CN115308809B - 侧面遮挡全周向日球成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种侧面遮挡全周向日球成像仪。包括：箱体：外侧成圆锥形，包括扩径端和缩径端；侧周成像系统：包括底座，箱体的缩径端安装在成像系统的底座上；所述成像系统包括三个侧周成像仪，每个侧周成像仪均对应设置有一个成像探测器；三个侧周成像仪呈120°角等间距排列安装在底座上，相邻的两个成像探测仪之间存在视场重叠；挡光片：呈圆环形，环绕设置在箱体扩径端的外围，所述挡光片的尺寸被配置为，使侧周成像仪位于挡光片的遮挡区域；数据处理系统：接收三个成像探测器的探测数据，形成日球周向成像。本发明通过三个光学成像系统组合后形成的总视场能够覆盖以太阳居中的360°范围的日冕层和内日球层，实现了兼顾大视场和全周向观测。

Description

侧面遮挡全周向日球成像仪

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种侧面遮挡全周向日球成像仪。

背景技术

太阳爆发以及日冕物质抛射CME事件会严重影响地球的空间环境，严重的时候形成空间灾害性天气。随着太阳物理和空间天气研究的深入，需要对覆盖从太阳到地球的行星际空间(即内日球层)进行持续观测。由于相比于太阳光球的亮度，日冕的亮度极低，而且随着远离太阳其亮度很快衰减。通常到达地球附近，K冕的亮度只有光球亮度10^-14量级以下。为了在更大视场范围内进行观测，就需要探测仪器的对微弱日冕光信号的灵敏度非常高，同时能够有效抑制中心区域的太阳光球光，仪器达到非常低的杂散光水平。

通常，在空间中通过日冕仪对太阳外层大气的日冕和CME进行观测，其采用外掩式，由遮光掩体遮挡视场中心区域的光球光，原理如附图1所示：外掩式日冕仪在光学成像系统2之前视场中心设置外掩体1，遮挡光球的光，使周围视场的日冕光经过物镜进入光学系统实现成像观测。为了防止光球光进入光学系统形成杂散光干扰对日冕微弱光的接收，在物镜之前设置拒热镜3，将光球光反射出光学系统。日冕仪遮光和成像系统的特点是能够实现太阳居中并遮挡，对360°全周向范围内的日冕进行观测，但无法实现大视场观测，一般仅能覆盖几倍太阳半径到几十倍太阳半径，原因在于：一方面，如果视场扩大，则要么外掩体和物镜的尺寸非常小，要么外掩体距离日冕仪物镜要足够远，使得日冕仪尺寸很大，不利于空间探测；另一方面，由外掩体和拒热镜等引起靠近太阳光球的内视场区域杂散光较大，处于光学系统中心视场区域，使后续光路中抑制杂散光系统更复杂，难以达到很低的杂散光水平，对极微弱的日冕光信号形成干扰无法观测。

为了探测内日球层更大范围和更微弱的日冕光，一般采用侧面遮挡的日球成像仪，如目前在运行工作的日球成像仪可以对从太阳到地球轨道(约225倍太阳半径)范围内的CME爆发进行观测，原理如附图2所示：日球成像仪在方形支撑箱体4的一侧安装平行设置的遮光片5，使光球的光处于遮光片的下部，光学系统6对太阳一侧的日冕层和日球层进行观测。由于光球实际处于日球成像仪的视场之外，通过多层遮光片进行遮挡，在光学系统中不需要外掩体、内掩体、Lyot光阑等遮光装置，很容易达到极低的杂散光水平，观测视场可以覆盖从几十倍太阳半径到地球轨道附近，对极微弱的日冕进行成像。但但为了实现极低的杂散光水平，日球成像仪只能对准太阳光球外一侧的局部区域进行成像观测，无法覆盖太阳居中360°全周向范围内所有方向上的日地空间区域，尤其不能保证对朝向地球方向上的太阳爆发活动和CME事件的实时监测，限制了其在空间天气研究中的应用。

为此，需要设计能观测更大视场范围的日冕层和内日球层观测，同时视场能覆盖太阳居中360°全周向的日球成像仪，且采用特殊遮光系统对中心区域的光球光进行有效遮挡，抑制环境光和仪器杂散光干扰，达到极低杂散光水平，对视场内的微弱日冕光信号进行探测。

发明内容

本发明的目的在于解决前述技术问题之一，提供一种侧面遮挡全周向日球成像仪。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

侧面遮挡全周向日球成像仪，其特征在于，包括：

箱体：外侧成圆锥形，包括扩径端和缩径端；

侧周成像系统：包括底座，箱体的缩径端安装在成像系统的底座上；所述成像系统包括三个侧周成像仪，每个侧周成像仪均对应设置有一个成像探测器；三个侧周成像仪呈120°角等间距排列安装在底座上，位于箱体的外周，每个侧周成像仪的轴线相对箱体的轴线呈倾斜设置；相邻的两个成像探测仪之间存在视场重叠；

