撫仙湖1米新真空太陽望遠(yuǎn)鏡空間二維偏振光譜觀測模式的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳宇超，徐 稚，李正剛，袁 沭，柳光乾，許 駿，金振宇

(1. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2. 中國科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011)

目前，撫仙湖1 m新真空太陽望遠(yuǎn)鏡(New Vacuum Solar Telescope, NVST)的終端觀測系統(tǒng)主要包括多通道高分辨成像系統(tǒng)[1]和多波段狹縫-光柵光譜儀。其中成像系統(tǒng)包括3個(gè)窄帶波段(H-alpha 656.3 nm，He I 1 083 nm和Ca II 393.3 nm) 以及2個(gè)寬帶波段(G-band 430 nm和TiO 705.8 nm)。多波段光譜儀主要包括2條經(jīng)典色球譜線(H-alpha 656.3 nm和Ca II 854.2 nm)以及1條光球譜線 (Fe I 532.4 nm)。表1給出多波段光譜儀的基本參數(shù)以及常規(guī)工作譜線[2]，其中Fe I 532.4 nm的朗德因子高達(dá)1.5，是目前國內(nèi)進(jìn)行光球磁場測量的主要工作波段[3]。

表1 多波段光譜儀參數(shù)Table 1 The parameters of the multi-band spectrometer at NVST

圖1為兩套終端系統(tǒng)的側(cè)視空間布局圖。成像系統(tǒng)與光譜儀在空間上相互垂直，并在裝調(diào)過程中實(shí)現(xiàn)了高精度共焦點(diǎn)和共視場的工作狀態(tài)。其中45°鏡是一面分光鏡，功能是將來自望遠(yuǎn)鏡的光進(jìn)行分光后進(jìn)入兩個(gè)觀測系統(tǒng)。為滿足不同科學(xué)觀測的需求，有多個(gè)45°鏡可以進(jìn)行替換。例如，常規(guī)太陽色球光譜觀測時(shí)(H-alpha 656.3 nm或Ca II 854.2 nm)，選擇全波段1/9分分光鏡，其功能是允許90%的光子透射進(jìn)入光譜儀系統(tǒng)，從而產(chǎn)生高信噪比、高分辨率的色球光譜，剩余10%的光子被反射進(jìn)入成像系統(tǒng)，足以在成像系統(tǒng)的寬波段通道中獲得高信噪比的圖像。在這種模式下，成像系統(tǒng)可被用作光譜儀狹縫位置的監(jiān)視系統(tǒng)。光球偏振光譜測量時(shí)，選擇帶通分光45°鏡，功能是高透射FeI 532.4 nm波段使其進(jìn)入光譜儀系統(tǒng)進(jìn)行偏振光測量，并高反射其他諸如H-alpha 656.3 nm和TiO 705.8 nm波段進(jìn)入成像系統(tǒng)。該模式下，既可進(jìn)行光球磁場測量，又可獲得觀測區(qū)域(或狹縫位置)的色球以及光球二維圖像。

圖1 撫仙湖1 m新真空太陽望遠(yuǎn)鏡終端觀測系統(tǒng)側(cè)視圖
Fig.1 Schematic of the terminals of the 1-m New Vacuum Solar Telescope

在實(shí)際工作中，除了45°分光鏡的選擇以外，整個(gè)光路中最為重要的是空間掃描機(jī)構(gòu)、偏振分析器和儀器偏振定標(biāo)機(jī)構(gòu)3部分。為了實(shí)現(xiàn)二維空間光譜觀測的功能，空間掃描機(jī)構(gòu)放置在45°分光鏡之前，通過自身的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)太陽像相對光譜儀狹縫的平穩(wěn)移動(dòng)。偏振分析器放置在45°分光鏡之后，光譜儀狹縫之前，目的是把4類偏振信號(斯托克斯信號I, Q, U, V)調(diào)制成不同頻率或不同相位的信號。儀器偏振定標(biāo)機(jī)構(gòu)是對儀器本身的偏振特性進(jìn)行定標(biāo)，放置在望遠(yuǎn)鏡F2焦點(diǎn)附近，只有在定標(biāo)時(shí)，該機(jī)構(gòu)才需要切入光路，產(chǎn)生各種標(biāo)準(zhǔn)偏振信號，用以完整地探測望遠(yuǎn)鏡的偏振特性。

