弱偏振器件Mueller矩阵测量的校准及应用

1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,NVST)的高分辨磁像仪采用了同步重建技术,其中用到了分束镜。分束镜从设计上一般会进行偏振优化,尽量减小偏振效应,但还是不可避免地对太阳磁场的偏振测量造成影响,因此,对分束镜偏振特性的测量是1 m太阳望远镜进行太阳磁场偏振测量的必需步骤。运用空气Mueller矩阵校准法对Mueller矩阵测量结果进行了校准,测量了两块用于磁场偏振测量的分束镜样品,比较了不同分束镜方案的Mueller矩阵及其对偏振测量的影响,并测量了平板玻璃的Mueller矩阵随入射角变化的结果,比较测量结果与理论值之间的偏差,利用空气Mueller矩阵进行校准后测量系统达到5×10~(-3)的Mueller矩阵测量精度。     

NVST偏振观测系统的运动控制实现

中国科学院云南天文台1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,NVST)是我国在太阳物理和空间科学对太阳进行光学和近红外观测的主力设备,主要科学目标是高精度、高时空分辨率的太阳磁场测量。1 m新真空太阳望远镜采用机械扫描偏振观测方式,由于光学系统的结构特性导致望远镜在跟踪太阳的过程中不可避免地引入了随时间变化的偏振效应,因此在进行偏振观测时需要进行系统定标,整个系统由定标单元、分析单元和探测器组成,其间涉及的多个运动部件均有复杂精密的运动要求。针对偏振定标过程和偏振观测过程中各光学器件的运动需求,给出了定标单元和分析单元的控制要求,实现了不同观测模式下各部件的运动要求。基于TCP/IP协议的远程控制方案,集成了采用串口通讯的各商用驱动控制器,开发了一套在.NET架构下的定标单元控制软件和相应的用户界面,并预留了观测控制系统接口。性能测试表明,系统符合观测要求,现已投入使用,为后续的偏振观测奠定了基础。     

CMOS图像传感器在太阳磁场观测中的应用研究

磁场是太阳物理的第1观测量,当前太阳磁场观测研究正迈向大视场、高时空分辨率、高偏振测量精度以及空间观测的时代.中国首颗太阳观测卫星—先进天基太阳天文台(ASO-S)也配置了具有高时空分辨率、高磁场灵敏度的全日面矢量磁像仪(FMG)载荷,针对FMG载荷的需求,讨论了大面阵、高帧频互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)图像传感器应用于太阳磁场观测的可行性.首先,基于滤光器型太阳磁像仪观测的原理,比较分析了目前CMOS图像传感器(可用的或是可选的两种快门模式)的特点,指出全局快门类型更适合FMG;其次搭建了CMOS传感器实验室测试系统,测量了CMOS图像传感器的像素增益及其分布规律;最后在怀柔太阳观测基地的全日面太阳望远镜上开展了实测验证,获得预期成果.在这些研究基础上,形成了FMG载荷探测器选型方向.     

8m中国巨型太阳望远镜偏振光学设计

望远镜的仪器偏振是影响太阳磁场测量的重要因素,为了获得精确的太阳磁场信息,对大型太阳望远镜光学系统进行偏振优化设计非常必要.针对8 m中国巨型太阳望远镜(Chinese Giant Solar Telescope, CGST)的偏振设计需求,提出了基于四镜偏振补偿结构的望远镜折轴光学系统设计方案.基于偏振光线追迹方法,分析了该方案仪器偏振在望远镜光瞳和视场上的分布特性以及视场分布特性随望远镜运动和波长的变化.结果表明,在HeI 1.083μm和FeI 1.565μm磁敏谱线所在的近红外波段, CGST仪器偏振满足2×10^-4测量精度要求的“无偏振视场”为0.91′,而在可见光波段该“无偏振视场”为0.5′.     

基于FPGA的空间太阳磁像仪自校正稳像系统研制

太阳磁像仪是开展太阳磁场观测研究的核心仪器,其中的稳像系统是空间太阳磁像仪的关键技术之一,针对深空探测卫星系统对载荷重量、尺寸限制严苛的要求,设计了基于图像自校正方法的稳像观测系统.介绍了一套基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)和数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP),通过基于自相关算法的高精度稳像方法设计,并结合精确偏振调制、准确交替采样控制等系统软硬件设计,克服由于卫星平台抖动、指向误差等因素造成的图像模糊,实现实时相关、校正、深积分的稳像观测系统.针对像素尺寸为1 K×1 K、帧频为20 fps的CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)探测器,实现了1像元以内的实时稳像观测精度.在完成实验室测试后, 2021年6月18日在国家天文台怀柔太阳观测基地35 cm太阳磁场望远镜上开展了实测验证,结果表明该系统能够有效地完成太阳磁像仪自校正稳像观测,获得了更高分辨率的太阳磁场数据.稳像系统的成功研制不仅可以为深空太阳磁像仪的研制提供轻量化、高...     

