空間太陽極紫外無狹縫光譜成像技術(shù)綜述

彭吉龍

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

太陽是空間天文觀測的重要目標(biāo)。太陽活動(dòng)會(huì)影響空間天氣，太陽爆發(fā)現(xiàn)象是災(zāi)害性空間天氣的源頭。耀斑、冕洞等日冕層的太陽活動(dòng)會(huì)影響空間電磁環(huán)境，進(jìn)而影響導(dǎo)航、通信等人類活動(dòng)和衛(wèi)星、輸電網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施，而這些活動(dòng)現(xiàn)象在極紫外波段有明顯響應(yīng)。由于地球大氣對(duì)紫外波段的吸收作用，極紫外觀測只能在空間進(jìn)行。因此，對(duì)極紫外光譜成像成為目前國際上空間觀測太陽活動(dòng)現(xiàn)象的主要手段。

國際上較早重視太陽極紫外觀測儀器的研制，發(fā)展了一系列包括光度探測、光譜和成像探測在內(nèi)的儀器。美國從20世紀(jì)40年代起就利用火箭進(jìn)行了太陽極紫外光譜的測量。60年代以后，美國和蘇聯(lián)開始利用衛(wèi)星對(duì)太陽極紫外輻射進(jìn)行更加多樣化的觀測。進(jìn)入21世紀(jì)以來發(fā)射的太陽觀測衛(wèi)星（如 2006年美日英合作的 Hinode[1]、美國的STEREO[2]、 俄 羅 斯 的 Coronas-PHOTON[3]、 美 國2010年的SDO[4-5]及2013年的IRIS[6]）都包含極紫外成像或光譜測量儀器。

我國在太陽的天基探測方面有非常強(qiáng)烈的需求。20世紀(jì)70年代后期，太陽物理學(xué)家就提出觀測太陽的“天文衛(wèi)星1號(hào)”計(jì)劃，90年代開始預(yù)研“空間太陽望遠(yuǎn)鏡”計(jì)劃；2006年啟動(dòng)了中法合作“太陽爆發(fā)探測小衛(wèi)星”以及“夸父計(jì)劃”等，但迄今均未能發(fā)射上天。近年來隨著我國對(duì)空間科學(xué)的重視，正積極開展多項(xiàng)太陽觀測衛(wèi)星的規(guī)劃論證工作，提出的“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”已經(jīng)列入了中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)的發(fā)射計(jì)劃。

目前對(duì)太陽活動(dòng)進(jìn)行空間觀測的儀器主要包括成像望遠(yuǎn)鏡和成像光譜儀。前者如SOHO衛(wèi)星的極紫外成像望遠(yuǎn)鏡（EIT）、白光日冕儀（LASCO）[7-9]，SDO衛(wèi)星的極紫外大氣成像組件（AIA）等，可以觀測各種太陽活動(dòng)的形態(tài)、強(qiáng)度及其演化。后者一般利用狹縫和光柵，可以同時(shí)得到沿狹縫方向一維空間多條譜線的光譜，進(jìn)而通過掃描得到二維成像光譜，如SOHO衛(wèi)星的UVCS、CDS、SUMER[10-12]，Hinode衛(wèi) 星 的 EIS，IRIS衛(wèi)星等。

這些觀測儀器為我們理解日冕物質(zhì)拋射（coronal mass ejections, CME）及太陽耀斑等爆發(fā)現(xiàn)象的物理本質(zhì)提供了豐富的信息；但目前的儀器也存在一些缺陷，如望遠(yuǎn)鏡不能滿足高光譜分辨率，光譜儀不能同時(shí)獲取大視場的信息，因此需要進(jìn)行新型觀測技術(shù)和儀器的研究。本文首先介紹了傳統(tǒng)成像望遠(yuǎn)鏡和狹縫光譜儀的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，說明了它們帶來的觀測限制，然后分別介紹3種極紫外無狹縫光譜成像技術(shù)。

2 傳統(tǒng)太陽極紫外觀測儀器及其限制

2.1 典型成像望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

目前為止已有多顆衛(wèi)星搭載極紫外觀測載荷對(duì)太陽活動(dòng)進(jìn)行觀測，取得了豐碩的成果。極紫外成像望遠(yuǎn)鏡大都采用類似SDO極紫外成像儀（AIA）的雙反結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 典型極紫外成像望遠(yuǎn)鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Typical optical structure of a EUV telescope

此種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率成像，反射鏡加工、監(jiān)測相對(duì)容易，系統(tǒng)調(diào)校簡單，而且可以通過在反射鏡不同位置鍍不同多層膜，結(jié)合過濾片實(shí)現(xiàn)不同波段的成像，如SDO/AIA利用1臺(tái)望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2個(gè)極紫外波段的成像，SOHO/EIT用1臺(tái)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)4個(gè)極紫外波段成像。但這種成像方式采用過濾片和極紫外多層膜反射鏡實(shí)現(xiàn)分光，只能實(shí)現(xiàn)高空間分辨率，而無法達(dá)到高光譜分辨率，光譜分辨率一般在0.5 nm左右。

2.2 典型狹縫式光譜儀結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

典型的狹縫式極紫外光譜儀結(jié)構(gòu)如圖2所示[1]。

圖2 EIS光譜儀結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of EIS spectrograph

采用狹縫限制視場后，利用光柵可實(shí)現(xiàn)高分辨率光譜分辨。通過狹縫的掃描可以實(shí)現(xiàn)全日面的高空間分辨率成像。但因?yàn)闃O紫外輻射通量低，每幅圖像需要一定的電荷積分時(shí)間，加上掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，完成全日面的掃描常常需要數(shù)小時(shí)以上。故這種結(jié)構(gòu)的光譜儀其空間分辨率和全日面的時(shí)間分辨率是一對(duì)矛盾。

