太阳大气局部谱线发射、吸收现象对测量结果的影响，使得速度场测量更加准确可靠。本发明算法简单，不增加原有测量系统复杂性，实用性与创新性明显。

Description

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

技术领域

本发明属于太阳成像观测技术领域，具体涉及太阳大气多偏带成像观测、太阳大气物质运动多普勒效应分析，是一种通过太阳大气特征谱线波段的可调谐滤光器多偏带成像观测装置，利用多普勒效应反演色球层物质视向运动速度的方法。

背景技术

太阳风暴将引发灾害性的空间天气事件，而太阳活动则是太阳风暴的源头。密切监测太阳活动、对剧烈太阳活动进行有效预报是减少太阳活动造成的损失的主要途径，而对太阳活动的监测与预报都有赖于多维度、长时间、高分辨、高精度的太阳观测。太阳的主要活动大多会在太阳大气层引起相应现象、造成太阳大气物质产生剧烈运动，对太阳大气物质运动形态进行观测可以监测太阳活动、并为太阳活动预报提供物理理论研究数据和新的活动预报因子，是太阳观测的重要内容之一，对太阳活动预报及空间天气预报具有重要意义。另外，太阳是距离地球最近的一颗恒星，研究太阳是我们深入了解宇宙等离子体的运动、辐射、演化，以及诸如高能粒子加速、核反应等重要过程的重要途径，色球层物质运动的研究为理论研究提供了重要依据。

测量物质的视向运动主要应用多普勒效应。观测者接收到的物体辐射波长会因为波源和观测者的相对运动而产生变化，物体朝向观测者运动时，波被压缩，波长变短，频率变高，反之亦然。所以通过物体频率的变化亦即波长的变化可反演出物体的运动速度。通过测量太阳大气典型辐射谱线线心的偏移可以反演得到太阳大气物质相对于观测者的视向运动速度。

目前，能够获得太阳大气物质视向运动速度的设备主要有：西班牙特内里费岛的色球望远镜(ChroTel)、日本Hida天文台的太阳动力学多普勒成像仪(SDDI)以及中国科学院武汉物理及数学研究所的双通道原子滤光全日面太阳成像仪。Chrotel利用He I 10830波段lyot滤光器

范围内的5个波长位置非等波长间距偏带成像观测数据，通过直接计算光强曲线质心对应的波长偏移量，以这个偏移量作为光谱轮廓偏移后的线心位置，来反演多普勒视向速度。滤光器带宽为

带宽大于He I的谱线宽度，红蓝两翼四个偏带位置也偏离谱线中心较远，偏带范围内还有其它吸收线，这些都使得该设备对较低的多普勒视向速度响应不灵敏且测量结果有较大误差。而且太阳活动区域的色球层谱线会产生谱线的发射和吸收等谱线变化，引起5个偏带观测光强的不对称性，这样的不对称性会对计算的多普勒偏移有所贡献，用直接的质心计算方法获得多普勒速度时会引入较大误差，导致该方法对活动区速度测量准确度降低。SDDI利用Hɑ

波段lyot滤光器

范围内73个波长位置的等间距偏带成像来观测耀斑和暗条爆发时的动力学过程，滤光器带宽为

小于Hɑ谱线宽度，偏带间隔小，光谱覆盖范围宽，主要用于高速的爆发性太阳活动的动力学观测。但SDDI目前只能通过几个选定的偏带观测结果对比分析及光强差分图，是一种用对称偏带位置的光强不对称性来定性获得爆发物质相对运动速度的方法，没有进行定量的计算和分析，得到的太阳物质视向运动速度较为粗略。双通道原子滤光全日面太阳成像仪同样利用Na谱线对称红蓝翼偏带观测的光强不对称性来反演全日面多普勒运动速度，该方法受限制于原子滤光器透过率低、Na谱线窄的局限，以及较大的系统误差，仅能实现全日面自转运动的定性观测，无法获得较准确的表面物质运动信息。

总之，现有的速度场测量方法在利用多偏带扫描观测采样获区轮廓进行速度场反演时，没有考虑活动区谱线偏带的发射或吸收造成的谱线变化对线心偏移计算及速度计算结果的影响，速度反演结果误差较大。

