NVST高分辨窄帶成像系統(tǒng)視場頻漂的實測與分析*

王良凱，徐 稚，金振宇，陳宇超，許 駿

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

撫仙湖1 m新真空太陽望遠(yuǎn)鏡(New Vacuum Solar Telescope, NVST)是國內(nèi)口徑最大的地基太陽望遠(yuǎn)鏡[1]，已經(jīng)獲得了大量長時間、亞角秒的太陽高分辨成像觀測資料[2]。目前，成像觀測系統(tǒng)包括TiO和G-band兩個用于光球觀測的寬帶通道及Hα，Ca II和He I 三個用于色球觀測的窄帶通道。眾所周知，太陽色球?qū)又杏性S多重要的活動現(xiàn)象，如日珥、譜斑和耀斑等，但太陽色球在整個可見光波段的輻射能量只有光球的萬分之一，色球結(jié)構(gòu)難以探測[3]，因而通常使用窄帶濾光設(shè)備，諸如琺珀濾光器[4]或里奧濾光器[5]，以獲得某個波長點的單色像。但是，單一波長的單色像包含的物理信息有限，無法直接區(qū)分輻射和多普勒速度引起的觀測強度的變化，因此單色像觀測通常需要在線心-線翼間的多個波長點上進(jìn)行，這有助于太陽結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特征的研究[6]。目前1 m太陽望遠(yuǎn)鏡的3個窄帶成像通道均使用由南京天文光學(xué)技術(shù)研究所研制的里奧濾光器，其中心波長可調(diào)，以實現(xiàn)多波長點依次觀測的要求。表1給出3個窄帶通道的中心波長、中心波長變化范圍以及透過帶帶寬。

目前1 m太陽望遠(yuǎn)鏡主要在Hα通道進(jìn)行太陽色球常規(guī)觀測，為了確保濾光器穩(wěn)定的工作狀態(tài)，工作人員需要定期檢測濾光器的性能，特別是檢查濾光器中心波長的變化以及波長掃描輪廓的對稱性，操作方法和細(xì)節(jié)見文[6]。但文[6]對整個觀測視場的光強值進(jìn)行空間積分獲取某一波長點的強度，忽略了視場內(nèi)強度分布的問題。圖1展示了偏帶值為-0.06 nm、-0.02 nm、0 nm、+0.02 nm、+0.06 nm一系列太陽寧靜區(qū)的Hα波段觀測結(jié)果。圖中存在除太陽結(jié)構(gòu)以外的大尺度亮度不均勻現(xiàn)象，最明顯的是左上方與右上方的明暗情況，其亮度隨偏帶值變化而變化。

表1 3個窄帶成像通道里奧濾光器參數(shù)Table 1 Parameters of three narrow-band filters

圖1 Ha通道各個偏帶太陽像示例
Fig.1 Examples of the observation data from different working wavelength

視場內(nèi)亮度不均勻現(xiàn)象的成因有很多，比如雜散光、光路漸暈、探測器的不均勻性等。但是圖1表現(xiàn)出亮度不均勻?qū)ΣㄩL敏感，因此更傾向于濾光器的視場效應(yīng)。所謂濾光器的視場效應(yīng)是指當(dāng)入射光并非嚴(yán)格垂直入射濾光器時，濾光器透過帶中心波長相較于垂直入射時發(fā)生偏移，該偏移量與入射角大小有關(guān)[5]。

1 數(shù)據(jù)采集及分析

1.1 采集方式

首先，波長掃描方式如下：掃描偏帶范圍為-0.1～+ 0.1 nm，掃描步長(單步波長間隔)0.01 nm，每步采集10～20幀數(shù)據(jù)。一次完整的波長掃描共采集包含1個線心和20個不同偏帶點。

其次，注意觀測目標(biāo)的選擇與平滑。由圖1可見，視場內(nèi)除了大尺度的亮度不均勻外還有小尺度的太陽色球結(jié)構(gòu)，為避免太陽結(jié)構(gòu)對實驗結(jié)果造成影響，在日面中心附近不同區(qū)域的寧靜區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將多組結(jié)果疊加。