目前，1 m太陽望遠(yuǎn)鏡的光譜觀測模式分為常規(guī)光譜觀測模式、偏振光譜觀測模式和偏振定標(biāo)觀測模式。其中，要求常規(guī)光譜觀測模式和偏振光譜觀測模式與掃描機(jī)構(gòu)相集成，進(jìn)行二維空間掃描觀測。為了滿足這些觀測模式的需求，上述3個(gè)機(jī)構(gòu)連同后端的探測器需要有序、快速地交替工作。此外，為了便于觀測人員操作，同時(shí)減少人為錯(cuò)誤，上述3種觀測模式最好整合為一個(gè)綜合框架，這對整體觀測模式的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提出了較高的要求。

1 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)控制的要求分析

1 m太陽望遠(yuǎn)鏡光譜儀所有的觀測模式主要是通過對空間掃描機(jī)構(gòu)、偏振分析器和偏振定標(biāo)機(jī)構(gòu)3部分的控制實(shí)現(xiàn)。首先從科學(xué)目標(biāo)出發(fā)理解和明確這些觀測模式對各個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)作的要求。

1.1 空間掃描模式的要求

空間掃描機(jī)構(gòu)由兩組K形鏡和一個(gè)電控垂直位移臺(tái)組成。位移臺(tái)通過垂直升降其中一組K鏡實(shí)現(xiàn)太陽像相對于狹縫的移動(dòng)。該位移臺(tái)由北京卓立公司生產(chǎn)，采用外置光柵尺，閉環(huán)分辨率可達(dá)1 μm，重復(fù)定位精度為2 μm，復(fù)位精度誤差為4%。在前期的研制和裝調(diào)過程中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并確保掃描方向固定和多次掃描觀測目標(biāo)兩點(diǎn)基本掃描要求[4]。

但在實(shí)測中發(fā)現(xiàn)，更重要的要求卻體現(xiàn)在如何完成單次掃描的過程中，即掃描模式。位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式可以產(chǎn)生兩種掃描模式(如圖2)。

(1)連續(xù)式掃描模式(如圖2(a))：指電動(dòng)位移臺(tái)從初始位置開始以勻速方式運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。

(2)步進(jìn)式掃描模式(如圖2(b))：指電動(dòng)位移臺(tái)從初始位置開始，行進(jìn)固定距離后暫停，得到下次行進(jìn)指令后再行進(jìn)同等固定距離，直至目標(biāo)位置。

圖2 (a) 連續(xù)式掃描模式；(b) 步進(jìn)式掃描模式
Fig.2 (a) non-stop mode; (b) step-by-step mode

如果采用連續(xù)式掃描模式，位移臺(tái)不需要與偏振分析器或探測器等設(shè)備有通訊聯(lián)系，只需要選擇合適的掃描速度。但僅從終端探測器的采集方式看，連續(xù)式掃描會(huì)遺漏部分掃描區(qū)域。以普通CCD為例，數(shù)據(jù)采集時(shí)間包括曝光時(shí)間和讀出時(shí)間兩部分，而在讀出時(shí)間內(nèi)掃描機(jī)構(gòu)的行進(jìn)范圍沒有被采集到，因此最終采集的區(qū)域是不連續(xù)的。

