王 佳，劉洋毅，饒長輝*

1中國科學院光電技術(shù)研究所，四川 成都 610209；

2中國科學院自適應(yīng)光學重點實驗室，四川 成都 610209；

3中國科學院大學，北京 100049

1 引 言

由于窄帶寬、可調(diào)諧等優(yōu)勢，里奧濾光器通常用于光譜掃描成像，已成為太陽觀測的重要設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于各太陽望遠鏡，如美國的 GST[1]，日本的SMART[2]，德國的 ChroTel[3]，中國的 NVST[4]等。里奧濾光器[5-8]是利用雙折射原理、使具有相位差的尋常光和非尋常光發(fā)生干涉從而達到窄帶濾光效果的濾光器。通過在光路中加入晶片，調(diào)節(jié)晶片，改變兩光束之間相位差的差值，使發(fā)生干涉的中心波長改變，從而達到里奧濾光器的調(diào)諧效果。里奧濾光器結(jié)構(gòu)原理如圖1。其中δ為相位差，雙向箭頭代表偏正片。

然而，在實際使用中，里奧濾光器輪廓掃描的中心波長容易受溫度影響產(chǎn)生漂移，濾光器一般放置在恒溫裝置中，通過調(diào)節(jié)恒溫裝置溫度來對濾光器輪廓掃描的中心波長漂移進行修正。里奧濾光器出廠前，生產(chǎn)者已經(jīng)完成對濾光器性能的檢測，然而在使用過程中，由于裝置的移動、環(huán)境的變化、使用的損耗等非穩(wěn)定因素，會對里奧濾光器的性能產(chǎn)生影響。為了保證掃描成像觀測的準確性，使濾光器設(shè)置的觀測參數(shù)與實際的觀測效果保持一致，需要在光路搭建完成后對里奧濾光器進行在線標定與校正，并且需要每隔一段時間重新標定。根據(jù)實際應(yīng)用的需求，太陽多波段觀測系統(tǒng)中需要標定的主要對象為里奧濾光器的掃描輪廓以及掃描輪廓的中心波長[9]。有效的標定實驗依賴于環(huán)境的穩(wěn)定性，一般的標定實驗需要在天氣狀態(tài)很好的條件下進行。傳統(tǒng)的標定實驗僅僅使用濾光器光譜掃描成像通道，單獨對掃描成像觀測結(jié)果進行分析[9-11]。由于傳統(tǒng)的標定方法對太陽光強穩(wěn)定性有較高要求，不僅提高了標定難度，同時浪費了寶貴的觀測時間。

為了更有效地利用望遠鏡觀測時間，降低標定試驗對觀測條件的高要求，本文提出一種里奧濾光器在線標定方法。該方法使用單色光成像通道與里奧濾光器掃描成像通道聯(lián)合觀測的方法，以單色光成像通道的觀測結(jié)果獲得外界環(huán)境對太陽光強擾動的信息，在線校正濾光器的觀測掃描數(shù)據(jù)，降低由環(huán)境擾動引起的太陽光強非穩(wěn)定性所帶來的干擾，獲取更加準確的太陽光譜。為了一進步驗證該方法的有效性，本文基于七波段太陽大氣層析成像系統(tǒng)，使用其中TiO單色光成像通道(705 nm)與 Hɑ里奧濾光器掃描成像通道(656.28 nm)進行聯(lián)合觀測，對該在線標定方法進行了實驗驗證。

2 一種實時修正太陽光強變化的里奧濾光器在線標定方法

2.1 七波段太陽大氣層析成像系統(tǒng)介紹

由于不同高度的太陽大氣在特定的光譜范圍內(nèi)具有不同吸收特性，因此，可以通過特定波長進行成像觀測[12]。七波段太陽大氣層析成像系統(tǒng)[13]通過對覆蓋可見光到近紅外的七條太陽光譜吸收線進行同時觀測，可以對太陽大氣光球?qū)拥缴驅(qū)舆M行層析成像觀測，有助于獲取太陽活動在太陽大氣中的演化過程[14]。該系統(tǒng)于2015年首光，是目前國際上成像通道數(shù)最多的太陽多波段層析成像系統(tǒng)(圖2)。

