1 m新真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)干涉條紋特性分析及消除方法?

王思博 徐 稚 向永源 金振宇

(1中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái) 昆明 650216) (2中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 m新真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)干涉條紋特性分析及消除方法?

王思博1,2?徐 稚1?向永源1金振宇1

(1中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái) 昆明 650216) (2中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

撫仙湖1 m新真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(New Vacuum Solar Telescope,簡(jiǎn)稱NVST)是我國(guó)新一代地基太陽(yáng)觀測(cè)設(shè)備之一,其中Hα成像系統(tǒng)是進(jìn)行太陽(yáng)色球觀測(cè)的主要終端.實(shí)測(cè)Hα觀測(cè)數(shù)據(jù)(特別是偏帶觀測(cè)數(shù)據(jù))中明顯存在由薄膜干涉引起的等厚條紋,而常規(guī)平場(chǎng)校正有時(shí)無(wú)法將其消除,并在后期圖像高分辨率重建過(guò)程中造成嚴(yán)重影響.為了解決這個(gè)問(wèn)題,利用連續(xù)4 h的Hα偏帶觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)干涉條紋的空間和時(shí)間分布特性做了分析并發(fā)現(xiàn):干涉條紋的間距或二維空間分布樣式隨時(shí)間固定不變,但條紋的強(qiáng)度隨時(shí)間變化明顯(4 h左右可見(jiàn)度增加9倍),是導(dǎo)致常規(guī)平場(chǎng)校正無(wú)法將其消除的主要原因.由此推斷造成上述時(shí)變特性的主要原因是觀測(cè)過(guò)程中入射光的強(qiáng)度以及入射光與CCD靶面位置的相對(duì)角度隨時(shí)間發(fā)生了變化,而且產(chǎn)生條紋的薄膜結(jié)構(gòu)與靶面位置距離較近.嘗試了兩種降低條紋可見(jiàn)度的方法.首先對(duì)探測(cè)器(pco.4000型CCD)光敏介質(zhì)的前封窗進(jìn)行了改造,通過(guò)改造前封窗楔角至2°的方案來(lái)調(diào)制條紋間距至CCD像元尺度,改造之后小范圍視場(chǎng)內(nèi)可識(shí)別出可見(jiàn)度僅為0.6%的少量干涉條紋.其次基于圖像濾波技術(shù)提取干涉條紋圖樣并生成所謂條紋平場(chǎng),分別采用和比較了頻域傅里葉變換濾波和空域中值濾波兩種方法,結(jié)果基本相同.觀測(cè)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行條紋平場(chǎng)校正之后,條紋消除效果明顯:可見(jiàn)度可降低8倍左右(即由之前的4.7%降低為0.6%以下).同時(shí)也指出多幅圖像的積分(累加)可以有效降低精細(xì)太陽(yáng)結(jié)構(gòu)在條紋平場(chǎng)提取中的影響,并給出累加時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)值約為20 m in.

儀器:探測(cè)器,方法:數(shù)據(jù)分析,方法:觀測(cè),技術(shù):圖像處理

1 引言

電荷耦合元件(Charge-Coupled Device,簡(jiǎn)稱CCD)是70年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型固體探測(cè)器,因其具有靈敏度高、線性好、信噪比高和量子效率高等優(yōu)點(diǎn),在天文觀測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1?2].然而在使用CCD(特別是薄型CCD)采集的圖像中經(jīng)常會(huì)存在干涉條紋,尤其在長(zhǎng)波波段.在光譜觀測(cè)中干涉條紋的存在會(huì)影響光譜的輪廓及定標(biāo)計(jì)算;在成像觀測(cè)中它會(huì)干擾觀測(cè)目標(biāo)的形態(tài)特征.特別值得一提的是,它還會(huì)對(duì)圖像的高分辨重建算法造成影響.因此干涉條紋的消除是數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題.

普遍認(rèn)為,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的干涉條紋是由薄膜干涉而形成的等厚條紋.首先CCD的光敏介質(zhì)是一種“硅-硅-氧化硅”的三明治薄膜結(jié)構(gòu)器件,其次為了保護(hù)CCD光敏介質(zhì)有時(shí)還會(huì)在硅層前膠合玻璃封窗[3?4].

當(dāng)光束入射到薄膜后,會(huì)在薄膜的上、下兩個(gè)表面處發(fā)生反射和透射,相鄰兩束透射光由于經(jīng)過(guò)了不同的路徑而產(chǎn)生了一定的光程差2nh cos i,對(duì)應(yīng)的相位差為:

式中λ為入射光波長(zhǎng),n為薄膜的折射率(這里薄膜或?yàn)镃CD本身結(jié)構(gòu),或?yàn)楣饴分兄T如前封窗玻璃等薄膜器件),h為薄膜厚度,i為薄膜中的折射角.由于這兩束光來(lái)自同一入射光束,具有相同的頻率和振動(dòng)方向,可形成相干光.兩者的光程差與波長(zhǎng)倍數(shù)的關(guān)系則決定了它們相干后合振幅的強(qiáng)弱.當(dāng)薄膜和其周圍介質(zhì)間的反射率較大時(shí),光束會(huì)在膜內(nèi)多次反射.在平行平板多光束干涉情況下,相干條紋的強(qiáng)度可表示為:

式中A0為入射光的振幅,R為光在薄膜與介質(zhì)交界面的反射率.