實(shí)際上，除了探測器采集方式這一個(gè)原因之外，還有2個(gè)問題不能忽略：(1)1 m太陽望遠(yuǎn)鏡最終需要實(shí)現(xiàn)偏振光譜的空間二維觀測，在偏振光譜的測量過程中，需要在每個(gè)空間位置上進(jìn)行偏振調(diào)制觀測，此時(shí)狹縫位置絕對不能移動(dòng)，因此連續(xù)式掃描完全不適用；(2)1 m太陽望遠(yuǎn)鏡目前沒有穩(wěn)像機(jī)構(gòu)，在望遠(yuǎn)鏡跟蹤系統(tǒng)的精度、風(fēng)速或視寧度的影響下，焦面太陽像以大約1 Hz的頻率隨機(jī)晃動(dòng)[5]，晃動(dòng)幅度可超過1″。在這種情況下，連續(xù)式掃描的實(shí)際掃描視場與預(yù)設(shè)掃描視場有很大的出入，有效空間采樣率很低。

基于上述的分析，1 m太陽望遠(yuǎn)鏡掃描機(jī)構(gòu)在科學(xué)觀測時(shí)選擇步進(jìn)式掃描模式，即掃描機(jī)構(gòu)等待該位置偏振測量完成或探測器完成采集之后才移動(dòng)到下一步。

明確掃描模式之后，實(shí)測中發(fā)現(xiàn)僅采用步進(jìn)式掃描不能很好地解決由太陽像晃動(dòng)造成的掃描空間采樣問題。以普通光譜掃描觀測為例，根據(jù)掃描的時(shí)間分辨率和空間采樣的需求，步進(jìn)式掃描的步幅通常設(shè)為狹縫寬度(如圖2的紅色窄條寬度，即空間采樣寬度)。1 m太陽望遠(yuǎn)鏡常用狹縫縫寬100 μm，對應(yīng)日面0.45″。由于太陽像的晃動(dòng)，掃描區(qū)域并沒有被狹縫等距離地采樣，而是產(chǎn)生了圖3(a)的結(jié)果：有些地方重復(fù)采樣，有些地方完全沒有被觀測到(即黑線所示位置)。

為了解決這個(gè)問題，在單步上使用多幀采集的方案。該方案略微降低掃描的時(shí)間分辨率。優(yōu)點(diǎn)是：(1)多幀采集的過程中，太陽像的高頻晃動(dòng)可用來提高狹縫的空間采樣率，即提高某一幀里狹縫位于期望位置的概率；(2)觀測人員可以根據(jù)圖像的晃動(dòng)幅度、具體科學(xué)目標(biāo)的要求、視寧度的好壞，靈活調(diào)節(jié)N的大小。圖3(b)、(c)、(d)給出了增加N后產(chǎn)生的效果，可以極大地提高掃描觀測的空間采樣率以及空間分辨率[6]。

fairness2=-1.28+0.37pension2+0.263medical2-0.437pension* medical2

1.2 偏振觀測機(jī)構(gòu)控制精度的要求

1 m太陽望遠(yuǎn)鏡偏振觀測機(jī)構(gòu)包括偏振分析器和定標(biāo)單元，兩者具有基本相同的結(jié)構(gòu)，即偏振片、波片和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的帶動(dòng)下，偏振片和波片進(jìn)行不同角度的旋轉(zhuǎn)。兩者的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)均使用了由PhysikInstrumente(PI)公司生產(chǎn)的超聲波壓電轉(zhuǎn)臺(tái)。

值得一提的是，定標(biāo)單元位于望遠(yuǎn)鏡真空鏡筒內(nèi)部，與其他終端設(shè)備距離甚遠(yuǎn)，所以采用了串口改網(wǎng)口的策略，即定標(biāo)單元相關(guān)電機(jī)的控制器經(jīng)多級交換機(jī)后通過局域網(wǎng)與采集計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，充分解決了布線問題(如圖4)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由網(wǎng)絡(luò)通信造成的指令接收及發(fā)送延遲平均小于20 ms，在實(shí)際觀測中未發(fā)現(xiàn)由于網(wǎng)絡(luò)延遲造成對儀器性能的影響。偏振分析器在終端平臺(tái)上，其轉(zhuǎn)臺(tái)控制器可以通過RS232數(shù)據(jù)線與采集計(jì)算機(jī)直接相連。