圖1 里奧濾光器結(jié)構(gòu)原理Fig.1 The principle structure of Lyot filter

太陽色球吸收線線寬極窄，普通的干涉濾光片難以滿足要求，往往采用具有極窄帶寬的里奧濾光器或原子濾光器。由于原子濾光器受限于特定工作波長[15]，因此里奧濾光器成為色球譜線觀測中應(yīng)用最為廣泛的窄帶濾光器，在七波段層析成像系統(tǒng)中被應(yīng)用于三條色球吸收線譜線的觀測，七波段層析成像系統(tǒng)成像波段及相關(guān)信息如表1所示。

里奧濾光器通過調(diào)節(jié)尋常光與非尋常光之間的相位差來對中心波長調(diào)諧從而達到光譜掃描成像觀測的目的。下文實驗中Hɑ掃描成像通道(656.28 nm)所使用的里奧濾光器出廠性能如表2所示，圖3為濾光器中心波長透過率特性曲線?？梢钥吹?，濾光器透過率接近于0.025 nm帶寬的高斯型曲線。因為中心波長極易受到環(huán)境影響并發(fā)生漂移，所以需要定期對光譜掃描成像通道中的里奧濾光器進行在線標定。

2.2 里奧濾光器在線標定方法介紹

本方法以多波段太陽大氣層析成像系統(tǒng)為平臺，以太陽表面中心寧靜區(qū)為觀測目標，使用單色光成像同時觀測的方式，認為單色光成像通道的平均光強起伏僅受環(huán)境非穩(wěn)定性的影響，一段時間內(nèi)的單色光圖像的平均光強曲線可以反映環(huán)境光強對觀測的擾動情況，利用這一平均光強曲線獲得用于修正標定數(shù)據(jù)的環(huán)境擾動修正系數(shù)，從而計算同一觀測時間段內(nèi)經(jīng)過環(huán)境擾動修正的標定數(shù)據(jù)，再利用這一修正后的標定數(shù)據(jù)對濾光器的工作性能進行分析。圖4為該方法示意圖。

設(shè)光譜掃描成像通道各掃描波長位置λk的觀測數(shù)據(jù)構(gòu)成的矩陣為Q，大小為m×n，其中m為波長掃描點數(shù)，n為每個波長位置的觀測幀數(shù)，Q的值為每幀觀測數(shù)據(jù)的寧靜區(qū)平均光強值。修正前譜線掃描標定數(shù)據(jù)為序列Qm：

圖2 可見光至近紅外太陽大氣不同高度活動區(qū)高分辨力多波段層析成像觀測數(shù)據(jù)Fig.2 Visible light to near-infrared image of different solar atmosphere layer observed by high-resolution multi-wavelength solar imaging system

表1 七波段層析成像系統(tǒng)成像波段Table 1 High-resolution multi-wavelength solar imaging system imaging channel

表2 濾光器性能參數(shù)Table 2 Performance of the Lyot filter

圖3 濾光器透過率曲線Fig.3 Transmittance curve of the Lyot filter

圖4 標定方法示意圖Fig.4 Calibration method process

設(shè)單色光成像通道每幀圖像的寧靜區(qū)平均光強值構(gòu)成的序列為I，大小為m×l。m為光譜掃描通道波長掃描點數(shù)，l為λk觀測時間內(nèi)單色光觀測的總幀數(shù)。序列I的平均值為

則環(huán)境擾動修正系數(shù)序列為

為了計算在每個波長位置觀測時間內(nèi)環(huán)境擾動修正系數(shù)的平均值，將序列Ic轉(zhuǎn)換成矩陣的大小為m×l，每個波長位置觀測時間內(nèi)環(huán)境擾動修正系數(shù)的平均值序列為

式中S是大小為m的修正系數(shù)序列。

3 基于七波段太陽大氣層析成像系統(tǒng)的里奧濾光器標定實驗

標定實驗的觀測目標是太陽典型譜線，實際標定時觀測對象為太陽表面中心寧靜區(qū)。由于實驗對光強的敏感性，進行觀測實驗過程中，需注意調(diào)整 CCD曝光時間，保證單色光成像通道和濾光器掃描成像通道的光強都處于非飽和狀態(tài)?；緦嶒炦^程如下：

1) 以太陽表面中心寧靜區(qū)為目標進行觀測，同時開啟TiO成像觀測通道和Hɑ掃描成像觀測通道。Hɑ掃描成像觀測時，每偏帶設(shè)置10幀觀測；TiO觀測幀頻為每秒2幀；