通常光束小角度入射CCD的情形可以視為正入射情形[5],對(duì)于較為常見(jiàn)的楔形薄膜,此時(shí)兩條相鄰的亮條紋(或暗條紋)的間距為:

式中α為薄膜的楔角.

在實(shí)際情況下,CCD膜層或封窗受到溫度、應(yīng)力等因素的影響會(huì)發(fā)生形變,二維空間各個(gè)位置的厚度并不是一致的,因此我們經(jīng)常會(huì)觀測(cè)到比牛頓環(huán)或楔形薄膜情況下更為復(fù)雜的等厚條紋[6?7],諸如下文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中所展示的雙曲或者橢圓樣式條紋.

從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō),干涉條紋的產(chǎn)生機(jī)制及其強(qiáng)度的時(shí)空分布特點(diǎn)成為了實(shí)測(cè)天文數(shù)據(jù)處理過(guò)程中抑制或消除干涉條紋的重要依據(jù).目前消除觀測(cè)數(shù)據(jù)干涉條紋的方法主要可分為以下3種:

(1)簡(jiǎn)便消除法:簡(jiǎn)便消除法是通過(guò)調(diào)整CCD的安裝角度、改變光路中濾光片的數(shù)目等實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)抑制干涉條紋.在反射率一定的情況下,干涉光強(qiáng)度只與光束的入射角度有關(guān).當(dāng)入射角增大時(shí),透射光的干涉強(qiáng)度會(huì)減弱,達(dá)到一定程度后圖像中便觀察不到明顯的干涉條紋[8].例如在實(shí)測(cè)太陽(yáng)光譜觀測(cè)中,Kubiˇcela等[9]通過(guò)改變SBIG ST-6型號(hào)CCD在光譜儀中的安裝角度來(lái)消除數(shù)據(jù)中的干涉條紋.在某些薄膜試驗(yàn)中[8,10],人們也嘗試旋轉(zhuǎn)薄膜樣品(即增加合適的入射角度)來(lái)消除樣品光譜圖中的干涉條紋.此外,改變光路中濾光片數(shù)目、厚度、間隙及與CCD靶面的距離等也有助于干涉條紋的去除[2,11].但通常這些方法都只能適當(dāng)抑制或消除部分頻率或樣式的干涉條紋.

(2)硬件消除法:常見(jiàn)的方法包括改造CCD硅層前的封窗玻璃、鍍抗反射膜或適當(dāng)增加硅層的厚度(詳見(jiàn)PI公司的產(chǎn)品說(shuō)明網(wǎng)頁(yè)1h ttp://www.p rinceton instrum en ts.com/cm s/index.php/lib rary/51-ccd-p rim er/149-sp ectroscop ic -eta loning-in-back-illum inated-ccds)等等.在下面的章節(jié)中我們將展示封窗玻璃改造對(duì)條紋影響的實(shí)測(cè)結(jié)果.

(3)算法消除法:簡(jiǎn)單的平場(chǎng)校正有時(shí)不能消除觀測(cè)數(shù)據(jù)中的干涉條紋,因此需要通過(guò)一定的算法進(jìn)行條紋形態(tài)重建[5]、仿真[12]或者濾波[13?14]來(lái)提取數(shù)據(jù)中的干涉條紋圖樣,然后再將其從原始數(shù)據(jù)中扣除.扣除的方式主要是減法[11,13,15?16]和除法[5,17]兩種.

撫仙湖1m新真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(New Vacuum Solar Telescope,簡(jiǎn)稱NVST)是我國(guó)重要的新一代地基太陽(yáng)觀測(cè)設(shè)備之一,配有成像以及光譜觀測(cè)終端[18],自運(yùn)行以來(lái),已積累了大量的觀測(cè)資料,為太陽(yáng)物理領(lǐng)域的科研人員開展相關(guān)的研究工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).例如屈會(huì)雪等[19]采用NVST在TiO(705.8 nm)波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)研究了黑子周圍光球亮點(diǎn)的特性變化;Yang等[20]和Yan等[21]基于NVST在Hα(656.3 nm)波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)分別在小尺度磁環(huán)之間的磁重聯(lián)現(xiàn)象與寧?kù)o暗條的精細(xì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)流方面開展了相關(guān)的研究.