圖3 步進(jìn)式掃描模式拼接結(jié)果。黑線表示沒有被掃描的區(qū)域。從(a)到(d)，參數(shù)N逐步增加
Fig.3 Reconstruction results of the raster images. The black line denotes the area, which is not actually sampled by the slit

偏振分析器工作時(shí)，需要偏振片靜止，波片以22.5°為固定步幅進(jìn)行8步式步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對信號的調(diào)制觀測，波片每次轉(zhuǎn)到位后，探測器才能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最初控制要求的冗余較大，認(rèn)為0.04%的角度定位誤差(即角度定位偏差約0.01°)可滿足測量要求，而且在0°～180°和180°～360°之間分別進(jìn)行8步式調(diào)制觀測，合成之后希望能提高信噪比。

但是在實(shí)測中發(fā)現(xiàn)，偏振分析器的角度定位偏差造成明顯的測量誤差。圖5的左半部分 (橫坐標(biāo)=40之前)，波片共轉(zhuǎn)了8步完成0°～180°的旋轉(zhuǎn)(圖5中偏振分析器定位精度為0.002°± 0.001°)，這8個(gè)狀態(tài)體現(xiàn)的強(qiáng)度變化就是調(diào)制過程，他們之間的線性組合用于偏振信號的最終解調(diào)。由于偏振信號非常弱，為了調(diào)高信噪比，在每個(gè)狀態(tài)上采集N(=5)張(如圖5中的藍(lán)色圓形標(biāo)記)，除了大氣透明度等非人為因素之外，這N張的強(qiáng)度不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)變化。在實(shí)際光路中，偏振分析器0.01°的角度定位偏差會(huì)使得N張的強(qiáng)度起伏高達(dá)10%以上。當(dāng)N不夠大(在特殊要求情況下，N=1或3)，平均效果不夠強(qiáng)，這直接影響最終的解調(diào)結(jié)果，即偏振測量的準(zhǔn)確性。因此，觀測時(shí)需要轉(zhuǎn)臺(tái)的角度定位精度提高至0.002°± 0.001°，可以完全消除上述強(qiáng)度起伏變化，保證偏振測量的準(zhǔn)確性。

圖4 光譜偏振觀測設(shè)備部署圖

Fig.4 The deployment diagram of the spectropolarimetric observation

其次，在完成0°～180°之間的旋轉(zhuǎn)后，波片可否在180°～360°之間繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，從而回到0點(diǎn)，這樣可否有助于提高偏振測量精度？

如圖5，位置1對應(yīng)波片旋轉(zhuǎn)了22.5°，位置1′對應(yīng)波片旋轉(zhuǎn)了22.5°+ 180°。位置1～8為前180°的測量結(jié)果，1′～8′為后180°的測量結(jié)果。理想情況下，波片位于位置a與位置a + 180°時(shí)，測量強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)相同，但事實(shí)并非如此。通過對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波片轉(zhuǎn)到某些角度時(shí)，例如位置4和4′，他們的強(qiáng)度差異很小。但是對比位置1和1′、位置5和5′ 或位置7和7′，他們的強(qiáng)度卻存在明顯差異。這種差異最終導(dǎo)致用0°～180°測量計(jì)算的響應(yīng)矩陣和用180°～360°測量計(jì)算的響應(yīng)矩陣存在至少10-2量級的差異，最大能達(dá)到1.3%。為了避免不對稱性引入的額外誤差，目前1 m太陽望遠(yuǎn)鏡偏振分析器波片只在0°～180°之間旋轉(zhuǎn)，完成一組8步式調(diào)制后，旋轉(zhuǎn)回光學(xué)0點(diǎn)，該方式增加了約為500 ms的額外設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。

圖5 偏振分析器不同角度強(qiáng)度分布。該圖偏振分析器定位精度為0.002°
Fig.5 The intensity distribution at different angles of the polarimeter with the accuracy of 0.002 degree