发明内容

鉴于以上背景，本发明的主要目的是提供一种太阳大气物质视向运动形态观测的方法，利用多通道成像系统中可调谐滤光器成像装置对目标区域进行太阳大气特征谱线内的多偏带成像观测，通过根据谱线特征对发射和吸收特征进行筛选和剔除的优化的质心计算方法来准确反演太阳大气目标区域的二维视向运动速度场。

本发明采用如下技术方案：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，该方法包括如下步骤：

(1)对可调谐滤光器透过率特征进行定标，获得多个偏带位置的仪器修正系数；

(2)在望远镜后端高阶共轭太阳自适应光学系统之后加入多通道成像系统，使用其中可调谐滤光器成像通道进行观测，选取日面中心附近活动区为观测目标，在选取的太阳大气特征谱线扫描光谱范围内选取合适位置、合适数量的偏带，对目标进行多偏带观测，用CCD对成像数据进行采集，每个偏带采集多帧原始数据，用于降低随机误差；

(3)完成数据采集后，对多偏带的多帧观测结果作多帧平均处理，并进行平、暗场预处理；

(4)选取处理后多偏带观测结果中较宁静的区域，在该区域内分别对各个偏带观测图像计算观测光强的平均值，以偏带波长相对于中心波长的波长偏移量为x轴、以平均光强为y轴获得多偏带扫描的近似光谱轮廓线即光强曲线，将观测所得光强曲线以能量为归一化标准，将观测光强曲线归一化到所选取的太阳大气标准谱线的光强范围，计算归一化系数，并与标准谱线进行比较，验证观测的准确性；用计算所得归一化系数r去乘多偏带成像观测结果，得到光强值范围修正后的成像观测结果；

(5)对修正后二维成像图像中每个点绘制光强曲线，选取合适的判据，找到多偏带观测光强曲线中由于活动区谱线在偏带的发射或吸收的跳跃点，剔除这类间断点，并在间断点对应波长处插入新值，得到修正后的谱线；

(6)计算修正后所得光强曲线的质心对应的波长坐标即质心x轴坐标，利用多普勒效应得到的波长偏移量与速度的换算关系，计算得到多普勒速度。

其中，使用了透过中心波长可调谐的滤光器成像装置，这类可调谐滤光器可以在一定光谱范围内进行光谱扫描成像观测，获得光谱范围内多个位置的二维观测数据。

其中，可调谐滤光器最大调谐步长为观测谱线线宽的1/2，保证在谱线吸收峰内至少采集三个偏带观测数据，通过改变调谐步长和偏带采集数量可以平衡时间分辨率、低速测量误差、速度动态范围之间对偏带观测需求的矛盾。

其中，可调谐滤光器工作的光谱范围至少为观测谱线中心波长左右各一个谱线宽度，宁静区观测时可以采集到较完整的谱线轮廓数据。

其中，采用判据

来确定观测谱线由于偏带发射、吸收或者较大偶然误差造成的不平滑位置，其中I_k-1、I_k+1分别是与I_k相邻的前一个偏带位置和后一个偏带位置对应的光强值，该判据可以找到谱线凸起或者凹陷的位置。