NVST目前在Hα(656.3 nm)波段的成像以及光譜觀測(cè)中均使用德國(guó)PCO公司生產(chǎn)的薄型前照式pco.4000型CCD作為探測(cè)器.Wang等[22]在其工作中討論了光譜數(shù)據(jù)中干涉條紋的處理方法,而本文則主要圍繞成像觀測(cè)數(shù)據(jù)中干涉條紋的相關(guān)問(wèn)題展開.本文首先研究和分析了條紋的空間分布以及時(shí)間演化特點(diǎn),然后根據(jù)條紋的時(shí)空變化特性嘗試采用“硬件消除——pco.4000型CCD前封窗改造”和“算法消除——?dú)埩舾缮鏃l紋提取”兩種方法來(lái)抑制或消除Hα單色圖像上的干涉條紋,最后討論并總結(jié)方法的誤差和局限性.

2 干涉條紋空間和時(shí)間變化特性

為了較為清晰地展示條紋結(jié)構(gòu),該工作主要利用太陽(yáng)準(zhǔn)寧?kù)o區(qū)Hα偏帶觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行條紋分析.

2.1 干涉條紋的空間分布特性

圖1(a)為2015年3月5日拍攝的1幀干涉條紋較為明顯的觀測(cè)圖像,觀測(cè)波段為Hα紅翼0.1 nm.在該波段上太陽(yáng)日面結(jié)構(gòu)比較稀少,僅僅能看到大尺度的暗條結(jié)構(gòu).干涉條紋明顯呈雙曲型分布,其亮度變化嚴(yán)重影響暗條內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)形態(tài).我們抽取某一空間位置的圖像強(qiáng)度信息(如圖中豎線所示),并確保此處沒(méi)有明顯的太陽(yáng)結(jié)構(gòu)(即強(qiáng)度的空間變化主要?dú)w因于干涉條紋的分布),然后對(duì)其進(jìn)行一維小波分析.小波能譜圖(圖1(b))顯示在空間位置450–850 pixel之間,明顯存在一個(gè)周期漸變的頻率信號(hào)(等高圖示意振幅大于10%),很好地反映了圖1(a)中局部分布的、間距漸變的干涉條紋.

2.2 干涉條紋的時(shí)間變化特性

這里主要考慮干涉條紋的空間位置和樣式以及強(qiáng)度隨時(shí)間的變化特性.

根據(jù)NVST常規(guī)觀測(cè)流程,通常在早上開啟科學(xué)觀測(cè)之前和下午結(jié)束科學(xué)觀測(cè)之后各采集一組平場(chǎng),從而保證平場(chǎng)和科學(xué)數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔在3 h之內(nèi).然而實(shí)際工作顯示這樣的時(shí)間間隔有時(shí)無(wú)法消除干涉條紋.

圖1 (a)帶有明顯干涉條紋的觀測(cè)圖像,觀測(cè)波段Hα+0.1 nm;(b)圖1(a)中豎線位置強(qiáng)度變化的小波分析能譜圖.橫軸為空間位置.Fig.1(a)The observational data w ith strong in terference fringes,and the w avelength is Hα+0.1 nm;(b) A w avelet p ow er sp ectrum o f the in tensity variation along the vertica l line in panel 1(a).The horizonta l axis corresponds to spacial position.

仍以2015年3月5日偏帶觀測(cè)數(shù)據(jù)為例,我們分析了126幀連續(xù)的時(shí)間間隔為2m in的數(shù)據(jù).每1幀中提取出一個(gè)寬度為10像素、高度為401像素的局部區(qū)域(該局部區(qū)域的選取盡量避開明顯的太陽(yáng)結(jié)構(gòu)),然后將126幀圖像按時(shí)間順序合成,結(jié)果如圖2所示.這里需要強(qiáng)調(diào)的是,126幀圖像的強(qiáng)度已經(jīng)進(jìn)行了灰度統(tǒng)一,即假設(shè)太陽(yáng)寧?kù)o區(qū)的平均強(qiáng)度隨時(shí)間保持不變.

圖2觀測(cè)數(shù)據(jù)局部區(qū)域的時(shí)間合成圖.橫軸為采集時(shí)間,是由126幀局部區(qū)域按時(shí)間順序拼接而成.縱軸為空間位置,與圖1(a)中的Y軸對(duì)應(yīng).Fig.2 T im e slice o f a sub-region taken from the observationa l data.X-ax is is tim e,consisting o f 126 sub-region data,and Y-axis is spacial position,correspond ing to the vertical coord inate in Fig.1(a).

圖2 中那些分布沒(méi)有規(guī)律的亮暗結(jié)構(gòu)來(lái)自于太陽(yáng)結(jié)構(gòu)本身的演化,而水平分布的明暗相間的橫條紋則是干涉條紋.我們?cè)趫D2中隨機(jī)選取一條亮條紋(如圖中橫線所示),并采用質(zhì)心法來(lái)確定條紋的位置.圖3(a)顯示了位置隨時(shí)間的變化及線性擬合結(jié)果.從中發(fā)現(xiàn),在這段時(shí)間內(nèi)(約4 h)條紋位置的移動(dòng)量小于一個(gè)像素,因此我們認(rèn)為條紋隨時(shí)間是基本不動(dòng)的,樣式也是穩(wěn)定的.