1.3 偏振觀測多幀疊加模式

目前，1 m太陽望遠(yuǎn)鏡是利用單光束進(jìn)行偏振測量，要求偏振分析器調(diào)制的速度越快越好，盡量減小大氣湍流引起的干擾。通常情況下，先進(jìn)行一組調(diào)制(一個(gè)角度姿態(tài)上拍N=1幀)觀測和計(jì)算，后將多組結(jié)果進(jìn)行疊加，即先解調(diào)后疊加。疊加組數(shù)的大小取決于時(shí)間分辨率與信噪比折中。

但是，通過實(shí)測發(fā)現(xiàn)這種疊加模式很大程度上降低了時(shí)間分辨率。具體來說，每個(gè)調(diào)制位置上耗費(fèi)的總時(shí)間 =波片旋轉(zhuǎn)到位所需要的時(shí)間 + 數(shù)據(jù)采集時(shí)間，而前者占據(jù)了很大的比例。如果單幀光譜采集時(shí)曝光時(shí)間為80 ms，一個(gè)位置拍1幀，一組8步式調(diào)制需4 s左右完成，為了實(shí)現(xiàn)偏振信號連續(xù)譜的均方根在10-3左右，即δs/Ic< 5.0 × 10-3的科學(xué)目標(biāo)要求，需要疊加約20組的調(diào)制信號，這樣總共耗時(shí)80 s。

針對這種情況，對觀測模式進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整：在偏振觀測中，先在每個(gè)調(diào)制狀態(tài)采集足夠的幀數(shù)，疊加得到高信噪比的調(diào)制信號，后進(jìn)行解調(diào)計(jì)算，即先疊加后解調(diào)。對比上述例子，如果每步采集N=20，曝光時(shí)間不變，則一次偏振觀測總共耗時(shí)降低為23 s。表2給出偏振信號連續(xù)譜的均方根與N之間的實(shí)測關(guān)系。

表2步進(jìn)式調(diào)制觀測采集幀數(shù)、信噪比、總耗時(shí)對比

Table2ThecomparisonofthetemporalresolutionandSNRofdifferentdemodulationframesnumber

曝光時(shí)間/ms單一位置的連續(xù)采集幀數(shù)/幀均方根耗時(shí)/s80203.0×10-3IC2380153.5×10-3IC2080104.0×10-3IC148055.6×10-3IC10

2 實(shí)測效果

在明確并實(shí)現(xiàn)上述各個(gè)控制機(jī)構(gòu)的要求后，進(jìn)行了多次光譜二維空間掃描觀測和偏振光譜測量的科學(xué)觀測。下文將介紹兩種科學(xué)觀測的基本流程并討論在實(shí)測過程中發(fā)現(xiàn)和解決的部分問題。

2.1 光譜二維空間掃描觀測

圖6為光譜掃描的基本流程。這種觀測模式是針對非磁敏的經(jīng)典色球H-alpha 656.3 nm和Ca II 854.2 nm波段的光譜。在具體實(shí)現(xiàn)中，該模式作為偏振光譜觀測的特殊模式，即偏振分析器狀態(tài)不變，只需要控制掃描機(jī)構(gòu)和探測器。掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模式為1.1節(jié)中所述的步進(jìn)掃描方式。

圖6 非偏振光譜二維空間掃描觀測流程
Fig.6 The activity diagram of raster scan

在1.1節(jié)中，已經(jīng)提出了用多幀采集的方案提高二維掃描結(jié)果的空間分辨率，然而實(shí)測中發(fā)現(xiàn)如果能將準(zhǔn)同時(shí)的成像系統(tǒng)利用起來，起到狹縫監(jiān)視的作用，可以對狹縫位置進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確地定位，有助于進(jìn)一步提高掃描結(jié)果的空間分辨率。

目前，成像系統(tǒng)和光譜儀所匹配的探測器在型號、采集模式上完全不同，表3列出了兩個(gè)系統(tǒng)所匹配的探測器的性能參數(shù)。在不增加外部觸發(fā)設(shè)備的前提下，通過調(diào)整兩套系統(tǒng)的采集速率，并兼顧實(shí)測數(shù)據(jù)量的合理大小達(dá)到準(zhǔn)同時(shí)采集的目的。