1.2 數(shù)據(jù)初步處理

為了研究視場內(nèi)亮度空間分布不均現(xiàn)象，將視場分為3 × 3個子塊(分塊情況如圖1(c)紅虛線框所示)，分別考察這9個子塊中掃描輪廓的特性。考慮到輪廓的清晰展示，在圖2中只顯示了中心區(qū)域與四角區(qū)域的掃描輪廓，為了剔除由光路漸暈、雜散光等因素產(chǎn)生的亮度變化的影響(如圖1左上角亮度在各個偏帶點均偏暗，這里漸暈占主要因素)，所有輪廓根據(jù)中心區(qū)域在線翼-0.1 nm的強度值進(jìn)行歸一化發(fā)現(xiàn)：(1)各個 區(qū)塊掃描輪廓并不重合，之間存在相對頻率漂移；(2)相對于中心區(qū)域的輪廓，四角區(qū)域的輪廓全部發(fā)生了藍(lán)移。

圖2 中心區(qū)域與四角區(qū)域波長掃描輪廓對比

Fig.2 Comparison between the profile from central area and four corner areas

為了更直觀地展現(xiàn)頻漂相對大小，進(jìn)一步分析了四角區(qū)域與中心區(qū)域的相對光強，即分別將四角區(qū)域強度與中心區(qū)域做比值，如圖3。從圖3可以看出：(1)4條比值曲線均呈現(xiàn)不同程度的左(藍(lán)移)低右(紅移)高的形態(tài)。對于呈吸收狀的Hα譜線輪廓而言，這充分說明了四角區(qū)域的輪廓相對藍(lán)移的結(jié)論，體現(xiàn)在觀測數(shù)據(jù)上就是該區(qū)域藍(lán)移觀測時強度相對較弱，而紅移觀測時強度相對較強。(2)比值曲線最遠(yuǎn)離1的位置出現(xiàn)在右上角(圖1也可以明顯看到該區(qū)域由暗變亮的過程，對于比值曲線同樣遠(yuǎn)離1的左上角，雖然圖1中該區(qū)域均較暗，但仔細(xì)觀察仍可發(fā)現(xiàn)其相對亮度隨波長的變化)，比值曲線最接近1的位置出現(xiàn)在左下角。也就是說，四角區(qū)域相對中心頻漂量值大小不一，并不呈中心對稱分布。

圖3 四角區(qū)域相對中心區(qū)域的強度比值
Fig.3 Intensity ratio of four corner areas to central area

2 二維視場頻漂的實測計算與分析

為了研究視場頻漂的形成機制，需要定量計算各個區(qū)域相對于中心區(qū)域的頻漂量。利用重心法計算每個子塊的掃描輪廓的中心波長，所求中心波長的差異即可表征相對頻漂量。這里說明兩點：(1)雖然輪廓出現(xiàn)頻漂，但基本形狀不變(沒有受到太陽動力學(xué)結(jié)構(gòu)的影響)，這樣即便是Hα輪廓存在系統(tǒng)的不對稱性，也只影響頻漂的絕對大小，不影響 “相對” 頻漂的計算結(jié)果；(2)只利用 ± 0.05 nm范圍內(nèi)的輪廓進(jìn)行重心法計算，盡量減少輪廓系統(tǒng)性不對稱對結(jié)果的影響 。在3 × 3子塊的情況下，各區(qū)塊相對于中心的頻漂量如表2。

可以發(fā)現(xiàn)：邊緣區(qū)域相對于中心區(qū)域均呈現(xiàn)一致性的藍(lán)移；各個區(qū)域藍(lán)移的程度不相同，且最大值為-0.01 nm，出現(xiàn)在右上角，與圖3結(jié)果符合很好，這在一定程度上說明了重心法的正確性。

上述3 × 3子塊描述頻漂空間分布顯得比較 粗糙，于是將子塊分割得更為細(xì)膩。圖4是將視場分為9 × 9、15 × 15、25 × 25子塊后頻率相對漂移的情況。在3種情況的計算中，均以位于幾何中心子塊的中心波長作為參考。

表2 3 × 3子塊的頻漂量計算結(jié)果(單位：nm)Table 2 Frequency drifts of different areas (Unit: nm)