其中，对找到的观测谱线不平滑的位置进行插值修正，尽可能保证观测谱线轮廓接近平滑的宁静区轮廓，使通过质心计算出的波长偏移量是由多普勒效应引起的频移量。

本发明所提供的太阳大气视向运动速度测量方法有如下优点：

本发明太阳大气视向运动速度测量方法使用可调谐滤光器进行多偏带观测，相较于二维光谱扫描成像观测，可以在进行二维高分辨成像观测的同时，通过滤光器的调谐对谱线进行步长可调节的光谱扫描观测，既保证了较好光谱分辨力也提高了成像观测速度和时间、空间分辨率。光强归一化时，以整个扫描波段的能量为标准进行归一化，降低了背景光强的影响，考虑了全部数据所包含的光强信息，避免了单一偏带观测随机误差对整体谱线归一化的影响。相较于其他的速度场计算方法，本发明在反演速度场结果时考虑到了观测区域谱线偏带位置可能存在的由太阳活动引起的谱线发射、吸收等特性以及较大偶然误差等因素引起的谱线变化，这些特性及变化会影响多普勒偏移计算的结果，针对这类影响，提出了对受影响的偏带位置进行筛选和对光强谱线进行修正的方法，对被干扰的谱线进行平滑，使通过质心计算出的波长偏移量尽可能来自多普勒效应引起的频移量并且能够在保证较大速度动态范围的同时提高速度测量的的分辨能力，提高了活动区速度测量的准确度，使得活动区更细节的物质运动可以被分辨。

附图说明

图1为基于可调谐滤光器成像观测的太阳大气视向速度场计算流程。

图2为太阳宁静区及典型活动色球的Hɑ谱线。

图3为在一次由暗条引起的耀斑爆发过程中观测到的一系列Hɑ谱线变化，可以看到爆发时有不对称的偏带吸收特征，在16:01:29和16:01:47的观测图像中最明显，图中黑色实线是观测到的目标活动区谱线，黑色虚线是宁静区对应的谱线。

图4为实例中所采用的高阶共轭自适应多通道成像系统，其中标注区域为Hɑ波段lyot滤光器成像通道。

图5a、图5b分别为偏带观测区域中某一位置修正前、修正后的光强曲线。

图6为本发明计算得到的观测区域速度场结果。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明作进一步说明。

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，包括如下步骤：

步骤(1)利用望远镜的多通道成像系统中可调谐滤光器成像通道，对仪器透过率进行定标，获得多偏带观测的光强修正系数。

步骤(2)在望远镜后端加入多通道成像系统，使用其中可调谐滤光器成像通道，进行观测，用CCD对成像数据进行采集；选取日面中心附近活动区为观测目标，以谱线中心波长为中心，选择合适的偏带位置及偏带数量，对目标进行多偏带观测，每个偏带采集多帧原始数据；

步骤(3)对多偏带的多帧观测结果作平均处理，并进行平、暗场预处理；

步骤(4)利用光强修正系数修正偏带光强，选取处理后多偏带观测结果中较宁静的区域，在该区域内分别对各个偏带观测图像计算观测光强的平均值，以相对于中心波长的变化为x轴、以平均光强为y轴获得多偏带扫描的近似光谱轮廓线(光强曲线)，将观测所得光强曲线以能量为归一化标准，计算归一化系数，将观测光强曲线归一化到标准太阳特征谱线的光强范围，并与标准谱线进行比较，验证观测的准确性；用计算所得归一化系数去乘多偏带成像观测结果，对成像观测结果的光强值范围进行修正；

步骤(5)对二维成像图像中每个点绘制观测谱线，选取合适的判据，找到多偏带观测光强曲线中由于活动区谱线在偏带的发射或吸收造成的跳跃点，剔除这类间断点，并在间断点对应波长处插入新值，得到修正后的谱线；

步骤(6)计算修正后所得光强曲线的质心对应得波长坐标(质心x轴坐标)，利用多普勒效应得到的波长偏移量与速度的换算关系，计算得到多普勒速度。

步骤(4)中所述的具体归一化方法为：

其中r是计算得到的归一化系数，I_j为标准谱线在各偏带位置的光强值，I_max为标准谱线在所选取的偏带位置中的最大平均光强值，I'_j为各偏带位置观测结果在宁静区的平均光强值，I'_max为偏带位置观测在宁静区的最大平均光强值。

步骤(5)中所述具体判据为

其中I_k-1、I_k+1分别是与I_k相邻的前一个偏带位置和后一个偏带位置对应的光强值。

步骤(5)中所述在间断点处插入新值的方法为:以间断点两边最近的非间断点为端点，对间断点进行线性插值。

步骤(6)中所述质心计算的具体方法为

其中△λ_line是计算得到的光强曲线质心位置对应的波长偏移量，I'_j为各偏带位置的观测图像的光强，I'_max为观测光强曲线中的最大光强值，△λ_j是I'_j对应的偏带位置相应于线心的偏移量。