表3 成像系統(tǒng)與光譜儀的匹配探測終端一覽表Table 3 The observation configuration of the high-resolution imaging system and multi-band spectrometer

首先，光譜儀使用的3臺(tái)PCO4000型號CCD均連接在同一臺(tái)采集計(jì)算機(jī)上，該計(jì)算機(jī)的帶寬及中央處理器核數(shù)完全滿足3臺(tái)探測器同時(shí)采集及控制采集軟件進(jìn)程數(shù)的要求。單個(gè)CCD采集時(shí)，采用2 × 2像素合并模式，單幀光譜數(shù)據(jù)采集時(shí)間約為100 ms(=60 ms曝光時(shí)間 + 40 ms讀出時(shí)間)，采集速率約10幀/秒。單一光譜通道觀測時(shí)，數(shù)據(jù)量大約為50 M/s。

進(jìn)行色球光譜觀測時(shí)，通常利用高分辨系統(tǒng)中的TiO通道進(jìn)行狹縫位置監(jiān)視。該通道使用Andor Neo公司生產(chǎn)的CMOS相機(jī)，常規(guī)高分辨觀測時(shí)，采用1 × 1像素合并模式以及 “非爆炸”(non burst-mode)采集模式，可在30 s內(nèi)完成200幀數(shù)據(jù)的采集，但會(huì)造成 “前18 s左右集中采集，后12 s左右集中存儲(chǔ)” 的時(shí)間采樣間斷的情況。當(dāng)用作狹縫監(jiān)視觀測時(shí)，首先改成 “爆炸”(burst-mode)采集模式，數(shù)據(jù)不間斷采集，同時(shí)采用4 × 4像素合并模式控制數(shù)據(jù)量，做到采集速率15幀/秒。

通過上述參數(shù)的匹配，基本實(shí)現(xiàn)了雙系統(tǒng)的準(zhǔn)同時(shí)采集。利用這種觀測方法進(jìn)行了兩個(gè)活動(dòng)區(qū)的掃描觀測[6]，獲得較高空間分辨率的二維空間掃描觀測(光譜二維拼接結(jié)果見圖3)。

2.2 偏振光譜實(shí)測

圖7為偏振觀測的基本流程。從圖中可見，偏振實(shí)測存在偏振(科學(xué))觀測和偏振定標(biāo)觀測兩個(gè)過程。偏振定標(biāo)觀測視為一種特殊的偏振觀測，即定標(biāo)單元移入光路后進(jìn)行的一系列偏振觀測。每次定標(biāo)耗時(shí)約1 min，目的是為了獲得望遠(yuǎn)鏡的偏振狀態(tài)。由于望遠(yuǎn)鏡的偏振狀態(tài)隨時(shí)間有明顯的變化，需要進(jìn)行連續(xù)式定標(biāo)觀測或者進(jìn)行人為的間斷式定標(biāo)(間隔30 min)觀測。定標(biāo)觀測時(shí)，望遠(yuǎn)鏡指向日面中心寧靜區(qū)，無需啟動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)。目前，1 m太陽望遠(yuǎn)鏡的偏振定標(biāo)已經(jīng)取得了很好的效果，偏振信號之間的串?dāng)_得到很大程度的矯正(如圖8)。

定標(biāo)結(jié)束開啟科學(xué)觀測時(shí)，定標(biāo)單元移出光路，科學(xué)觀測或進(jìn)行空間掃描，或進(jìn)行空間定點(diǎn)觀測?？紤]到圖片空間限制，圖7沒有贅述掃描流程，二維空間偏振光譜掃描的基本流程是：掃描機(jī)構(gòu)以步進(jìn)式進(jìn)行空間掃描，在每個(gè)空間掃描位置上，偏振分析器再進(jìn)行步進(jìn)式偏振調(diào)制，在每個(gè)調(diào)制狀態(tài)上，探測器采集N幀，8個(gè)調(diào)制狀態(tài)全部采集完畢后，掃描機(jī)構(gòu)移動(dòng)至下一空間位置，重復(fù)上述步驟，最終完成所有預(yù)設(shè)掃描步數(shù)。