太阳Stokes光谱望远镜的结构及其数据处理方法

云南天文台的太阳Stokes光谱望远镜是一台通过测量磁敏谱线的Stokes参数I,Q,U和V的轮廓来研究太阳磁场精细结构的光谱型矢量磁场测量仪。它利用4个完整的Stokes轮廓所蕴含的丰富信息,完全确定辐射的偏振状态,从而精确地测定太阳黑子区的矢量磁场。文章首先介绍了该望远镜的结构,进而详细地介绍了该望远镜所测量的偏振光谱资料的处理方法。     

红外波段太阳观测技术方法研究

1m红外太阳塔是我国未来重点发展的地面太阳观测设备 ,本文的所有工作均围绕着与此相关的红外波段太阳观测技术方法展开。1 .针对望远镜实验平台—云台太阳光谱仪 ,建立了光谱仪分光流量模型 ,并用多种实验手段验证了其可靠性。利用该模型计算了FeⅠ 1 .56μm红外太阳光谱的分光流量 ,分析了实验观测的可行性及改进方案。2 .针对探测器实验平台—PtSi红外焦平面阵列相机 ,建立了FeⅠ 1 .56μm光谱观测信噪比模型 ,模拟了各种噪声对观测的影响。在此基础上 ,在国内首次成功进行了FeⅠ1 .56μm红外太阳光谱的面阵观测实验。3 .在红外观测实验所处的高背景低对比度条件下 ,讨论了红外太阳光谱观测的图像处理方法 ,分析了观测中出现的干涉条纹的来源及解决办法 ,初步建立起了一整套红外太阳光谱与成像的定标方法和图像处理方法。4 .首次利用PVA材料 ,设计研制了一套FeⅠ 1 .56μm近红外Stokes参量偏振仪 ,并将该偏振仪安装在美国国立天文台McMath望远镜上进行了观测实验。针对一太阳黑子 ,通过扫描进行了二维的Stokes参量观测。同时建立了一套从Stokes参量反演磁矢量场的方法 ,并将反演的结果与怀柔太阳磁场望远镜的观测结果进行了比对。5.针对 1m红外太阳塔的太阳光谱仪系统 ,给出了垂直多波段光谱仪和红外     

大气色散对太阳多波段同步高分辨图像重建的影响

抚仙湖1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope,NVST)利用多波段成像系统对太阳光球和色球同时进行高分辨成像观测,并对观测图像进行多波段同步高分辨统计重建,以大幅度降低重建所需的计算量,并改善低信噪比波段的高分辨重建效果。大气色散是影响多波段同步高分辨重建效果的主要因素。借助多层湍流大气的模拟,通过比较不同天顶角下色散引起的波像差、相对谱比,分析了大气色散对多波段同步高分辨重建的影响。分析结果表明对于1 m太阳望远镜,当天顶角在60°以内时,色散对近红外以及波长相差不大的可见光波段的多波段同步高分辨重建的影响较小,而393.3 nm波段受色散的影响明显,天顶角超过45°时分辨率明显下降。     

太阳光谱望远镜的Stokes光谱测量

中国科学院云南天文台"太阳Stokes光谱观测与理论研究”团组自进入国家天文观测中心以来,经过一年多的努力,对50cm太阳光谱望远镜原偏振测量部分进行了彻底改造,由原来的D.C.调制改为A.C.调制,且增加了偏振测量校正系统.其机械,电控设计和加工于2000年2月完成,3月完成了光学调试,4月上旬完成了偏振解调和图像处理的软件编制.自2000年4月下旬以来,对23周峰年出现的部分活动区进行了较为成功的斯托克斯光谱测量,其偏振测量精度可达2×10-3,已接近国际水平,为该团组开展的课题研究打下了良好的基础.以此望远镜与怀柔观测基地太阳磁场望远镜相配合,将使我国太阳矢量磁场和速度场的研究更上一个台阶.给出了偏振测量的具体方法和部分测量结果.尽管取得了以上的成绩,但在近期内将对该偏振测量方式作进一步改进,用双光束分析代替单光束分析,使偏振测量精度提高到5×10-4,从而使之不仅能在活动区而且也能在宁静区得到矢量磁场的信息,不仅如此,还可对太阳第二光谱进行测量,提高我们依托该望远镜进行研究的广度和深度.     