挡光片：呈圆环形，环绕设置在箱体的扩径端外围，所述挡光片的尺寸被配置为，使侧周成像仪位于挡光片的遮挡区域；

数据处理系统：接收三个成像探测器的探测数据，参照图像中已知恒星的坐标值进行图像融合，形成日球全周向图像。

本发明一些实施例中，所述挡光片具有多个，沿箱体的轴向方向，排列设置在箱体的外围；每个挡光片外边沿不超过前一个挡光片的外边沿，以使得：

由箱体的扩径端向缩径端的方向，位于后侧的挡光片可遮挡前一片挡光片的边缘衍射光。

本发明一些实施例中，所述挡光片的边沿呈倾角形刀刃状，相邻挡光片边缘形成的倾角相等。

本发明一些实施例中，所述箱体呈中空结构，所述成像仪进一步包括中心成像系统，安装在箱体的中空结构内；所述中心成像系统包括全日面成像仪，以及，与全日面成像仪连接的全日面探测器；所述全日面成像仪的轴线与箱体的轴线重合；

所述数据处理系统进一步接收全日面探测器的探测数据，形成日面光球图像。

本发明一些实施例中，所述数据处理系统进一步被配置为：接收全日面探测器的探测数据，并基于探测数据解算太阳中心位置；

所述成像仪安装在姿态调整机构上，姿态调整机构接收控制系统信号；

所述控制系统基于太阳中心位置生成姿态调整机构调节信号，以使全日面探测器轴心与太阳中心对齐。

本发明一些实施例中，进一步包括：

反射镜：成圆锥形，罩状，其圆锥形的外表面侧作为反光侧；

所述侧周成像系统经底座安装在反射镜的锥形外表面上。

本发明一些实施例中，反射镜的外表面镀高反射膜，内表面镀哑光黑色膜。

本发明一些实施例中，所述成像仪安装在卫星平台上。

本发明一些实施例中，所述数据处理系统进一步被配置为：

确定三个侧周成像仪中相邻两个同时观测视场重叠区域的恒星目标，根据各自图像中恒星目标的灰度值和光度转换系数，计算恒星观测亮度，并对恒星亮度取平均值，完成侧周成像仪的光度校验。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、通过多片圆环形挡光片遮挡光球的直射光，侧周向光学成像系统沿直射光倾斜方向布置，可以有效降低系统杂散光；

2、三个光学成像系统组合后形成的总视场能够覆盖以太阳居中的360°范围的日冕层和内日球层，实现了兼顾大视场和全周向观测；该成像仪观测视场可以达到225倍太阳半径，且在360°的范围覆盖内日球层；

3、光学系统不需要外掩体等遮光结构，结构更简单，轴向尺寸更小，且相对于太阳光球的轴线方向而言是离轴系统，对镜片的表面加工质量要求低，可以充分利用视场中心成像质量高的区域；

4、在日球成像仪中心位置放置全日面成像仪与日球成像仪共轴工作，通过复用可以使调试更容易，跟踪精度更高。

附图说明

图1为现有技术日冕仪遮光原理图；

图2为现有技术日球成像仪遮光原理图；

图3为侧面遮挡全周向观测原理图；

图4a为单向侧面遮挡成像仪视场示意图；

图4b为侧面遮挡全周向成像仪视场示意图；

图5为本发明侧面遮挡全周向日球成像仪结构示意图；

图6为本发明侧面遮挡全周向日球成像仪结构示意图。

以上各图中：

1-外掩体；

2-光学成像系统；

3-拒热镜；

4-支撑箱体；

5-遮光片；

6-光学系统；

7-箱体，701-扩径端，702-缩径端；

8-挡光片；

9-侧周成像仪；

10-成像探测器；

11-反射镜；

12-全日面成像仪；

13-全日面探测器；

14-底座；

15-姿态调整机构。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“设置在”，“连接”，“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供一种侧遮挡全周向日球成像仪，结构参考图5和图6。

成像仪的结构包括箱体7、侧周成像系统、挡光片8、数据处理系统等。

箱体7：外侧成圆锥形，包括扩径端701和缩径端702，即，箱体7具有圆锥形的外表面；

侧周成像系统：包括底座14，箱体7的缩径端702安装在成像系统的底座14上；侧周成像系统包括三个侧周成像仪9，每个侧周成像仪9均对应设置有一个侧周成像探测器10；三个侧周成像仪9呈120°角等间距排列安装在底座14上，位于箱体7的外周，每个成像探测仪的轴线相对箱体7的轴线呈倾斜设置；成像探测仪的光入射端朝向外侧，相邻的两个成像探测仪9之间存在视场重叠。

