CN108680253A - 全日面多级太阳极紫外光谱成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全日面多级太阳极紫外光谱成像方法，该方法通过入光口的光线被离轴抛物面反射镜聚焦在系统焦面上，系统焦面处设置极紫外变间距光栅，聚焦后的太阳极紫外辐射经过极紫外变间距光栅色散后分别由五个级次的探测器接收，其中四个探测器接收的图像发生过色散，中间的一个探测器接受的图像未发生色散，使得空间信息直接从未发生色散的那个级次得到，而光谱信息则需要根据五个级次成像的反演结果得出。本发明可实现全日面空间和光谱信息同时观测，适合观测CME等大范围动态太阳活动，可以获得太阳爆发的速度信息，为空间天气和空间环境研究提供新的手段。
Description
技术领域
本发明涉及属于光谱成像技术领域，具体而言，本发明设计一种太阳极紫外光谱成像方法，特别是一种基于变间距光栅、可获得爆发速度的全日面多级太阳极紫外多级光谱成像方法。
背景技术
太阳是唯一可以对之进行高时空光谱分辨率观测的恒星。同时，太阳活动是空间天气变化的源头，可能引起日地环境的剧烈变化，对航天、通讯、导航产生严重的影响。开展太阳活动观测不仅是科学研究的需要，也是国家战略发展的需求。对日地环境影响巨大的太阳活动包括耀斑、日冕物质抛射（英文为coronal mass ejection，简称为CME）等。耀斑和CME等太阳活动在日冕和色球层表现为剧烈的辐射和物质抛射。太阳的极紫外辐射主要源于色球以上的高层大气，包括太阳过渡区和日冕。太阳极紫外光谱学观测（包括成像与分光光谱测量）和诊断是研究太阳大气各层次基本物理过程的最重要手段之一，同时可以监测日冕物质抛射、耀斑等爆发活动及伴随现象的发生、发展过程及其形成机制，进而研究太阳活动与地磁暴、电离层扰动等地球灾害性空间天气事件的因果链关系。
目前，已经有多颗卫星在多个波段对太阳活动进行了观测。然而，现有对太阳活动观测的仪器都存在各自的不足之处，制约了我们对CME和耀斑等太阳活动的高精度观测及对其机理的研究。现有太阳观测仪器都不能实现同时对大视场太阳活动区域空间、时间和光谱的高分辨率观测。虽然目前多个太阳观测卫星都同时搭载极紫外成像仪和光谱仪，但这种方法还是不能得到同一视场内太阳活动过程的瞬时形态和速度的同时成像。所以各国一直尝试在仪器设计上实现同时对太阳大视场的高空间和光谱分辨率成像，相关的背景技术参见以下参考文献：
[[1]] Fox J L. Snapshot imaging spectroscopy of the solar transitionregion: The Multi-Order Solar EUV Spectrograph (MOSES) sounding rocketmission [D]. Montana State University, 2013.
[2]Settele A， Carrol T A, Nickelt I, et al. Systematic errors inmeasuring solar magnetic fields with a FPI spectrometer and MDI[J]. Astron.Astrophy., 2002, 386(3):1123-1128.
此外，对太阳活动进行观测时，要保证高光谱分辨能力，不能采用传统成像仪利用滤光片和多层膜反射镜选择入射谱线的方式，而必须利用光栅分光；同时，为保证高时间分辨率，必须摒弃限制视场的狭缝，实现对大视场区域的成像。在可见光波段，实现无狭缝的光谱成像可以有不同方式，然而极紫外波段因为波长很短，不能采用同可见光成像同样的方式。
发明内容
针对目前不能获得太阳爆发速度的限制，本发明提出一种全日面多级太阳极紫外光谱成像方法，除实现传统极紫外成像观测耀斑、冕洞等太阳活动及其演化的全部功能外，还可以得到观测谱段对应的多普勒频移，从而反演太阳爆发速度。
本发明采用了如下的技术方案：
可获得太阳爆发速度的全日面多级太阳极紫外光谱成像方法，包括以下步骤：
通过入光口的光线被离轴抛物面反射镜聚焦在系统焦面上，系统焦面处设置极紫外变间距光栅，聚焦后的太阳极紫外辐射经过极紫外变间距光栅色散后分别由五个级次的探测器接收，其中四个探测器接收的图像发生过色散，中间的一个探测器接受的图像未发生色散，使得空间信息直接从未发生色散的那个级次得到，而光谱信息则需要根据五个级次成像的反演结果得出。
其中，空间信息可直接从未发生色散的0级得到；
其中，而光谱信息则需要根据五个级次成像的反演结果得出。由于所发生色散的级次所成的像为光谱信息和空间信息混杂的图像，光谱信息需要利用五个级次所成的像根据反演算法（如SMART算法[i]）来得到。
本发明基于变间距光栅，可有效提高系统效率，减小仪器体积，在其基础上集成多级高分辨率衍射成像系统，同时对多个衍射级成像，利用不同衍射级的图像反演得到谱线信息，大幅减小反演误差。且本发明可实现全日面空间和光谱信息同时观测，适合观测CME等大范围动态太阳活动，可以获得太阳爆发的速度信息，为空间天气和空间环境研究提供新的手段。
附图说明
图1为本发明全日面多级太阳极紫外光谱成像方法的成像示意图，