從圖4可以看出，頻漂的空間分布幾乎呈圓形，對稱中心位于中心偏左下的區(qū)域，并非視場中心，且這種空間分布趨勢與區(qū)域分割的程度沒有關(guān)系，但提高分割程度的確可以體現(xiàn)太陽色球結(jié)構(gòu)對結(jié)果的影響，故下文僅取視場分為9 × 9子塊的情況進(jìn)行討論。

針對以上結(jié)果認(rèn)為，對稱中心未出現(xiàn)在視場中心是光路非理想性所致，可以通過調(diào)節(jié)探測器的空間位置改善。

3 視場頻漂的成因分析

實際使用的里奧濾光器均做寬視場處理，其中一個寬視場單元如圖5[7]，圖中P為偏振片，兩晶片C的光軸互相垂直，中間內(nèi)插消色差半波片，其光軸與二晶片的光軸均成45°角。若不考慮晶體定軸誤差等影響，理想的寬視場濾光器視場效應(yīng)定量關(guān)系如下[5]：

圖4 觀測圖像采取不同分割程度時頻漂量計算結(jié)果。上方為各個區(qū)域的頻漂大小，下方為等值線
Fig.4 Frequency drifts of different segmentationlevels

其中，θ為光線至濾光器的入射角；λ為透過帶中心波長；δλ為中心波長偏移量；no和ne分別是晶體的o光及e光主折射率。顯然，只要光線偏離垂直入射，δλ就不為0，就會發(fā)生頻率漂移。以上公式只是近似公式，實際里奧濾光器的透過率還隨著入射光線方位角的變化而變化。文[8]指出，相比于光線的傾斜入射，頻漂隨光線方位角改變所產(chǎn)生的變化量要小兩個量級以上，其效應(yīng)可以忽略。當(dāng)然，如果構(gòu)成里奧濾光器寬視場單元的晶體光軸有定軸誤差，這也導(dǎo)致頻漂的產(chǎn)生，并進(jìn)一步突顯透過率與入射光線方位角之間的關(guān)系[7]，在此認(rèn)為定軸誤差很小，不對透過率造成明顯影響。

圖5 里奧濾光器寬視場單元
Fig.5 Wide-field birefringent element

在實際觀測系統(tǒng)中，Hα通道濾光器位于平行光路中(準(zhǔn)直鏡之后，成像鏡之前)，如圖6。光路的精確裝調(diào)可以較好地保證視場中心的光線(即o-o′ 連線)平行于系統(tǒng)的光軸，并垂直入射至濾光器。但來自邊緣視場的光線，例如A點發(fā)出的光線，在經(jīng)過準(zhǔn)直鏡后形成與光軸夾角為θ的平行光，即入射濾光器的角度不為0，因此該光線經(jīng)過濾光器時透過帶的中心波長發(fā)生δλ的偏移。由于Hα里奧濾光器使用的晶體為冰洲石(ne

在此基礎(chǔ)上，零頻率點不在視場中心的現(xiàn)象可能由兩種原因?qū)е拢?1)系統(tǒng)光軸并未穿過探測器中心位置。如果探測器沿垂直于光軸方向移動，那么必然導(dǎo)致零頻漂位置偏離探測器中心；(2)探測器位置正確，但濾光器光軸與系統(tǒng)光軸相對傾斜(如圖6中的紅虛線框)，此時不是視場中心點(O點)，而是由視場內(nèi)另一點(例如A點)發(fā)出的光線平行于濾光器的光軸。對該光線來說，透過率不會改變，因而零頻漂點出現(xiàn)在偏離視場中心的其它位置(A′點)，而且視場的最大頻漂量會變大，如圖4右上角的情況。

圖6 Ha通道光路示意圖
Fig.6 Schematic diagram of Ha channel

圖7 實測頻漂量及其擬合曲線與理論曲線
Fig.7 Measured results of frequency drift, fitting curve and theoretical curve