步骤(6)中所述波长偏移量与速度的换算关系为

其中λ是谱线中心波长的波长，C是光速。

以多普勒效应产生的频移量反演物质运动速度是传统的视向速度测量方法。当谱线线型尤其是谱线对称性不发生较大变化时，通过计算谱线轮廓线心位置偏移可以准确地获得多普勒频移，从而反演物质视向运动速度。在对太阳大气视向速度进行测量时，对于太阳宁静区，太阳活动少，谱线变化小，基本与理论谱线一致，有显著的对称性，而对于活动区域，太阳大气活动的物理过程会造成物质辐射机制的变化，在谱线的偏带位置产生局部的发射或者吸收情况，造成谱线线型及对称性的变化。本发明通过判据筛选和剔除这类发生变化偏带位置，以重新插值的方式对谱线轮廓进行修正，计算修正后的谱线的线心偏移位置，从而提高在活动区多普勒视向速度的计算准确度。

要利用多普勒效应求得物质的运动速度，需要在一定光谱范围内获得光强曲线，计算谱线线心位置，从而确定特征谱线的线心偏移。传统的光谱仪若要得到太阳二维成像图像需要通过狭缝对日面进行扫描，这样的扫描会导致同一幅图像的不同位置处在不同的时间，扫描速度限制了成像的时间分辨力，而因为狭缝的存在也限制了光谱成像观测的空间分辨力。而可调谐滤光器通过在一定光谱范围内调节峰值透过率的波长位置得到典型太阳光谱范围内的多偏带光谱成像观测，保证了光谱分辨力的同时提高了成像的时间分辨力和空间分辨力。实施例以太阳色球层Hɑ谱线为例，图2为太阳宁静区及典型色球活动的Hɑ谱线(包括宁静太阳、谱斑、耀斑和大耀斑的Hɑ谱线轮廓，纵坐标为Hɑ附近连续谱强度表示的辐射强度)，图3为在一次由暗条引起的耀斑爆发过程中观测到的一系列Hɑ谱线变化，这样的变化具有不对称性，在计算线心偏移位置时会引入较大误差，引起速度计算的偏差。可以看到典型谱线关于Hɑ线心对称，而具有偏带吸收特征的活动区Hɑ谱线在对吸收特征进行修正后也呈现出基本对称的轮廓，这样的对称性使得利用光强曲线质心来求谱线线心成为可能。通过对活动区谱线特征和Hɑ滤光器成像系统的分析，可以基于Hɑ滤光器多偏带观测、利用偏带修正的质心计算方法来获得太阳色球层高分辨活动区视向速度场。

本发明依托于云南天文台1m级望远镜，在其后端高阶共轭太阳自适应光学系统之后加入多通道成像系统，使用其中Hɑ波段lyot滤光器成像通道，对位于日面E52N10的NOAA12598活动区进行观测，获得了该活动区Hɑ线心以及

11个对称偏带位置的偏带观测数据，每个偏带采集10帧图像，各偏带图像采集帧数可以改变。该Hɑ滤光器中心波长为

光谱调谐范围为

最小步长可以达到

最小带宽为

可以通过多偏带单色光成像达到在Hɑ谱线内进行二维光谱扫描成像的效果，滤光器系统如图4所示，其中M代表平面反射镜、OAP代表离轴抛物面镜、BS代表分束镜、FS代表热视场光阑、L代表透镜。

在对滤光器透过率曲线标定获取各偏带位置的光强修正系数之后，取各偏带连续10帧成像结果进行平均及平、暗场处理以及根据仪器定标结果进行光强修正。选取处理后多偏带观测结果中较宁静的区域，在该区域内分别对各个偏带观测结果计算观测光强的平均值，以相对于中心波长的变化为x轴、以平均光强为y轴获得多偏带扫描的近似光谱轮廓线(光强曲线)，将观测所得光强曲线以能量为归一化标准，利用式

计算得到归一化系数r＝0.1003，将观测光强曲线归一化到BASS2000数据库标准Hɑ谱线的光强范围。

用归一化系数r＝0.1003去乘多偏带观测结果，对观测结果的光强值范围进行修正，并用滤光器透过率特性对光强曲线进行轮廓修正。为了计算观测成像图像中每个点的视向速度，得到修正后观测结果中每个点多偏带观测光强曲线后，以