图中：1、入光口，2、离轴抛物面反射镜（OAP），3、变间距曲面极紫外光栅，4、+2级像面探测器，5、+1级像面探测器，6、0级像面探测器，
7、-1级像面探测器，8、-2级像面探测器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
所有的成像光谱方法都是为了得到一个观测对象的空间信息和光谱信息，也就是二维的空间加上一个光谱维的三维立方体的数据。由于探测器成像只能是一个二维的信息，因此传统的狭缝扫描式成像光谱仪是通过扫描的方式将一个个的二维数据拼凑成一个三维数据，其中狭缝光谱仪的截面代表了狭缝在一个固定位置时能得到的数据，扫描完成后拼接得到的图像包含不同时间的空间信息[ii]。对于静态或者变化不太剧烈的目标，传统的光谱仪可以取得非常好的效果。但要观测太阳耀斑和日冕物质抛射等变化这么剧烈的目标时，在扫描的过程空间分布的数据是不同步的，反演得到的速度图存在很大的误差。而传统成像仪利用过滤片和反射镜多层膜选择谱线，只能得到覆盖一定带宽的图像，能实现的光谱分辨率很低。
要得到高分辨率的光谱信息，同时得到大视场的极紫外图像，本发明采用无狭缝光谱分光成像的设计理念，即同一时间把一定光谱带宽的信息记录到一个二维的图像上，可以把这个过程看成是从某一个角度将数据立方体投影到一个面上。然后再利用反演得到空间分辨图像和光谱信息。
本发明基于多级极紫外光谱成像的设计思想，对全视场五个衍射级同时成像，增加观测数据。设沿空间坐标方向产生五级投影图像，则图像数据方程包含5N个数据信息，而数据立方包含NM个数据（其中N为空间方向上的像素点数，M为波长λ方向上的像素点数），因此投影角度增加至五个维度（-2、-1、0、+1、+2维），能够极大地提升反演的准确度，减少反演误差。同时考虑应用适用于卫星的光学结构，采用基于变间距曲面极紫外光栅优化光学系统设计，将仪器体积大幅减小，使之适用于卫星平台，同时配合离轴抛物面反射镜增大视场，覆盖全日面，更适合观测CME等大范围太阳活动。
参见图1，图1显示了本发明全日面多级太阳极紫外光谱成像方法中的前置光学系统的光路示意图，为实现全日面的观测，必须增大仪器视场，同时减小仪器体积和重量以适应卫星上的应用。由于极紫外波段光学系统效率普遍偏低，且探测器的量子效率不是很高，因此，光学结构必须尽可能的简化。本发明采用离轴抛物面反射镜2配合变间距光栅3实现大视场、高分辨、小型化的光学系统。离轴抛物面反射镜2适于小视场要求系统，通过入光口1的光线被离轴抛物面反射镜2聚焦在系统焦面上，尽可能减少系统的能量损失。位于前置光学的系统焦面位置处为极紫外变间距光栅3，该光栅不仅能实现色散、聚焦的功能，还可以采用变间距设计来修正像差，利用紧凑的光学结构得到高的空间分辨率和光谱分辨率。
入射的太阳极紫外辐射经过极紫外变间距光栅3色散后分别由五个级次像面的探测器4、5、6、7、8接收，其中四个探测器4、5、6、7、8接收的图像发生过色散，另外一个6未发生色散，即相当于一个极紫外的成像仪。空间信息可以直接从未发生色散的那个级次得到，而光谱信息则需要根据五个级次成像的反演结果得出。
变间距光栅是实现仪器小型化和高分辨率的关键。不同于一般光栅光谱仪只记录一个级次的光谱信息，本仪器需要同时记录0级和多个衍射级。为实现高光谱分辨率和高图像分辨率，采用凹面全息光栅技术，光栅刻线弯曲，刻线间隔可变，通过控制刻线密度和弯曲程度可实现慧差、象散等像差的校正。
不同于传统意义的光谱仪可以同时利用一级和二级光谱获得较宽的观测谱段，本仪器观测谱段带宽必须限制得较窄，不能同时对长谱线宽度的多条谱线成像，所以本质是可以获得高光谱分辨率谱线信息的太阳极紫外成像仪。
尽管上文对本专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本专利的保护范围之内。
Claims (4)
1.全日面多级太阳极紫外光谱成像方法，包括以下步骤：
通过入光口的光线被离轴抛物面反射镜聚焦在系统焦面上，系统焦面处设置极紫外变间距光栅，由于需要同时记录多个衍射级次，因此需要在多个级次上校正像差以及同时提供多个级次的衍射效率，为实现高光谱分辨率和高图像分辨率，本发明采用凹面全息技术，光栅刻线弯曲，刻线间隔可变，通过控制刻线密度和弯曲程度可实现彗差，像散等像差的校正；聚焦后的太阳极紫外辐射经过极紫外变间距光栅色散后分别由五个级次的探测器接收，其中，四个探测器接收的图像发生过色散，中间的一个探测器接受的图像未发生色散，使得空间信息直接从未发生色散的那个级次得到，而光谱信息则需要根据五个级次成像的反演结果得出。
2.如权利要求1所述的方法，其中，空间信息直接从未发生色散的0级得到。
3.如权利要求1所述的方法，其中，光谱信息则需要根据五个级次成像的反演结果得出。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所发生色散的级次所成的像为光谱信息和空间信息混杂的图像，光谱信息需要利用五个级次所成的像根据反演算法来得到。
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