圖3 干涉條紋空間位置(a)和可見(jiàn)度(b)隨時(shí)間的變化及其擬合結(jié)果.條紋位置判斷方法以及可見(jiàn)度定義參見(jiàn)文中.實(shí)線為線性擬合結(jié)果.Fig.3 Tem pora l variation o f the fringe p osition(a)and the in tensity con trast(b),and their fitting resu lts.The fringe position decision and defin ition of intensity contrast can be seen in the tex t.The solid lines ind icate the linear fitting resu lts.

相對(duì)于穩(wěn)定的位置來(lái)說(shuō),圖2中條紋的可見(jiàn)度(或?qū)Ρ榷?隨時(shí)間明顯增強(qiáng),可見(jiàn)度的定義為[23]:

式中Imax和Imin分別為干涉條紋強(qiáng)度的最大值和最小值.圖4中展示和比較了3個(gè)不同時(shí)刻(t1、t2和t3)的、某個(gè)空間范圍內(nèi)(y=640–690 pixel)的干涉條紋(圖2中也標(biāo)記了相應(yīng)時(shí)間和范圍).根據(jù)(4)式可見(jiàn)度的定義,可計(jì)算出每個(gè)時(shí)刻的可見(jiàn)度在多個(gè)空間位置上的平均值.圖3(b)顯示了空間平均可見(jiàn)度隨時(shí)間的變化及其線性擬合結(jié)果.結(jié)果顯示在近4 h之內(nèi)可見(jiàn)度由1%增加至9%.

3 干涉條紋的消除

實(shí)測(cè)顯示上文提及的“簡(jiǎn)便消除法”并不適用該成像系統(tǒng),因此基于對(duì)條紋空間分布及時(shí)間變化特性的分析,我們嘗試了兩種消除條紋的方法:一是“硬件消除”,主要是通過(guò)改造CCD前置封窗玻璃膜層來(lái)調(diào)制干涉條紋間距;二是“算法消除”,主要強(qiáng)調(diào)了對(duì)平場(chǎng)校正后的殘留條紋的提取和處理.

3.1 方法1:硬件消除法

根據(jù)上述分析結(jié)果,我們首先猜測(cè)CCD光敏介質(zhì)前置封窗玻璃可能是產(chǎn)生這種等厚條紋的薄膜結(jié)構(gòu).在Hα成像系統(tǒng)光路中,入射光可以認(rèn)為是正入射至CCD靶面(實(shí)際入射角度約為±2°).則由(3)式可知條紋間距與薄膜楔角α的正切值成反比.如果增加α角度使條紋間距遠(yuǎn)小于一個(gè)像元的尺度,條紋就會(huì)在圖像中變得不可分辨.

圖4 3個(gè)不同時(shí)刻干涉條紋的強(qiáng)度對(duì)比,采集時(shí)刻為圖2中豎線所示Fig.4 Com parison o f fringe intensities at th ree d ifferen t tim es,ind icated by th ree vertica l lines in Fig.2

具體估算過(guò)程如下:已知實(shí)測(cè)中入射光波長(zhǎng)為656.3 nm、CCD膜層前置封窗介質(zhì)的折射率約為1.5(石英玻璃材質(zhì))、CCD像元大小為9μm,計(jì)算得出楔角α=1.3°時(shí)干涉條紋間距約等于像元大小.這一結(jié)果得到CCD廠家的確認(rèn)并最終采用增加封窗玻璃楔角至2°的方案.改造后的CCD在南京大學(xué)研制的Optical and Near-Infrared Solar Eruption Tracer(ONSET)望遠(yuǎn)鏡[24]的Hα通道試用,圖5為改造后的觀測(cè)圖像,圖中大部分干涉條紋已經(jīng)消失,僅在1/24的視場(chǎng)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)條紋,條紋可見(jiàn)度低于0.6%.

圖5 南京大學(xué)ONSET望遠(yuǎn)鏡CCD光敏介質(zhì)前置玻璃封窗改造后的實(shí)測(cè)結(jié)果.CCD全靶面為3104 p ixel×2672 p ixel,這里只展示局部視場(chǎng),黑框面積約占總面積的1/24.Fig.5 Partial field-of-view of the observational data taken by a m odified CCD cam era installed on the ONSET of Nan jing Un iversity.The fu ll size is 3104 p ixel×2672 p ixel,and the rectang le denotes abou t 1/24 o f field-o f-v iew.