太阳磁场观测研究

简要回顾了近几年国际上太阳磁场研究的一些重要进展，包括耀斑与磁切和电流的关系，电流螺度和磁螺度，磁场拓扑性，三维磁场外推，色球磁场研究，日冕磁场研究，内网络磁元，磁流和振荡，极区磁场观测以及色球磁元观测等方面内容，同时也介绍了怀柔太阳观测站最近所取得的主要成果，自20世纪90年代以来，YOHKOH高分辨率的太阳X射线数据，SOHO的多波段大尺度观测，TRACE的高分辨太阳过渡区资料，为研究太阳磁场从内部到距离几十太阳半径处的大范围演化提供了依据，高效的空间资料结合长期的地面资料，将是正派推动太阳磁场研究的重要手段和必然趋势。     

太阳宁静区磁元的空间结构

利用怀柔太阳磁场望远镜,我们对太阳宁静区光球和色球磁场进行了观测。日面中心到边缘的观测表明,太阳宁静区中的小尺度磁结构在从光球到色球的扩展过程中变化不大。日面边缘的观测表明,小尺度磁结构的水平分量在光球和色球都不大。对极区和赤道边缘纵向磁场的比较发现,极区磁场与赤道边缘磁场有着不同的磁结构特性     

太阳磁场望远镜的进展

由南京天文仪器厂,北京天文台,长春物理研究所和福州物质结构研究所等四单位联合研制的太阳磁场望远镜已在1982年基本完成,目前正在天文仪器厂由北京天文台太阳物理研究室进行试观测。初步结果表明仪器性能良好。 这台望远镜采用拆射系统,物镜口径35厘米,有效视场4′×6′。为了测量在磁场作用下磁敏谱线偏振光的四个Stokes参数,即向量磁场和视向速度场,采用了KD~*P调制器和专门设计的窄带干涉滤光器组成的偏振测量系统。由于不存在歪曲横向磁场的仪器偏振,可以测量向量磁场。仪器备有三种接收系统:照相、光电和视频系统,也就兼有所有三种磁象仪的功能。 1975年,北京天文台太阳物理研究室进行了台址选择的工作,最后选定了北京郊区怀柔水库内的一个小半岛,望远镜将安置在岛端高25米的水泥塔上。观测室土建和园顶正在施工之中。圆顶是特殊设计的,必要时可移出到水泥塔顶北端,与望远镜相距15米。 本文概述了仪器的研制结构和性能,并同美国马歇尔飞行中心的30厘米向量磁象仪作了比较。介绍了进一步提高仪器性能的措施。     

一米新真空太阳望远镜离焦对高分辨太阳观测图像重建的影响

由于太阳辐射、环境温度等因素,太阳望远镜在一个观测日内往往有较明显的像差变化,而离焦是其中的主要像差。针对抚仙湖1 m太阳望远镜的高分辨成像观测系统,对其离焦像差及变化进行了简要分析,在此基础上模拟分析了离焦像差对图像高分辨统计重建的影响。分析结果表明,离焦像差对高分辨重建图像的相位传递函数影响不大,但对调制传递函数有明显的影响,进而造成像质衰减,应当进行补偿。     

红外波段太阳观测技术方法研究

1m红外太阳塔是我国未来重点发展的地面太阳观测设备，本文的所有工作均围绕着与此相关的红外波段太阳观测技术方法展开。1．针对望远镜实验平台－云台太阳光谱仪，建立了光谱仪分光流量,工用多种实验手段验证了其可靠性。利用该模型计算了Fe Ⅰ1.56μm红外太阳光 谱的分光流量，分析了实验观测的可行性及改进方案。2．针对探测器实验平台－PtSi红外焦平面阵列相机，建立了FeⅠ1.56μm光谱观测信噪比模型，模拟了各种噪声对观测的影响。在此基础上，在国内首次成功进行了FeⅠ1.56μm红外太阳光谱的面阵观测实验。3．在红外观测实验所处的高背景低对比度条件下，讨论了红外太阳光谱观测的图像处理方法，分析了观测中出现的干涉条纹的来源及解决办法，初步建立起了一整套红外太阳光谱与成像的定标方法和图像处理方法。4．首次利用PVA材料，设计研制了一套FeⅠ1.56μm近红外Stokes参量偏振仪，并将该偏振仪安装在美国国立天文台McMath望远镜上进行了观测实验。针对一太阳黑子，通过扫描进行了二维的Stokes参量观测。同时建立了一套从Stokes参量反演磁矢量场的方法，并将反演的结果与怀柔太阳磁场望远镜的观测结果进行了比对。5．针对1m红外太阳塔的太阳光谱仪系统，给出了垂直多波段光谱仪和红外大色散光谱仪的光、机初步设计。6．针对1m红外太阳塔的科学目标，提出了多波段光谱仪探测器系统方案，对红外大色散光谱仪所使用的红外探测器也进行了初步方案设计。     