挡光片8：呈圆环形，环绕设置在箱体7扩径端的外围，挡光片8的尺寸被配置为，使侧周成像仪9位于挡光片8的遮挡区域。挡光片8用于遮挡居于中心位置的太阳光球。

此处所述遮挡区域的意思为：

以位于最外侧的挡光片8为基准，平行箱体7轴线方向的太阳光照射在挡光片8后，被挡光片8遮挡，不会入射到侧周成像仪9上，基于此，挡光片8对侧周成像仪9形成了遮挡效果。

本发明一些实施例中，挡光片8具有多个，沿箱体7的轴向方向，由箱体扩径端701向缩径端702的方向，排列设置在箱体7的外围，多个挡光片8呈同心设置；每个挡光片8外边沿不超过前一个挡光片的外边沿，以使得：

由箱体7的扩径端701向缩径端702的方向，位于后侧的挡光片8可遮挡前一片挡光片8的边缘衍射光。根据日球成像仪内视场相对于光球中心的内视场角(光球的视场张角约±16′)，按前后相邻挡光片边缘成的倾角等于内视场角的多等分(等分数根据挡光片8的片数确定)，即按等角度差的方式计算各挡光片的尺寸大小，使圆环挡光片8的后一片有效遮挡前一片的边缘衍射光，同时圆环形挡光片8相比于平板形遮光片更能保证加工精度，多片叠加后可以达到非常低的杂散光水平。

本发明一些实施例中，挡光片8的边沿呈倾角形刀刃状，相邻挡光片8尖角边缘形成的倾角相等。如图6可见，挡光片8朝向箱体7缩径端702的一侧呈向扩径端701方向倾斜设置的刃状，这种结构可以效降低边缘衍射光。

由于光是波动的，位于前侧的圆形挡光片8遮挡了光球光，在前侧挡光片8的阴影区还会由光的衍射产生的弱的边缘衍射光，通过与其相邻的挡光片8进一步遮挡边缘衍射光，而第三片挡光片再遮挡第二片的边缘衍射光，这样多片就可以将中心区域的光球光尽量消减。参考图6，为了实现更好的挡光效果，通常挡光片8是奇数片。

参考图4，在圆环挡光片8之后沿圆周方向在相距120°方位角上安装3套光学成像系统8，各自覆盖的视场范围如附图3中虚线所示区域。每个成像系统观测太阳到地球之间内日球层的一侧A区域，三个侧周成像系统的视场局部相互重叠，形成B区域，总的视场范围可以实现覆盖太阳周围360°圆周方向。由于成像系统沿侧向观测，不需要外掩体等遮光系统，可以实现极低的杂散光水平，视场大小可以达到225倍太阳半径。

数据处理系统：接收三个成像探测器的探测数据，参照图像中已知恒星坐标值进行图像融合，形成日球全周向图像。

由于三个侧周成像系统存在视场重合，本发明一些实施例中，所述数据处理系统进一步被配置为：确定三个侧周成像仪中相邻两个同时观测视场重叠区域的恒星目标，根据各自图像中恒星目标的灰度值和光度转换系数，计算恒星观测亮度，并对恒星亮度取平均值，完成侧周成像仪的光度校验。

以上光度校准可以当日冕仪在空间中运行时，实时观测恒星完成。

为了保证观测中日球成像仪始终指向太阳使其严格居中，需要对太阳的中心进行精确的跟踪，避免因为偏心造成挡光片的边缘衍射光增大。为解决这以问题，本发明一些实施例中，箱体7呈中空结构，成像仪进一步包括中心成像系统，安装在箱体7的中空结构内；中心成像系统包括全日面成像仪12，以及，与全日面成像仪12连接的全日面探测器13；全日面成像仪12的轴线与箱体7的轴线重合；

数据处理系统进一步接收全日面探测器13的探测数据，形成日面光球图像。

通过全日面成像仪12和侧周成像仪9的配合，可实现全向日球成像。

本发明一些实施例中，数据处理系统进一步被配置为：接收全日面探测器13的探测数据，并基于探测数据解算太阳中心位置；

成像仪安装在姿态调整机构15上，姿态调整机构15接收控制系统信号；

控制系统基于太阳中心位置生成姿态调整机构15调节信号，以使全日面探测器13轴心与太阳中心对齐。

成像过程中，全日面成像仪12对侧周成像系统起辅助性作用，用以跟踪太阳中心。在一些实施例中，如果没有这个全日面成像仪12，还可以通过外加的跟踪瞄准望远镜对准太阳，调整日球成像仪的姿态，跟踪太阳中心。

光学系统轴线与日球成像仪的中线轴线调成重合，通过滤光片选定特定谱线对光球成像，根据临边计算太阳中心位置，并反馈日球成像仪的姿态调整机构15，使其准确对准太阳中心，同时还可以全日面成像仪的观测数据对光球活动进行研究。