3.2 方法2:算法消除法

我們傾向于認(rèn)為干涉條紋對(duì)太陽(yáng)圖像來(lái)說(shuō)是一種乘性信號(hào),可以利用常規(guī)平場(chǎng)校正(相除)來(lái)消除.然而實(shí)測(cè)過(guò)程中平場(chǎng)無(wú)法實(shí)時(shí)(或頻繁)采集以校正時(shí)變的干涉條紋,因此常規(guī)平場(chǎng)校正后的殘留干涉條紋的提取和處理則成為主要的關(guān)注對(duì)象[16,22].本工作的思路是在數(shù)據(jù)中提取出僅含有條紋圖像的條紋平場(chǎng),用其對(duì)數(shù)據(jù)再做一次校正從而將條紋大幅度地消除,主要步驟如圖6所示.

圖6 圖像濾波提取并處理干涉條紋圖樣的基本流程Fig.6 The flow chart of ex tracting and elim inating interference fringes through im age filtering

(1)第1步,觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)平場(chǎng)校正,部分?jǐn)?shù)據(jù)可以消除大部分干涉條紋,但部分?jǐn)?shù)據(jù)仍殘留干涉條紋(data1).

(2)第2步,把與圖像(data1)間隔一定時(shí)間之內(nèi)的多幅圖像進(jìn)行積分(累加).考慮到望遠(yuǎn)鏡的指向精度以及大氣和風(fēng)速的影響(30m in之內(nèi)圖像晃動(dòng)的峰-谷值約3–8 arcsec),多幅圖像積分既能有效地平滑太陽(yáng)精細(xì)結(jié)構(gòu),又能增強(qiáng)位置樣式固定不變的干涉條紋信號(hào)(即得data2).最長(zhǎng)時(shí)間間隔則受到干涉條紋強(qiáng)度時(shí)變的限制,該限制將在討論部分詳細(xì)描述.

(3)第3步,采用濾波方法提取干涉條紋獲得條紋平場(chǎng).我們分別采用了頻域?yàn)V波(Step3.1)和空域?yàn)V波(Step3.2)兩種方法.頻域?yàn)V波是指將空域圖像通過(guò)傅里葉變換至頻域再進(jìn)行高通處理最后變換回空域得到干涉條紋圖樣.這里值得注意的是在做頻域?yàn)V波之前,空域圖像(data2)首先進(jìn)行了對(duì)數(shù)運(yùn)算,把太陽(yáng)圖像與干涉條紋之間的“乘性關(guān)系”轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹有躁P(guān)系”(即Ln[data2]=Ln[A×B]=LnA+LnB,其中A成分對(duì)應(yīng)太陽(yáng)圖像,而B對(duì)應(yīng)干涉條紋),然后再利用二維線性傅里葉變換分別提取高低頻率信號(hào),最后再進(jìn)行一次反對(duì)數(shù)運(yùn)算得到平滑太陽(yáng)圖像和干涉條紋圖像.高通濾波的截止頻率選擇是以“平滑太陽(yáng)圖像中干涉條紋可見(jiàn)度低于1%”為下限.干涉條紋圖像歸一化后生成條紋平場(chǎng)(data3).而空域?yàn)V波是指直接對(duì)空域圖像(data2)進(jìn)行中值非線性濾波將干涉條紋完全平滑掉,僅剩余平滑太陽(yáng)圖像(data4),然后用積分圖像除以平滑太陽(yáng)像從而獲得條紋平場(chǎng)(即data5=data2/data4).圖7強(qiáng)對(duì)比度地展示和對(duì)比了積分時(shí)間為15m in時(shí)用上述兩種方法獲得的條紋平場(chǎng)(圖7中(a1)為頻域?yàn)V波結(jié)果,(a2)為空域?yàn)V波結(jié)果),從中可以看出:條紋平場(chǎng)中太陽(yáng)結(jié)構(gòu)幾乎不可見(jiàn),只剩余由大尺度長(zhǎng)壽命的太陽(yáng)結(jié)構(gòu)(諸如數(shù)據(jù)中寬10 arcsec、長(zhǎng)80 arcsec的暗條)所造成的痕跡.該痕跡的覆蓋范圍內(nèi)強(qiáng)度變化為0.97–1.03,而且通過(guò)比較后發(fā)現(xiàn)兩種濾波方法得到的條紋平場(chǎng)中該痕跡的強(qiáng)度變化范圍差別不大,都會(huì)輕微影響該區(qū)域內(nèi)太陽(yáng)結(jié)構(gòu)的相對(duì)強(qiáng)度,但這種殘留的太陽(yáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的大小受到提取條紋平場(chǎng)時(shí)所選取的積分時(shí)間長(zhǎng)短的影響,這種影響將在討論部分中進(jìn)一步闡述.其次圖7(b)顯示兩種方法獲得的條紋平場(chǎng)在數(shù)值大小上差別不大,比值浮動(dòng)在0.99–1.02范圍內(nèi).

(4)第4步,數(shù)據(jù)(data1)進(jìn)行再一次的條紋平場(chǎng)(data3和data5)校正.圖7(c1)和(c2)顯示了校正后與校正前(圖7(d))的對(duì)比,干涉條紋可見(jiàn)度大幅度降低,由原來(lái)的4.7%降低到0.6%以下.