2) 對Hɑ通道每偏帶觀測的10幀圖像作平均處理，得到一張偏帶圖像；

3) 選取觀測區(qū)域內(nèi)光強較均勻的區(qū)域，計算偏帶掃描時間段內(nèi)每幀TiO觀測圖像的平均光強，繪制觀測時間段內(nèi)TiO光強變化曲線I；

4) 選取相同的觀測區(qū)域，計算Hɑ偏帶圖像的平均光強，并以標準光強譜線(數(shù)據(jù)來自Bass2000譜線數(shù)據(jù)庫)為歸化標準，進行歸一化，繪制掃描輪廓曲線Qm，并計算輪廓中心位置；

5) 計算觀測時間段內(nèi) TiO光強變化曲線的均值，以每幀圖像的平均光強值I除以該平均光強值，得到觀測時間段內(nèi)環(huán)境擾動的修正系數(shù)曲線Ic；

6) 對于每個Hɑ偏帶圖像，計算在該偏帶觀測時間內(nèi)環(huán)境擾動修正系數(shù)的平均值，得到擾動系數(shù)均值序列S，用輪廓曲線Qm除以該均值序列S，得到修正環(huán)境擾動后的掃描觀測譜線并繪制譜線，計算修正后譜線的中心位置并分析譜線輪廓。

4 實驗結(jié)果

4.1 輪廓檢測實驗結(jié)果

首先對濾光器掃描的Hɑ輪廓進行檢測，并以單色光成像觀測數(shù)據(jù)對輪廓掃描數(shù)據(jù)進行修正?？紤]天氣與觀測時長內(nèi)天氣變化的影響，以0.01 nm為步長，在中心波長±0.3 nm的范圍內(nèi)進行了輪廓掃描實驗。

由于還未對濾光器掃描輪廓的中心波長進行校正，掃描輪廓相對于標準譜線輪廓有所平移。通過計算歸一化后掃描輪廓最低點與標準譜線的差值，將掃描譜線與標準譜線對齊。中心對齊后，掃描觀測標定結(jié)果和環(huán)境光強擾動修正后的掃描觀測標定結(jié)果分別如圖 5(a)、5(b)所示，橫坐標為波長偏移量，中心波長為656.3 nm。環(huán)境擾動修正系數(shù)如圖6所示。

可以看到，修正前掃描輪廓有較多起伏，修正后輪廓變得平滑，線型更接近于標準輪廓。以均方根差值為衡量標準，擾動修正前，掃描譜線與標準譜線的均方根誤差為 468.3，擾動修正后該均方根誤差為442.6，均方根誤差明顯降低，剩余誤差可能是由濾光器透過率特性、光路特性所引起。環(huán)境擾動修正后的輪廓檢測結(jié)果顯示，濾光器的工作性能較穩(wěn)定，在掃描范圍內(nèi)掃描輪廓接近標準譜線輪廓，譜線藍翼光強稍有降低。經(jīng)過分析，藍翼的小幅度降低可能是受光路中前置濾光器光強透過率特性導致，與濾光器工作性能關(guān)系不大，前置濾光器透過率特性如圖7所示，在掃描波段(656 nm至656.6 nm)，藍翼透過率略低于紅翼。另外，中心對齊時標定曲線與標準譜線的中心差值約為0.028 nm，掃描輪廓相較于標準譜線往藍翼偏移0.028 nm，這一差值也與后文中心校正實驗中中心修正前的差值0.025 nm相近。

4.2 中心標定實驗結(jié)果

對濾光器的掃描輪廓進行檢測后，我們對里奧濾光器的掃描中心波長進行了校正。開啟Hɑ掃描成像觀測通道，在保證中心精度和數(shù)據(jù)有效性的同時提高實驗效率，以0.005 nm為掃描步長在中心波長±0.1 nm的范圍內(nèi)進行掃描成像觀測，同時開啟TiO成像觀測通道，以每秒2幀的幀頻進行成像觀測。選取寧靜區(qū)域計算 Hɑ偏帶圖像的平均光強并以標準光強譜線為目標進行歸一化，得到如圖8所示觀測標定譜線，橫坐標為波長偏移量，中心波長為656.28 nm。

可以看到，譜線與標準譜線相比，中心有所偏移，輪廓不夠平滑。分析認為，輪廓不平滑是外界環(huán)境導致，因為觀測時天空有薄云。圖9所示為通過TiO光強變化曲線獲得的環(huán)境擾動的修正系數(shù)曲線?？梢钥吹剑^測后半段TiO光強有明顯降低過程，結(jié)合觀測實際情況分析，此時的降低是由于薄云飄過造成。