本发明不对姿态调整机构15的结构进行具体的限定，实际应用中，各种多自由度平台均可以实现跟随控制效果，跟随系统的结构改进不属于本发明的核心发明构思，因此不再赘述。

例如，本发明一些实施例中，成像仪可以安装在卫星平台上。

日球成像仪安装在卫星平台上，需要解决遮挡由太阳能板和天线的其他部件的表面反射光和散射光照射到圆环挡光片的后表面形成杂散光的问题，因此，在本发明一些实施例中，进一步包括：

反射镜11：成锥形，罩状，其锥形的外表面侧作为反光侧；在侧周成像仪的后端安装圆锥形反射镜11，

侧周成像系统经底座14安装在反射镜11的锥形外表面上。此处所述的外表面是指锥形反射镜11的凸出一侧的表面。

本发明一些实施例中，反射镜11的朝向太阳的外表面镀高反射膜，相对一侧的内表面镀哑光黑色膜。通过这种结构，一方面将前向传播的光球光反射到宇宙空间中，另一方面将后向传播的来自其他部件的散射光遮挡，不进入侧周成像仪形成环境光干扰，从而使日球成像仪获得极低的杂散光水平，能够对大视场范围内的低至10^-14量级以下的极微弱日冕光信号进行探测。

本发明提供的侧面遮挡全周向日球成像仪，兼顾了大视场和全周向观测，可以有效降低系统杂散光，可以实现将观测视场达到225倍太阳半径，且在360°的范围覆盖内日球层，跟踪瞄准太阳精度更高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.侧面遮挡全周向日球成像仪，其特征在于，包括：

箱体：外侧成圆锥形，包括扩径端和缩径端；

侧周成像系统：包括底座，箱体的缩径端安装在成像系统的底座上；所述成像系统包括三个侧周成像仪，每个侧周成像仪均对应设置有一个成像探测器；三个侧周成像仪呈120°角等间距排列安装在底座上，位于箱体的外周，每个侧周成像仪的轴线相对箱体的轴线呈倾斜设置；相邻的两个成像探测仪之间存在视场重叠；

挡光片：呈圆环形，环绕设置在箱体的扩径端外围，所述挡光片的尺寸被配置为，使侧周成像仪位于挡光片的遮挡区域；

数据处理系统：接收三个成像探测器的探测数据，参照图像中已知恒星的坐标值进行图像融合，形成日球全周向图像；

所述挡光片具有多个，沿箱体的轴向方向，排列设置在箱体的外围；每个挡光片外边沿不超过前一个挡光片的外边沿，以使得：

由箱体的扩径端向缩径端的方向，位于后侧的挡光片可遮挡前一片挡光片的边缘衍射光。

2.如权利要求1所述的侧面遮挡全周向日球成像仪，其特征在于，所述挡光片的边沿呈倾角形刀刃状，相邻挡光片边缘形成的倾角相等。

3.如权利要求1所述的侧面遮挡全周观测向日球成像仪，其特征在于，所述箱体呈中空结构，所述成像仪进一步包括中心成像系统，安装在箱体的中空结构内；所述中心成像系统包括全日面成像仪，以及，与全日面成像仪连接的全日面探测器；所述全日面成像仪的轴线与箱体的轴线重合；

所述数据处理系统进一步接收全日面探测器的探测数据，形成日面光球图像。

4.如权利要求3所述的侧面遮挡全周观测向日球成像仪，其特征在于，所述数据处理系统进一步被配置为：接收全日面探测器的探测数据，并基于探测数据解算太阳中心位置；

所述成像仪安装在姿态调整机构上，姿态调整机构接收控制系统信号；

所述控制系统基于太阳中心位置生成姿态调整机构调节信号，以使全日面探测器轴心与太阳中心对齐。

5.如权利要求1所述的侧面遮挡全周向日球成像仪，其特征在于，进一步包括：

反射镜：成圆锥形，罩状，其圆锥形的外表面侧作为反光侧；

所述侧周成像系统经底座安装在反射镜的锥形外表面上。

6.如权利要求4所述的侧面遮挡全周向日球成像仪，其特征在于，反射镜的外表面镀高反射膜，内表面镀哑光黑色膜。

7.如权利要求4或5所述的侧面遮挡全周向日球成像仪，其特征在于，所述成像仪安装在卫星平台上。

8.如权利要求1所述的侧面遮挡全周向日球成像仪，其特征在于，所述数据处理系统进一步被配置为：

确定三个侧周成像仪中相邻两个同时观测视场重叠区域的恒星目标，根据各自图像中恒星目标的灰度值和光度转换系数，计算恒星观测亮度，并对恒星亮度取平均值，完成侧周成像仪的光度校验。