圖7 含有干涉條紋的圖像與處理結(jié)果對(duì)比.(a1)采用頻域傅里葉變換濾波方法獲得的條紋平場(chǎng);(a2)采用空域中值濾波方法獲得的條紋平場(chǎng);(b)兩個(gè)條紋平場(chǎng)的強(qiáng)度比值;(c1)利用(a1)條紋平場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再次平場(chǎng)校正所得到的結(jié)果; (c2)利用(a2)條紋平場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再次平場(chǎng)校正所得到的結(jié)果;(d)沒(méi)有進(jìn)行條紋平場(chǎng)校正的數(shù)據(jù).Fig.7 Com parison o f the data before and a fter fringe-flat ca lib ration.(a1)the fringe-flat reconstructed w ith the Fou rier transform filtering techn ique;(a2)the fringe-flat reconstructed w ith the m ed ian-filter m ethod;(b)the ratio betw een tw o fringe-flats;(c1)an im age calib rated using the fringe-flat show n in the panel(a1);(c2)an im age calib rated using the fringe-flat show n in the panel(a2);(d)an im age w ithou t calib ration of the fringe-flat.

4 結(jié)果與討論

使用薄型CCD采集的數(shù)據(jù)中所出現(xiàn)的條紋通常認(rèn)為是一種薄膜干涉引起的等厚條紋.作為NVST成像系統(tǒng)中色球觀測(cè)窗口的Hα通道使用的是由南京天文光學(xué)技術(shù)研究所研制的窄帶Lyot濾光器[25],透過(guò)帶帶寬僅為0.025 nm,出射光具有較強(qiáng)的單色性,容易滿足產(chǎn)生薄膜干涉的條件,常規(guī)平場(chǎng)校正有時(shí)無(wú)法完全將其消除.麗江2.4m望遠(yuǎn)鏡的測(cè)光觀測(cè)[16]以及日本飛彈天文臺(tái)Domeless Solar Telescope的光譜觀測(cè)(私人交流)均出現(xiàn)類似情況,說(shuō)明觀測(cè)過(guò)程中干涉條紋隨時(shí)間發(fā)生了變化.

2015年3月5日連續(xù)4 h的偏帶觀測(cè)數(shù)據(jù)分析顯示,干涉條紋的位置或樣式隨時(shí)間基本不變,但強(qiáng)度明顯增強(qiáng),導(dǎo)致常規(guī)平場(chǎng)校正效果有限.采用調(diào)整CCD的安裝角度或其他簡(jiǎn)便經(jīng)驗(yàn)方法不能解決上述問(wèn)題.我們推斷主要原因是觀測(cè)過(guò)程中入射光的強(qiáng)度以及入射光與CCD靶面位置的相對(duì)角度隨時(shí)間發(fā)生了變化,而且產(chǎn)生等厚條紋的薄膜結(jié)構(gòu)與靶面位置距離很近.

基于上述推斷,我們首先嘗試增加CCD前置封窗玻璃楔角的方法,改造后大部分干涉條紋在數(shù)據(jù)中不可見(jiàn).其次采用濾波方法獲得條紋平場(chǎng),用其對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再一次的平場(chǎng)校正.上文提到多幅圖像積分對(duì)于平滑太陽(yáng)結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)條紋信號(hào)非常重要.從平滑太陽(yáng)結(jié)構(gòu)這個(gè)角度來(lái)講,積分時(shí)間越長(zhǎng),條紋平場(chǎng)中所含的太陽(yáng)結(jié)構(gòu)就越少,對(duì)最終結(jié)果中太陽(yáng)結(jié)構(gòu)的形態(tài)或相對(duì)強(qiáng)度的影響就越小.以該組數(shù)據(jù)為例,當(dāng)積分時(shí)間為1 m in時(shí),殘留的暗條結(jié)構(gòu)所覆蓋的范圍內(nèi)具有0.93–1.03的強(qiáng)度變化,會(huì)對(duì)相對(duì)強(qiáng)度造成最大約8%的影響;而當(dāng)積分時(shí)間增加到1 h后,殘留的暗條結(jié)構(gòu)所覆蓋的范圍內(nèi)強(qiáng)度變化為0.98–1.02,對(duì)相對(duì)強(qiáng)度造成的最大影響則降為約2%.