为判据，找到各个点多偏带观测中由于活动区谱线在偏带的发射或吸收的跳跃点，剔除这类间断点，并在间断点对应波长处进行线性插值，得到修正后的谱线。图5a和图5b为观测图像中某一位置修正前后的光强曲线，可以看到靠近线心处的光强值跳跃变化被平滑。

计算修正后的各个点所得光强曲线的质心对应得波长坐标(质心x轴坐标)，利用多普勒效应得到的波长偏移量与速度的换算关系式

计算得到各个点的多普勒速度，修正谱线速度场计算结果如图6所示。

通过上述实验成功得到了观测区域Hɑ波段多普勒视向速度场，可以对活动区色球层物质视向运动进行高时间、高空间分辨的速度测量，并且提高了活动区域多普勒速度场的准确性和运动形态分辨能力，最大速度动态范围可达220km/s，证明了本发明观测系统和测量方法的有效性。

以上所述仅为本发明较佳实施例，并非限定本发明的保护范围，本发明的保护范围应以权利要求书涵盖的保护范围为准。

Claims (5)

1.一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，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)对可调谐滤光器透过率特征进行定标，获得多偏带位置的仪器修正系数；

(2)在望远镜后端高阶共轭太阳自适应光学系统之后加入多通道成像系统，使用其中可调谐滤光器成像通道进行观测，选取日面中心附近活动区为观测目标，在选取的太阳大气特征谱线扫描光谱范围内选取合适位置、合适数量的偏带，对目标进行多偏带观测，用CCD对成像数据进行采集，每个偏带采集多帧原始数据，用于降低随机误差；

(3)完成数据采集后，对多偏带的多帧观测结果作多帧平均处理，并进行平、暗场预处理；

(4)选取处理后多偏带观测结果中较宁静的区域，在该区域内分别对各个偏带观测图像计算观测光强的平均值，以偏带波长相对于中心波长的波长偏移量为x轴、以平均光强为y轴获得多偏带扫描的近似光谱轮廓线即光强曲线，将观测所得光强曲线以能量为归一化标准，将观测光强曲线归一化到所选取的太阳大气标准谱线的光强范围，计算归一化系数，并与标准谱线进行比较，验证观测的准确性；用计算所得归一化系数r去乘多偏带成像观测结果，得到光强值范围修正后的成像观测结果；

(5)对修正后二维成像图像中每个点绘制光强曲线，采用判据

找到多偏带观测光强曲线中由于活动区谱线在偏带的发射或吸收的跳跃点，其中I_k-1、I_k+1分别是与I_k相邻的前一个偏带位置和后一个偏带位置对应的光强值；剔除这类间断点，并在间断点对应波长处插入新值，得到修正后的谱线；

(6)计算修正后所得光强曲线的质心对应得波长坐标即质心x轴坐标，利用多普勒效应得到的波长偏移量与速度的换算关系，计算得到多普勒速度。

2.根据权利要求1所述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，其特征在于：使用了透过中心波长可调谐的滤光器成像装置，这类可调谐滤光器可以在一定光谱范围内进行光谱扫描成像观测，获得光谱范围内多个位置的二维观测数据。

3.根据权利要求1所述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，其特征在于：可调谐滤光器最大调谐步长为观测谱线线宽的1/2，保证在谱线吸收峰内至少采集三个偏带观测数据，通过改变调谐步长和偏带采集数量可以平衡时间分辨率、低速测量误差、速度动态范围之间对偏带观测需求的矛盾。

4.根据权利要求1所述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，其特征在于：可调谐滤光器工作的光谱范围至少为观测谱线中心波长左右各一个谱线宽度的范围，宁静区观测时可以采集到较完整的谱线轮廓数据。

5.根据权利要求1所述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，其特征在于：对找到的观测谱线不平滑的位置进行插值修正，尽可能保证观测谱线轮廓接近平滑的宁静区轮廓，使通过质心计算出的波长偏移量是由多普勒效应引起的频移量。

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