從圖7可以看到：(1)實測值(星點)與理論值(黑實線)的基本趨勢一致，可進(jìn)一步確定觀測視場中的亮度不均現(xiàn)象的確反應(yīng)了濾光器的視場效應(yīng)；(2)實測頻漂量要比理論預(yù)測稍大。對此可以理解為，理論值的計算是基于理想光路狀態(tài)，而實際還存在非理想因素，包括濾光器的非理想性、光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件未嚴(yán)格共軸以及探測器靶面未嚴(yán)格位于成像鏡焦平面等；(3)由于太陽結(jié)構(gòu)的存在，實測數(shù)據(jù)結(jié)果具有一定的離散性，但多組觀測數(shù)據(jù)給出一致的擬合曲線(紅虛線)；(4)實測值與理論值的差異隨著視場角的增大而增大。

4 研究視場頻漂的意義

視場內(nèi)頻漂的程度以及空間分布的特征可以較好地反應(yīng)光路的工作狀態(tài)，舉例來說，1 m太陽望遠(yuǎn)鏡的Hα通道曾在2017年3月前后進(jìn)行過一次光路調(diào)整，對比光路調(diào)整之后頻漂的程度和空間分布特點，如圖8。圖8(a)是光路調(diào)整之前(2016年12月，紅虛線)和光路調(diào)整之后(2017年6月，藍(lán)點劃線)視場內(nèi)的實際頻漂與理論預(yù)測(黑線)的對比，后者更接近理論預(yù)測情況。圖8(c)是光路調(diào)整之后，由于更換探測器，縮小了觀測視場，視場相對大小如圖8(b)紅虛線框，而且在較小的視場內(nèi)，頻漂量最大值減小且僅出現(xiàn)在視場的左下邊緣，由原來的0.01 nm變?yōu)槟壳暗?.005 nm，此外空間分布較為均勻。

圖8 (a) 理論曲線與兩次實測曲線對比; (b) 2016年12月結(jié)果; (c) 2017年6月結(jié)果

Fig.8 (a) Comparison of thetheoretical curve and themeasured results in two different times;(b) The result in Oct. 2016; (c) The result in Jun. 2017

從視場頻漂的研究可知，Hα通道乃至其他里奧濾光器系統(tǒng)均存在視場頻漂問題。因此1 m太陽望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)掃描輪廓以及波長定標(biāo)工作[6]可以將原先的全視場平均進(jìn)一步修改為視場分塊討論，選取最優(yōu)區(qū)塊作為參考位置，從而降低平均效應(yīng)并給出更為細(xì)致精確的結(jié)果。另外，在1 m太陽望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)行的平場處理[9]過程中并沒有區(qū)分光強空間分布不均勻是由光路漸暈、雜散光所引起還是濾光器視場效應(yīng)所引起，而有了視場頻漂數(shù)據(jù)便可以在以后的平場處理中給出參考。

5 總結(jié)與討論

綜上，對Hα通道波長掃描數(shù)據(jù)分析可見，觀測圖像視場內(nèi)亮度不均勻現(xiàn)象的直接原因是視場中心區(qū)域與其他區(qū)域有相對頻漂，產(chǎn)生頻漂的根本原因是濾光器的視場效應(yīng)。通過近期望遠(yuǎn)鏡以及成像系統(tǒng)光路的進(jìn)一步調(diào)整，目前在2.2′的視場內(nèi)，頻漂量的最大值約為0.005 nm，小于濾光器的透過帶帶寬。頻漂最大值僅出現(xiàn)在視場左下邊緣，因此對觀測數(shù)據(jù)，特別是多普勒速度的判斷，影響不明顯。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，實測頻漂值與理論頻漂值的殘差與入射角的關(guān)系呈現(xiàn)圖9的樣式，其中結(jié)果已經(jīng)過均值濾波。

圖9 均值濾波后實測結(jié)果與其擬合曲線殘差
Fig.9 Residual error of frequency drift after mean filtering

圖9可以看出殘差呈現(xiàn)一個有規(guī)律的起伏，且起伏周期隨入射角的增大而減小。由于現(xiàn)階段數(shù)據(jù)量較少，連續(xù)采集大量數(shù)據(jù)存在時間成本過高以及太陽光強變化等問題，故還無法對其成因作出判斷。當(dāng)然，日后可以針對這一問題考慮對頻漂對稱中心位置計算準(zhǔn)確程度以及頻漂量分布是否與方位角有關(guān)等方面進(jìn)行詳細(xì)探討，從而給出合理的解釋。