日冕及其觀測(cè)演示實(shí)驗(yàn)

宋 琦，徐路耀，閆 晗，駱 怡，許知涯，鐘 澤，劉維新

(山東大學(xué)(威海)空間科學(xué)與物理學(xué)院空間科學(xué)研究院，山東 威海264209)

日冕是很多太陽(yáng)物理現(xiàn)象的發(fā)生地，也是影響近地空間環(huán)境和驅(qū)動(dòng)日地空間災(zāi)害性天氣的主要推手.如日冕物質(zhì)拋射(Coronal mass ejection，CME)是太陽(yáng)表面最劇烈的大尺度爆發(fā)過(guò)程之一，特別是CME朝向地球傳播時(shí)，將會(huì)引起地磁暴、電離層暴以及極光等地球物理效應(yīng)[1].深入分析日冕演化和爆發(fā)過(guò)程對(duì)太陽(yáng)物理研究和空間天氣預(yù)報(bào)都至關(guān)重要.對(duì)日冕的空間觀測(cè)研究始于20世紀(jì)70年代，多個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)攜帶的日冕儀得到了很多重大發(fā)現(xiàn)[2－3].目前，各國(guó)正在多方面開(kāi)展日冕和日冕觀測(cè)儀器的相關(guān)研究，其中STEREO雙子衛(wèi)星就是為了得到日冕的三維結(jié)構(gòu)而特殊設(shè)計(jì)的，預(yù)期的研究成果將能解開(kāi)日冕加熱、CME爆發(fā)等諸多難題[4－5].

在我國(guó)，對(duì)太陽(yáng)的深空探測(cè)還處于起步階段，太陽(yáng)物理專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)也需要從教學(xué)環(huán)節(jié)就重視.由于太陽(yáng)表面的物理現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室中無(wú)法重現(xiàn)，因此相關(guān)課程的教學(xué)還主要基于課本的理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段非常有限.雖然有衛(wèi)星圖像可展示，但學(xué)生對(duì)獲得數(shù)據(jù)的探測(cè)過(guò)程并不了解，包括日冕儀的工作原理等，尤其是如何由2D圖像得到3D立體結(jié)構(gòu)的技術(shù)[6].進(jìn)一步拓展課堂教學(xué)思路，使學(xué)生更直觀認(rèn)識(shí)日冕結(jié)構(gòu)，了解衛(wèi)星數(shù)據(jù)重建的方法，成為專(zhuān)業(yè)課開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的.

本文提出一種可直觀展示日冕形態(tài)及其3D觀測(cè)方法的教學(xué)演示系統(tǒng)，可用于太陽(yáng)物理和空間探測(cè)技術(shù)等課程.該系統(tǒng)基于STEREO雙子衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方式，包括2個(gè)模擬的外掩式日冕儀、自動(dòng)控制系統(tǒng)以及一整套3D重建算法.利用該演示系統(tǒng)可以在課堂上讓學(xué)生更好地理解日冕的基本形態(tài)、空間日冕儀獲得圖像數(shù)據(jù)的工作原理和過(guò)程，并學(xué)會(huì)對(duì)日冕觀測(cè)數(shù)據(jù)的初步處理方法，從而使太陽(yáng)物理課程教學(xué)能夠“落地”，加入部分可實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)及研究?jī)?nèi)容.

1 演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

日冕及其觀測(cè)演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括4部分：模擬的太陽(yáng)光源(包括不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的日冕)、雙外掩式日冕儀、雙子衛(wèi)星繞太陽(yáng)軌道的自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)、日冕立體結(jié)構(gòu)3D重建程序.為了最大限度模擬實(shí)際情況，各部分的相對(duì)大小比例都參照太陽(yáng)和空間日冕儀的參量.同時(shí)為了降低系統(tǒng)成本，元器件都盡可能在滿足使用要求的前提下選擇用常見(jiàn)的產(chǎn)品部件.

系統(tǒng)的原理框圖和設(shè)計(jì)圖如圖1所示.其中模擬太陽(yáng)光源采用LED等作為中心發(fā)光體，外加直徑約為12cm的球形白色半透明玻璃罩，以模擬光球部分.與光球發(fā)光相比，日冕的光非常弱，形狀也隨稀薄等離子體拋射而時(shí)刻發(fā)生變化.演示系統(tǒng)中采用透光度較強(qiáng)的軟塑料條來(lái)模擬日冕中的線狀結(jié)構(gòu)，即冕流.塑料條本身不能發(fā)光，在中心光源的照射下可以形成反射光，部分光通過(guò)塑料條根部導(dǎo)入，也可以形成發(fā)光.這與實(shí)際的日冕發(fā)光主要是散射光球光和部分等離子體發(fā)光相一致.在日冕儀的探測(cè)周期內(nèi)，日冕的形態(tài)變化很小，可以認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)的，因此該設(shè)計(jì)可基本滿足實(shí)驗(yàn)要求.

