基于Lyot滤光器的NVST磁像仪光学系统设计

我国1 m新真空太阳望远镜(New Vacuum Solar Telescope, NVST)能够实现优于0.2″的高分辨成像观测,但还不具备高分辨磁场的常规观测能力。很多磁结构和太阳活动都存在于较小的尺度,需要进行高分辨磁场测量。1 m新真空太阳望远镜的台址具备优良的视宁度,若磁像仪具备快速调制能力,并配合高分辨统计重建技术,有望实现亚角秒分辨率的太阳磁场测量。1 m新真空太阳望远镜测量磁场面临的主要问题包括折轴光路带来的时变偏振、望远镜姿态变化和风载带来的光轴偏移以及湍流的影响等多种问题。针对太阳磁场高分辨观测的需求及1 m新真空太阳望远镜面临的太阳磁场测量问题,详细分析了1 m新真空太阳望远镜太阳光球磁场的测量需求,制定了磁像仪的基本参数,提出了偏振分析器需求,设计了光球磁场的高分辨观测方案。最后利用ZEMAX光学设计软件为磁像仪设计了光路,结果显示光学设计能够满足高分辨成像的需求。     

太阳磁场的红外研究

在简短的引言之后,本文首先叙述在红外波段观测太阳磁场的优越性,然后依次描述用He I10830A、FeI 1.5μ和Mg112μ等红外磁敏线的观测、资料及分析方法。这些谱线分别在色球层、光球最深层和光球上层形成,因此用它们可以探测太阳大气中很大范围的磁场。接着以磁元和黑子磁场为例,介绍现有的主要研究成果。结束语对我国的红外太阳磁场研究提出一些建议。     

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.     

太阳偏振图像高分辨重建误差仿真分析

地基太阳望远镜磁像仪在进行偏振测量时会受到大气湍流的影响,导致测量结果不准确。通过同步探测波前像差,对太阳窄带偏振图像退卷积重建的方法可以克服窄带滤光器带来的偏振测量通道光子数水平较低等问题,将高分辨图像重建算法应用到太阳偏振图像的重建中。在重建过程中,波前估计不准确会导致重建的偏振图像受到I的串扰,与真实的偏振信号之间存在一定偏差。为了研究同步重建过程中波前复原精度对偏振图像重建精度的影响,通过建立仿真模型,对不同视宁度和不同波前复原精度下I对偏振信号的串扰进行了仿真。结果表明,偏振图像的重建质量与波前复原精度正相关,在一定的条件下,增加用于图像重建的帧数和降低图像分辨率等方法也可以降低I对偏振信号的串扰。     

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。     

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...     

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′.     

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。     

黑子磁场的Stokes光谱反演技术

对太阳大气磁场的可靠测量有助于人们更好地理解太阳活动区内外的许多活动现象,如耀斑的触发和能量释放过程、黑子的形态和黑子大气的平衡、日珥的形成等.由于原子在磁场中的一些能级会产生分裂(Zeeman效应),使对应这些能级的谱线分裂成若干个具有不同偏振特性的分量,因此目前对黑子磁场的测量主要是通过偏振光,即Stokes参量I、Q、U、V的观测来实现的.该文主要介绍近30年来太阳黑子光谱反演的方法以及所取得的成就;同时也对光谱反演和滤光器型的望远镜矢量磁场的测量进行了简单的比较.     

太阳散射偏振研究进展

太阳磁场的诊断对研究太阳物理有着重要的意义。近几十年,许多科学家利用汉勒效应(Hanle effect)进行诊断弱磁场的研究。而利用汉勒效应诊断弱磁场,需要对偏振的产生机制有一个完整的理解。直到近年来,随着技术的发展,对偏振的测量精度达到10~(-5)的ZIMPOL(Zurich Imaging Polarimeter)获得以斯托克斯参量Q/I为表征的第二太阳光谱(second solar spectrum),展现丰富的散射偏振特征,促进了偏振研究的蓬勃发展。通过对第二太阳光谱的研究,使我们对偏振产生机制理解得更为透彻,从而使利用汉勒效应诊断弱磁场逐渐成为可能。主要介绍了用量子电动力学为基础的密度矩阵来研究偏振光谱产生的物理过程,并简要介绍了近年有关在第二太阳光谱和汉勒效应研究的一些进展。     

天文镜面保护铝膜偏振特性测量方法

望远镜的仪器偏振效应主要由金属镜面的反射偏振引起,是当前高精度天文偏振测量面临的主要技术问题.为了消除仪器偏振对偏振测量精度的影响,在实验室对金属镀膜材料的偏振特性进行精确全面的测量研究显得至关重要.针对保护铝膜提出一种偏振特性测量方法,该方法使用两种光电调制方式对保护铝膜的缪勒(Mueller)矩阵关键元素进行直接测...     