圖7 偏振光譜觀測流程(含科學(xué)觀測與定標(biāo)觀測)
Fig.7 The process diagram of the spectropolarimetric observation (including observation and instrumental calibration)

圖8 偏振光譜定標(biāo)前后對比。紅(黑)色表示定標(biāo)之前(后)的偏振輪廓

Fig.8 The comparison of cross-talk uncorrected and corrected spectrum. The red profile denotes the spectrum without the correction of the instrumental cross-talk, while the black profile denotes the corrected the spectrum

3 總結(jié)與討論

目前，1 m太陽望遠(yuǎn)鏡光譜觀測的主要觀測模式已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，各項(xiàng)功能進(jìn)行了優(yōu)化和整合，并投入常規(guī)觀測。觀測人員既可以通過一個(gè)綜合觀測控制界面完成復(fù)雜的二維空間偏振光譜觀測，也可以單一執(zhí)行普通二維空間光譜掃描觀測(含定點(diǎn))、定點(diǎn)偏振光譜測量和偏振定標(biāo)等觀測內(nèi)容。本文討論的問題不是突出設(shè)計(jì)過程中遇到的工程問題，而是注重分析觀測模式如何滿足最終的科學(xué)目標(biāo)，以及各項(xiàng)電控機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模式、精度、邏輯順序是如何被提出和確定的。

另外，光譜觀測可以與成像觀測進(jìn)行準(zhǔn)同步運(yùn)作。成像系統(tǒng)可以作為狹縫監(jiān)視系統(tǒng)，用以提高光譜掃描的空間分辨率。最終為實(shí)現(xiàn)1 m太陽望遠(yuǎn)鏡高空間分辨率、高光譜分辨率的雙高觀測模式邁出重要的一步。需要說明的是，目前1 m太陽望遠(yuǎn)鏡不同觀測系統(tǒng)或不同觀測通道之間并未實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步采集，這需要考慮硬件的外觸發(fā)曝光模式。

最后，討論偏振光譜觀測中的兩個(gè)問題：(1)目前1 m太陽望遠(yuǎn)鏡偏振調(diào)制模式是步進(jìn)式調(diào)制，空間二維觀測時(shí)分辨率有限。近期已經(jīng)開展了連續(xù)式調(diào)制模式的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。連續(xù)式模式下，第1次的起始時(shí)刻(即波片方位角為0°時(shí))，相機(jī)開始曝光，曝光結(jié)束的時(shí)刻結(jié)束曝光并完成采集，同時(shí)開始下一次的曝光，而每次曝光應(yīng)該保證波片旋轉(zhuǎn)的角度一樣。因此，具體實(shí)現(xiàn)中將重點(diǎn)放于如何保證上述兩者的同步。如果同步存在一定的誤差，那么這個(gè)誤差會(huì)產(chǎn)生多大的測量誤差，該誤差需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判斷選擇。(2)目前1 m太陽望遠(yuǎn)鏡偏振光譜觀測模式采用單光束觀測。單光束偏振分析器的調(diào)制解調(diào)過程中，由于無法同時(shí)獲取兩個(gè)相互垂直的偏振態(tài)，導(dǎo)致大氣視寧度引起斯托克斯參數(shù)I對Q、U、V的串?dāng)_，從而降低了望遠(yuǎn)鏡的偏振測量精度。下一步希望能積極開展雙光束方案，應(yīng)用偏振光束分離器代替偏振分析器中的偏振片，在同一個(gè)CCD的不同位置同時(shí)得到兩束偏振狀態(tài)正交的偏振信號，兩偏振信號相減，消除了I對Q、U、V的串?dāng)_，與單光束偏振分析器相比，提高望遠(yuǎn)鏡的偏振測量精度。