圖1 演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

日冕探測(cè)需要專(zhuān)門(mén)的儀器，即日冕儀.STEROE雙子衛(wèi)星上每個(gè)都搭載了白光日冕儀，其中COR－2是外掩式日冕儀[3].同樣的情況，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要在模擬太陽(yáng)的強(qiáng)光背景下對(duì)模擬日冕的弱光進(jìn)行探測(cè)，因此設(shè)計(jì)模擬日冕儀為外掩式，由攝像頭改造而成.在攝像頭前的特定位置放置黑色圓形遮光片作為外掩體，其大小與距離關(guān)系正好滿足遮擋模擬太陽(yáng)的光球部分，而使日冕部分能夠聚焦成像.攝像頭選取可手動(dòng)調(diào)焦的攝像頭，視場(chǎng)能夠覆蓋日冕部分.由于遮光片處于離焦位置，不可避免會(huì)產(chǎn)生減暈，將其外邊緣做得盡量尖銳以減少對(duì)光球邊緣部分的日冕成像的影響.雙日冕儀的實(shí)物如圖2所示.

圖2 模擬的雙外掩式日冕儀

為模擬STEREO雙子衛(wèi)星的工作模式，演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要驅(qū)動(dòng)2個(gè)日冕儀沿圓形軌道(衛(wèi)星軌道接近圓周)以一定的角速度差運(yùn)行.為此設(shè)計(jì)了由計(jì)算機(jī)控制2個(gè)步進(jìn)電機(jī)，再各自通過(guò)齒輪減速，帶動(dòng)雙軸轉(zhuǎn)動(dòng).步進(jìn)電機(jī)的輸出由渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)提供，可增大輸出力矩.雙軸結(jié)構(gòu)各由水平桿連接2個(gè)模擬日冕儀的支桿，從而帶動(dòng)其在水平面內(nèi)圍繞居中中心的模擬太陽(yáng)沿圓周運(yùn)動(dòng).合理選擇減速齒輪的傳動(dòng)比以及步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以模擬STEREO雙子衛(wèi)星的運(yùn)行，兩日冕儀的相對(duì)角速度會(huì)很小.完成的裝置實(shí)物如圖3所示.

圖3 雙日冕儀自動(dòng)控制裝置

演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的裝配為：下平面板為直徑約1m的圓形底板，其上固定2套步進(jìn)電機(jī)、控制器及驅(qū)動(dòng)電源等.在底板中心固定雙層中心軸，由齒輪連接雙軸與步進(jìn)電機(jī)輸出軸，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制中心軸轉(zhuǎn)動(dòng).在圓板四周裝有4根柱形支架，以支撐直徑為1m的圓形頂板.頂板上裝有2根模擬日冕的支桿，其通過(guò)水平桿與雙軸連接，可實(shí)現(xiàn)雙日冕儀的單獨(dú)控制.演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，并實(shí)時(shí)捕獲模擬日冕的圖像，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行3D重建，完成數(shù)據(jù)處理.

2 系統(tǒng)運(yùn)行及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的演示系統(tǒng)，可確定實(shí)驗(yàn)步驟為：

1)點(diǎn)亮模擬太陽(yáng)光源，觀察光球部分發(fā)光引起日冕發(fā)光的方式，并根據(jù)實(shí)物初步了解日冕的結(jié)構(gòu)、分布等外部形態(tài)，包括拋射狀、環(huán)狀等，更直觀認(rèn)識(shí)太陽(yáng)外層大氣日冕的常見(jiàn)結(jié)構(gòu).

2)設(shè)置步進(jìn)電機(jī)控制器，讀入單日冕儀運(yùn)動(dòng)控制程序，模擬STEREO－A衛(wèi)星攜帶日冕儀在繞太陽(yáng)軌道上運(yùn)動(dòng)，直觀感受空間日冕儀的工作狀態(tài).同時(shí)了解外掩式日冕儀的工作原理，初步理解日冕儀在軌運(yùn)行的實(shí)際情況，以及對(duì)日冕進(jìn)行觀測(cè)的工作機(jī)制.

3)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)控制器，讀入雙日冕儀運(yùn)動(dòng)控制程序，模擬STEREO雙子衛(wèi)星攜帶日冕儀在軌運(yùn)行，并設(shè)定拍攝間隔將模擬日冕儀獲得的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口傳輸至計(jì)算機(jī).攝像頭讀取程序在Matlab平臺(tái)上運(yùn)行，模擬衛(wèi)星獲取日冕圖像流程，展示日冕儀的觀測(cè)過(guò)程.