第二太阳光谱

在太阳大气中,共振散射可引起辐射的线偏振．用偏振度测量精度达10－5的仪器,已经探测出完整的偏振辐射谱,这称为第二太阳光谱．它具有大量的、与通常太阳光谱截然不同的特征和结构．已有的研究发现它们与量子力学干涉、同位素效应、分子散射等物理过程有关．利用第二太阳光谱,可以进一步开展太阳物理的多项研究．     

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.     

准开放磁场线区域模型

为了解释日冕中高能电子束和太阳耀斑中的快速过程,本文提出在活动区双极黑子上空存在一个准开放磁场线区域的定性模型。如图1所示,准开放磁场线区域被确定在开放磁场线下面和耀斑环顶部之间。 由于那里的快速磁重联或撕裂、爆炸式的能量释放引起了区域性的等离子体加速。那些被加速到10—100keV的高能电子束沿着开放的磁场线从太阳大气等离子体逃逸到行星际等离子体中。在每个连续的高度上将产生朗缪尔波等离子体辐射。朗缪尔波同低     

分光仪PSP0的偏振器设计与实验

本文介绍人光仪ＰＳＰ０ 的偏振器设计和实验结果。偏振器设计为旋转半滤片加固定偏振片的系统,但在选用偏振器件方面提出了两种方案。对于低价设计的实验结果表明,偏振器可在４３０７８０ｎｍ 波长范围内工作,能够实现ＰＳＰ０ 在其最佳工作波长的偏振测量。     

分光仪PSP0的偏振器设计与实现

本文介绍了光仪ＰＳＰ０的偏振器设计和实验结果。偏振器设计为旋转半滤片加固定偏振片的系统,但在选用偏振器件方面提出了两种方案。对于低价设计的实验结果表明,偏振器可在４３０－７８０ｎｍ滤长范围内工作,能够实现ＰＳＰ０在其最佳工作波长的偏振测量。     

太阳爆发抵近探测器的热防护设计方案研究

中国科学院云南天文台首次提出了太阳爆发过程及相应磁场结构抵近探测的科学项目,该项目将对太阳大气及发生在其中的剧烈活动进行前所未有的近距离测量.为项目研制的探测器近日区域运行时间将超过帕克太阳探测器(Parker Solar Probe,PSP)和太阳轨道探测器(Solar Orbiter),其热防护系统遇到的困难也远超...     

AIMS太阳望远镜中像旋对稳像精度的影响分析

针对用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统(Accurate Infrared Magnetic field measurements of the Sun, AIMS)太阳望远镜地平式机架在跟踪目标时像场旋转的现象,研究了像场旋转对稳像系统校正精度的影响。首先理论分析了互相关因子算法和绝对差分算法在不同湍流强度及不同探测窗口大小时由像场旋转引起的计算误差。随后在光学分析软件ASAP(Advanced Systems Analysis Program)中建立了包含装配误差的望远镜系统动态光学模型,统计了折轴系统装配误差在望远镜实时跟踪太阳运动时引起的像场平移及旋转。其中,图像在半小时内的最大平移约为0.3 mm,最大像旋约为200″。结果表明,在现有的误差分配情况下,装配误差引起的像旋对稳像精度的影响很小,而为了获得较高的稳像精度,互相关因子算法是首选的稳像算法,且在硬件处理速度允许的情况下,应该选择128×128像素的探测窗口。     

一种偏振定标单元方位角误差的约束非线性最小化优化定标方法

偏振定标单元(Polarization Calibration Unit, PCU)对于定标由偏振系统和天文望远镜产生的仪器偏振至关重要, 然而偏振定标单元 中偏振元件光轴的方位角误差是限制定标精度的主要因素之一. 为解决该问题, 提出了一种基于约束非线性最 小化优化的方位角误差定标方法, 该方法具有定标精度高、定标速度快的优点. 首先将偏振定标单元中的线性 偏振片和四分之一波片的光轴方位角误差设置为两个待优化的自由变量, 然后利用产生和测量的Stokes参数 以及偏振定标获得的响应矩阵定义优化目标函数, 最终使用约束非线性最小化优化方法来确定 两个偏振元件的方位角误差. 分别从理论模拟和实际测量两个方面对优化方法进行了验证, 实验结果表明, 该 优化方法能够成功获得上述两个方位角误差, 精度分别优于2.79$''$和2.72$''$. 此外, 从理论上 计算分析了不同方位角误差对各Stokes分量的影响情况. 该优化方法有望应用到我国太阳望远镜中偏振定标 装置的误差定标及研制之中.     

丽江2.4米望远镜检偏器控制系统设计

偏振测量是天文四大测量(光谱,光度,偏振,图像)手段之一,而检偏器是进行天体偏振测量的有力工具之一。通过TCP/IP协议控制步进电机驱动检偏器旋转一定的角度值,通过RS485串行通讯实时读取光电绝对编码器的读数作为检偏器绝对位置的反馈量,从而构成一个闭环控制系统。最终实现了转动误差0.42°,步进角度22.5°,转动范围0°～360°的偏振闭环控制系统,完全满足天体偏振测量的基本要求。