單從上面的分析來(lái)看,應(yīng)該采用盡可能長(zhǎng)的積分時(shí)間,但是條紋強(qiáng)度的明顯時(shí)變對(duì)積分時(shí)間又提出了上限要求.圖8中我們分別給出了積分時(shí)間為20 m in、30 m in和60 m in時(shí)的處理結(jié)果,從中我們發(fā)現(xiàn):無(wú)論是頻域?yàn)V波還是空域?yàn)V波,當(dāng)積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),結(jié)果中條紋的可見(jiàn)度會(huì)逐漸增加.定量來(lái)說(shuō),以05:39UT數(shù)據(jù)為例,沒(méi)有經(jīng)過(guò)條紋平場(chǎng)校正時(shí)條紋可見(jiàn)度高達(dá)4.7%,經(jīng)過(guò)利用20m in積分?jǐn)?shù)據(jù)提取出來(lái)的條紋平場(chǎng)修正后,殘留條紋可見(jiàn)度約為0.7%,消除率達(dá)到約86%;當(dāng)積分時(shí)間達(dá)到30m in時(shí),殘留條紋可見(jiàn)度約為1%,消除率降為約79%;當(dāng)積分時(shí)間長(zhǎng)達(dá)60m in時(shí),殘留條紋可見(jiàn)度約為1.6%,消除率僅為約66%.因此我們給出經(jīng)驗(yàn)積分時(shí)間為15–20 m in左右.需要說(shuō)明的是,對(duì)于條紋強(qiáng)度的變化,目前傾向于認(rèn)為是由于光斑的入射角變化造成的,而入射角的變化主要是由望遠(yuǎn)鏡彎沉引起的光軸變化所致.根據(jù)已有研究結(jié)果,光軸的變化與望遠(yuǎn)鏡高度軸的變化有關(guān)[26?27],按照太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律,夏至?xí)r高度變化最快,入射角變化比較劇烈,冬至?xí)r高度變化最慢,入射角的變化也最為緩慢,在全年中的這兩個(gè)日期附近,用條紋平場(chǎng)來(lái)處理數(shù)據(jù)中存在的干涉條紋時(shí)應(yīng)該適當(dāng)縮短或延長(zhǎng)積分的時(shí)間.本文中所用的數(shù)據(jù)拍攝于2015年3月5日,高度軸變化速度比較適中,給出的經(jīng)驗(yàn)積分時(shí)間對(duì)于大多數(shù)的觀測(cè)日都可以適用.

這里需要指出的一點(diǎn)是,除了文中所涉及的寧?kù)o區(qū)偏帶觀測(cè)數(shù)據(jù)之外,本文提出的方法還可以適用于小尺度的氣孔區(qū)、彌散譜斑區(qū)或新浮現(xiàn)區(qū)數(shù)據(jù).而對(duì)于大尺度或復(fù)雜黑子區(qū)而言,該方法提取的條紋平場(chǎng)會(huì)殘留較為明顯的太陽(yáng)結(jié)構(gòu),從而影響結(jié)果中太陽(yáng)結(jié)構(gòu)的相對(duì)亮度分布.此時(shí)我們將會(huì)嘗試使用Chae[28]提出的方法,該方法的優(yōu)劣特性就不在本文中展開討論了.

圖8 對(duì)比顯示利用不同積分時(shí)間所提取的條紋平場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再次平場(chǎng)校正的結(jié)果.從上到下積分時(shí)間分別為20 m in、30 m in和60 m in.左側(cè):采用頻域傅里葉變換濾波方法;右側(cè):采用空域中值濾波方法.為了突顯強(qiáng)度較弱的條紋,我們?cè)鰪?qiáng)了圖像顯示的對(duì)比度.Fig.8 Com parison o f the resu lts ca lib rated using d ifferen t fringe-flats,w h ich are derived from the im ages in tegrated over d ifferen t tim es.From top to bottom:20-m inu te integration,30-m inu te in tegration,and 60-m inu te in tegration.Left:resu lts w ith the Fou rier transform filtering technique in frequency dom ain; R ight:resu lts w ith the m ed ian-filter m ethod in space dom ain.W e have enhanced the contrast ratio in order to m ake som e fain tish fringes p rom inen t.

最后我們也指出當(dāng)干涉條紋在二維空間分布上出現(xiàn)樣式變化(即條紋分布或間距的變化)時(shí),單純的傅里葉變換濾波可能不能很好地解決這個(gè)問(wèn)題.Rojo等[13]和Wang等[22]曾利用小波分析方法重建局部區(qū)域內(nèi)的條紋信息,然而他們的數(shù)據(jù)中條紋樣式較為簡(jiǎn)單,均被作者們簡(jiǎn)化為一維情況.針對(duì)該工作中提及的數(shù)據(jù),我們?cè)诳沼驁D像的行和列兩個(gè)方向上分別進(jìn)行一維小波分析,嘗試在不同空間位置上提取不同樣式的條紋信息.由于方法的局限性,我們沒(méi)有在文中展示該結(jié)果,但這里指出利用二維小波分析此類問(wèn)題的可能性.

致謝本文所用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)撫仙湖1m新真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).