4)給整個(gè)演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)蓋上遮光罩，模擬空間觀測(cè)環(huán)境，設(shè)置步進(jìn)電機(jī)進(jìn)入雙日冕儀運(yùn)行模式，設(shè)定日冕儀自動(dòng)拍攝時(shí)間和保存路徑.模擬拍攝完成后，在Matlab平臺(tái)上運(yùn)行日冕3D重建程序，得到模擬日冕的三維結(jié)構(gòu)圖，并與其實(shí)際形態(tài)相比較，進(jìn)行誤差分析.

該模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一方面可以在課堂上展示日冕及其探測(cè)的相關(guān)知識(shí)，也可以作為課后實(shí)驗(yàn)由學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)置衛(wèi)星運(yùn)行參量，編制重建算法.建議通過(guò)該演示實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)如下教學(xué)任務(wù)：

1)模擬太陽(yáng)表面的各種日冕結(jié)構(gòu)形態(tài)，讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)太陽(yáng)外層大氣日冕常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，以及日冕發(fā)光的物理原因，從而產(chǎn)生對(duì)太陽(yáng)物理和空間觀測(cè)的學(xué)習(xí)興趣.

2)根據(jù)實(shí)物學(xué)習(xí)日冕儀的構(gòu)造和遮擋太陽(yáng)光球拍攝光強(qiáng)很微弱的日冕的工作原理.外掩式日冕儀作為觀測(cè)太陽(yáng)的一類(lèi)重要科學(xué)儀器，已經(jīng)搭載多個(gè)衛(wèi)星平臺(tái).通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)學(xué)生可實(shí)際操作觀察日冕儀在強(qiáng)光背景下獲得弱光信號(hào)的方法.

3)由模擬太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星在軌運(yùn)行模式學(xué)習(xí)空間觀測(cè)技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，包括對(duì)STEREO雙子衛(wèi)星軌道的初步認(rèn)識(shí)，利用2個(gè)日冕儀進(jìn)行觀測(cè)得到不同角度的日冕圖像的差異，以及將獲取的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)完成3D重建的方法.

該演示系統(tǒng)的部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可根據(jù)課堂教學(xué)進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)室條件選作，尤其是對(duì)日冕空間結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)3D重建的算法還處于研究階段，可作為研究生課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使課堂學(xué)習(xí)與研究熱點(diǎn)能對(duì)接起來(lái)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

3 數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)效果

為了讓學(xué)生能夠更清楚如何對(duì)空間探測(cè)衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得日冕得空間結(jié)構(gòu)，在圖像處理算法基礎(chǔ)上[7]，設(shè)計(jì)了反演算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其具體方法為：

1)在同一時(shí)刻獲取模擬日冕的2幅圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括對(duì)齊圖像、去除背景和噪聲等干擾信號(hào)，得到日冕的二維圖像信息.

2)基于SIFT算法對(duì)2幅圖片中的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，得到部分特征點(diǎn)在2幅圖中被認(rèn)為實(shí)際是日冕結(jié)構(gòu)的同一個(gè)點(diǎn).

3)根據(jù)原圖對(duì)圖像進(jìn)行分割處理，將日冕的前景分離，并使用數(shù)字圖像處理中相關(guān)算法找出模擬日冕條狀結(jié)構(gòu)的骨架.

4)建立基于三角法的坐標(biāo)變換關(guān)系，將特征匹配得到的點(diǎn)和分割出來(lái)的點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到日冕各點(diǎn)的三維坐標(biāo).

5)在空間坐標(biāo)系中重畫(huà)日冕結(jié)構(gòu)，并將其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際測(cè)量值相比較，進(jìn)行誤差分析以評(píng)價(jià)重建精度.

圖4中為模擬日冕的重建結(jié)果(紅線標(biāo)出)與實(shí)測(cè)值(白線標(biāo)出)的比較.從中可以看出，二者符合得很好，重建數(shù)據(jù)誤差在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi).

圖4 日冕三維重建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)空間物理和空間技術(shù)專(zhuān)業(yè)的本科生和研究生專(zhuān)業(yè)課教學(xué)，設(shè)計(jì)了日冕及其觀測(cè)的演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)模擬在軌的STEREO雙子衛(wèi)星觀測(cè)情況，實(shí)現(xiàn)由日冕二維圖像數(shù)據(jù)反演獲得三維空間結(jié)構(gòu)的整個(gè)觀測(cè)流程.通過(guò)該演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直觀地了解日冕的形態(tài)，學(xué)習(xí)日冕儀的工作機(jī)制和空間探測(cè)衛(wèi)星的工作模式，并掌握3D重建算法的核心思想.在進(jìn)一步的研究工作中，還需要優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，尤其是模擬太陽(yáng)和模擬日冕的結(jié)構(gòu)，使其更能夠反映實(shí)際情況.對(duì)于日冕3D重建算法還需要進(jìn)一步改進(jìn)，擴(kuò)展算法的適用范圍，使其能夠處理環(huán)形的日冕結(jié)構(gòu).

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