抚仙湖1米新真空太阳望远镜空间二维偏振光谱观测模式的设计与实现

作为抚仙湖1 m新真空太阳望远镜的观测终端之一,多波段光谱仪需具备2种观测模式:空间二维扫描观测及偏振光谱测量,从而实现诊断太阳矢量磁场及其动力学特征的科学目标。首先明确观测模式对3大重要光电机构(空间扫描机构、偏振分析器和仪器偏振定标机构)的基本要求;其次从实测太阳物理需要出发,分析这些要求的具体实现方法(连续式或步进式)、控制精度(10~(-2)或10~(-3))以及信噪比提高方法(多帧叠加或多组叠加)等;最后给出多种观测模式的流程图,并将不同观测模式集成于一个采集控制程序之中,投入实测,分别进行多组活动区二维空间扫描观测和黑子偏振光谱测量,取得了较好的结果。     

云南天文台太阳光谱望远镜加Stokes光电偏振分析器的考虑

云南天文台太阳光谱望远镜是无偏振对称光路系统,经过重新装调望远镜空间分辨率在１”以内,光谱上的空间分辨率在１”～２”,跟踪精度在５ 分钟内１”,以上光学参数达到可以加装Ｓｔｏｋｅｓ 偏振分析器,用于参加２３ 周太阳峰年矢量磁场的光谱轮廓研究     

光纤阵列太阳光学望远镜偏振分析器设计

给出了满足光纤阵列太阳光学望远镜(FASOT,Fibre Arrayed Solar Optical Telescope)观测目标的偏振分析器的理论设计.它具有以下特点:(1)具备偏振光学开关功能,使得高偏振测量成为可能;(2)在750nm宽度范围内,对各Stokes偏振参量都具有50%以上的理论偏振测量效率,且总的偏振测量效率高于86.6%.使得观测者在如此宽波长范围内可对多条磁敏谱线同时进行偏振测量;(3)根据所选光球和色球线侧重于对线偏振或圆偏振的测量;(4)对偏振元件的制作工艺以及安装误差等具有相当好的容忍度.以上特性使该偏振分析器成为高性能的偏振测量设备.     

1m红外太阳望远镜光电导行系统的反馈控制分析

我国正在研制中的1m红外太阳望远镜是目前国内唯一的地平式真空太阳塔,主要用于活动区磁场的精细光谱分析和太阳活动区磁场的时空精细结构研究.要求望远镜必须长时间高精度跟踪太阳(0.3"/30s、1"/10min)才能实现它的科学目标.光电导行是实现望远镜高精度跟踪观测目标的关键控制技术,通过检测观测目标像在图像传感器上的移动量作为反馈控制信号对望远镜实行闭环控制.首先建立了光电导行系统的控制系统模型,然后分析了系统的稳定性能、暂态性能、时域特性、频域特性及跟踪性能,并采用PID控制器对系统进行优化设计,以提高光电导行反馈控制系统的稳定性和跟踪精度.通过计算机仿真设计,采用PID控制算法能实现1m红外太阳望远镜的跟踪要求.     

基于KD* P偏振调制和同程异构的图像同步采集时序控制

为了满足1 m新真空太阳望远镜高分辨率磁像仪对图像采集的需求,研制了基于KD*P偏振调制和同程异构的图像同步采集时序控制系统。通过对KD*P的偏振调制特性和图像采集相机的Rolling曝光及外触发工作特性进行详细分析,设计了同步控制时序,并给出了系统的工作流程。在深入研究工作时序各参数之间的相互制约关系,并对各时间参数随机波动量进行了大量的实测和统计分析之后,得到了系统运行的时序条件。最后在几种工作状态下对时序系统进行了实测,从而证明了所设计的时序控制系统满足磁像仪对KD*P偏振调制和同程异构的序列斑点图同步采集的要求。     

实时相关跟踪图像处理系统

文章介绍了怀柔太阳观测基地最近完成的一套实时高分辨太阳磁场观测系统。系统采用局部相关跟踪算法来提高磁场观测数据的空间分辨率，同时对相关跟踪算法的实现程序进行了优化以满足常规太阳磁场观测的要求。通过对试观测和常规观测数据的分析，我们发现：1）该系统能够大大提高单色像、磁场数据的对比度和空间分辨率；2）对相关跟踪算法的优化大大提高了系统的时间分辨率，系统可以投入常规观测使用。