圖5 (a) 光強修正前標定數(shù)據(jù)；(b) 光強修正后標定數(shù)據(jù)Fig.5 (a) Calibration data before correction; (b) Calibration data after correction

圖6 環(huán)境擾動修正系數(shù)曲線Fig.6 Correcting coefficient

圖7 前置濾光器透過率特性曲線Fig.7 Pre-filter transmittance curve

圖8 掃描觀測譜線Fig.8 Scanning observation line

利用環(huán)境光強擾動曲線對標定譜線進行修正，得到如圖10所示的修正環(huán)境光強擾動后的Hɑ掃描觀測譜線。可以看到，經(jīng)過環(huán)境光強擾動修正后，譜線更加平滑，更接近于標準譜線，修正了由薄云飄過造成光強降低，但紅翼略有下降，標定譜線與標準譜線的均方根誤差由修正前的599.5下降至修正后的529.5。從譜線輪廓掃描試驗結(jié)果可以看出，此時紅翼下降的原因是由觀測譜線本身光強變化導致。通過計算掃描譜線的最低點位置，此時觀測到的中心偏移量為往藍翼偏移0.025 nm，實際濾光器透過中心波長與設(shè)定值相比紅移0.025 nm。

表3 三組標定實驗均方根誤差Table 3 RMS of three calibration data groups

圖9 環(huán)境擾動修正系數(shù)曲線Fig.9 Correcting coefficient

圖10 光強修正后標定數(shù)據(jù)Fig.10 Calibration data after correction

圖11 (a) 為光強修正前標定數(shù)據(jù)；(b) 為光強修正后標定數(shù)據(jù)Fig.11 (a) Calibration data before correction; (b) Calibration data after correction

根據(jù)中心波長偏移量，調(diào)節(jié)里奧濾光器恒溫裝置溫度，使里奧濾光器掃描輪廓的中心波長盡量接近Hɑ標準譜線中心波長。根據(jù)里奧濾光器參數(shù)，濾光器每升溫0.01 ℃濾光器透過中心波長藍移0.0004 nm，需將濾光器從現(xiàn)在的41.805 ℃升溫至42.43 ℃。調(diào)節(jié)溫度后，同樣以 0.005 nm為掃描步長在中心波長±0.05 nm 的范圍內(nèi)進行掃描成像觀測，并以環(huán)境光強擾動曲線進行修正，得到修正前和修正后的Hɑ標定譜線數(shù)據(jù)，結(jié)果分別如圖11(a)、11(b)所示?？梢钥吹?，此時掃描輪廓中心波長位置與標準譜線中心位置十分接近，修正后的譜線也變得平滑，與標準譜線的均方根誤差由修正前的468.3下降至442.6。經(jīng)過計算，此時的中心偏移量小于0.005 nm，達到觀測要求。從三組標定實驗數(shù)據(jù)相對于標準譜線的均方根誤差(表 3)可以看出，經(jīng)過環(huán)境擾動修正后，均方根誤差均有所下降，表明修正后的譜線都更接近于標準譜線，證明了本實時修正太陽光強變化的里奧濾光器在線標定方法的有效性。

5 結(jié) 論

本文提出的一種里奧濾光器在線標定方法，在太陽多波段觀測系統(tǒng)中，使用單色光成像通道與里奧濾光器波長掃描成像通道聯(lián)合觀測來修正環(huán)境因素造成的太陽光強擾動的標定方法。與傳統(tǒng)方法相比，該方法降低了里奧濾光器標定實驗對觀測條件的要求，提高了標定實驗的準確性，提高了望遠鏡的使用效率。利用該方法，我們很好地對七波段太陽大氣層析成像系統(tǒng)中Hɑ觀測通道的里奧濾光器和TiO單色光觀測通道進行了聯(lián)合標定實驗，實驗結(jié)果顯示進行環(huán)境擾動修正后的譜線與標準譜線輪廓吻合得更好，濾光器性能穩(wěn)定。將環(huán)境擾動修正應(yīng)用于中心標定實驗，使中心得到了很好的校正，掃描輪廓中心相較于在標準譜線中心往藍翼偏移，偏移量小于0.005 nm。最后，該方法也可推廣到里奧濾光器的日常掃描成像觀測中。