[1]葉彬潯,孟新民,王傳晉.天文學(xué)報(bào),1985,26:172

[2]栗志,李志,楊曉寧.云南天文臺(tái)臺(tái)刊,1989,4:13

[3]How ell S B.Handbook o f CCD A stronom y.Second ed ition.New York:Cam b ridge Un iversity P ress, 2006:17

[4]秦松年,李如鳳,高彩.天文學(xué)報(bào),1989,30:387

[5]馬亮,危峻,黃小仙.光譜學(xué)與光譜分析,2014,34:1995

[6]張建衛(wèi),蔣玉龍,馬秀芳,等.光學(xué)儀器,1998,20:24

[7]李錦英,徐炳生.物理實(shí)驗(yàn),1992,12:13

[8]曾繁清.分析測(cè)試通報(bào),1990,9:77

[9]K ubiˇcela A,Jev rem ov i′c D,Pop ovi′c LˇC,et a l.BABel,1994,150:37

[10]劉志航,余素華,袁潤(rùn)權(quán).光譜實(shí)驗(yàn)室,2012,29:2360

[11]楊曉寧,栗志.空間科學(xué)學(xué)報(bào),1990,10:237

[12]M alum u th E M,H ill R S,Gu ll T,et a l.PASP,2003,115:218

[13]Ro jo P,Harrington J.AJ,2006,649:553

[14]M ellau G C,W innew isser B P.ASPC,1995,81:138

[15]陳建生,范曉明,唐小英.天文學(xué)報(bào),1987,28:303

[16]鄭中杰,彭青玉.天文研究與技術(shù),2013,10:416

[17]How ell S B.PASP,2012,124:263

[18]Liu Z,X u J,Gu B Z,et a l.RAA,2014,14:705

[19]屈會(huì)雪,楊云飛,馮松,等.天文學(xué)報(bào),2015,56:454

[20]Yang S H,Zhang J,X iang Y Y.A p JL,2015,798:L 11

[21]Yan X L,Xue Z K,X iang Y Y,et al.RAA,2015,15:1725

[22]W ang R,Xu Z,Jin Z Y,et a l.RAA,2013,13:1240

[23]祁勝文,趙彥杰,王寶泉.山東師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,18:38

[24]Fang C,Chen P F,Li Z,et al.RAA,2013,13:1509

[25]徐稚,楊磊,向永源,等.天文研究與技術(shù),2014,11:239

[26]校啟公,柳光乾,鄧林華,等.天文研究與技術(shù),2013,10:179

[27]柳光乾,校啟公,鄧林華,等.中國(guó)激光,2013,40:0108004-1

[28]Chae J.SoPh,2004,221:1

Study and Rem oval of the Interference Fringes in Im ages Observed by the Im aging System of NVST

WANG Si-bo1,2XU Zhi1XIANG Yong-yuan1JIN Zhen-yu1

(1 Yunnan A stronom ica l Observatories,Chinese A cadem y o f Sciences,K unm ing 650216) (2 Un iversity o f Chinese A cadem y o f Scien ces,Beijing 100049)

The 1-meter New Vacuum Solar Telescope is a new generation groundbased solar observation facility of China,located at the FuXian-Lake Solar Observatory of Yunnan Observatories.One of its instrumentations is a five-channel high-resolution image system,while theHα-channel isused as the traditionalway for solar chromospheric observation.Using a pco.4000 CCD as the detector,we usually observe com plicated fringes resulted from the thin-film interference in scientific data.These fringes can not be elim inated comp letely by flat-field calibration,and even be intensified after image reconstruction processes.From about 4-hour continuous Hαoff-band observations,we study the temporal-variation of the fringe pattern and am plitude.We find that in contrast to the stable pattern,the fringe amp litude obviously changed w ith time.The visibility increases 9 times over 4 hours.We speculate that it is due to the temporalvariation of the incident light intensity and the direction w ith respect to the CCD position.Consequently,we suggest two methods to calibrate or elim inate the fringes. On one hand,we suggest to change the CCD inner-glass-w indow to a wedge-shapew ith a wedge-angle of about 2 degree in order to reduce the fringe-interval to a CCD pixel size.It is shown that this change can elim inate themajority of fringes.Only few fringes w ith the visibility of 0.6%can be found in 1/24 of field-of-view.On the other hand, wemake efforts to elim inate the fringes by correcting the data using a so-called fringeflat again after the normal data reduction(flat-field and dark-field modification).A fringe-flat is extracted from the data by using a Fourier filtering technique in frequency dom ain or amedian-filter in space domain,and both produce a very sim ilar resu lt.We find that the corrected data using the fringe-flat produces a substantial reduction in the fringe am p litude w ith the visibility decreasing to about 1/8.However,we have to point out that there inevitably exist some vestiges of long-lived and large-scale solar structures in the fringe-flat.In return,the intensity of these structuresw illbe som ehow modified.Consequently,it issuggested to integrate the data over a certain time interval in order to enhance the fringes and smooth the high frequency solar structures.The em pirical suggestion of themaximum interval is about 20m inutes.

instrumentation:detectors,methods:data analysis,methods:observational,techniques:im age processing

P141;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.05.010

2016-02-05收到原稿,2016-03-30收到修改稿

?國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11473064)以及中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)局物質(zhì)科學(xué)前沿與交叉項(xiàng)目資助

?wangsibo@ynao.ac.cn

?xuzhi@ynao.ac.cn