2.3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成的觀測限制

光譜儀可以研究日面源區(qū)和低日冕活動(dòng)區(qū)域相關(guān)的等離子體參數(shù)，結(jié)合成像望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)，可以得到太陽活動(dòng)伴隨的等離子體運(yùn)動(dòng)的三維信息。然而傳統(tǒng)的極紫外成像望遠(yuǎn)鏡和狹縫式極紫外光譜儀在觀測中的不足之處，制約了對(duì)CME和耀斑等太陽活動(dòng)的高精度觀測及對(duì)其機(jī)理的研究。

1）對(duì)CME的觀測只能通過白光日冕儀完成。而目前在軌的白光日冕儀的擋板遮擋了約2個(gè)太陽半徑的視場，無法看到CME在內(nèi)日冕的加速過程（圖3[13]）。且由于視場的不重疊，無法將可見光看到的CME同極紫外看到的源區(qū)直接聯(lián)系。

圖3 SOHO衛(wèi)星的極紫外成像儀（EIT）觀測到的耀斑和隨后白光日冕儀（LASCO）觀測到的暈狀CMEFig. 3 A flare observed by SOHO/EIT and the subsequent halo CME observed by LASCO

2）缺少太陽全日面的視向速度信息，難以識(shí)別CME的觸發(fā)過程。對(duì)于太陽邊緣之上的暗條上升，可以通過極紫外圖像判斷；但對(duì)于日面上的暗條而言，圖像觀測很難識(shí)別。此外，Hinode衛(wèi)星EIS光譜儀的觀測也表明，大耀斑爆發(fā)之前，活動(dòng)區(qū)會(huì)出現(xiàn)較大的速度展寬[14]。這是CME與耀斑爆發(fā)的一個(gè)非常明顯的前兆特征，然而，EIS光譜儀是通過掃描的方式得到二維光譜，時(shí)間分辨率太低，因而捕捉不到。

3）利用傳統(tǒng)的狹縫式光譜儀觀測存在兩個(gè)缺陷：一是狹縫的存在限制了儀器的視場——只有狹縫恰好在爆發(fā)源區(qū)位置時(shí)才能得到有效的觀測；二是對(duì)于太陽活動(dòng)區(qū)域的觀測依賴于狹縫的掃描，由于曝光積分時(shí)間的限制，完成全日面掃描需數(shù)h甚至數(shù)十h時(shí)間，不能得到高時(shí)間分辨率的信息。其后果是：視場中的速度分布并不具備同時(shí)性。雖然EIS光譜儀除了窄狹縫的光譜成像外，還提供了寬“狹縫”的空間成像，時(shí)間分辨率有所提高，但上述缺陷依然存在[15]。如圖4[15]所示，對(duì)同一活動(dòng)區(qū)較大視場的空間成像可以觀測活動(dòng)區(qū)的形態(tài)變化，但不能得到各區(qū)域的光譜信息；狹縫成像可以實(shí)現(xiàn)光譜分辨，但只能靠掃描得到整個(gè)活動(dòng)區(qū)的信息，時(shí)間上不同步。

圖4 EIS觀測視場示意Fig. 4 The field-of-view of EIS

以上限制使得CME的源區(qū)特征和觸發(fā)過程很難被觀測到，影響了對(duì)CME觸發(fā)機(jī)制及初始加速階段的研究，嚴(yán)重制約了太陽物理的發(fā)展。

3 極紫外無狹縫光譜成像技術(shù)

雖然目前多個(gè)太陽觀測衛(wèi)星都同時(shí)搭載極紫外成像望遠(yuǎn)鏡和狹縫式光譜儀，但目前的探測方法依然不能實(shí)現(xiàn)同一視場內(nèi)太陽活動(dòng)過程的瞬時(shí)形態(tài)和速度的同時(shí)成像。因此各國科學(xué)家一直嘗試在儀器設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)太陽大視場的高空間分辨率和光譜分辨率成像。

3.1 多波段全日面無狹縫成像技術(shù)

20世紀(jì)70年代，在Skylab上搭載的一種無狹縫光譜成像儀（見圖5[16]），可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多條譜線的全日面成像。儀器結(jié)構(gòu)中去除了限制視場的狹縫。太陽光線直接入射到曲面光柵，經(jīng)光柵分光后成像到曲面膠片上。因?yàn)闆]有狹縫限制，全日面的信息可以同時(shí)成像。儀器可以在寬譜段范圍內(nèi)達(dá)到很高的分辨率，觀測譜段17.1～63 nm，光譜分辨率達(dá)2.7 pm，空間分辨率最高可達(dá)3 arcsec。

圖5 Skylab無狹縫光譜成像儀光學(xué)結(jié)構(gòu)Fig. 5 Optical structure of slitless spectrograph onboard Skylab

但太陽極紫外發(fā)射譜線密集，相鄰譜線的圖像容易重疊在一起，造成儀器分辨能力下降，如圖6可見，He 30.4 nm和Fe 28.4 nm兩條譜線的太陽圖像重疊在一起[16]。

圖6 Skylab無狹縫光譜成像儀S082A得到的圖像Fig. 6 Image obtained by slitless spectrometer S082A onboard Skylab

3.2 一維高分辨率無狹縫多譜段成像技術(shù)

2001年以后，俄羅斯Coronas衛(wèi)星上搭載的極紫外光柵光譜儀SPIRIT（見圖7[17]）投入運(yùn)行，利用掠入射方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)全日面的觀測。光路中去掉了限制視場的狹縫，入射太陽光線經(jīng)過反射鏡反射后直接入射到曲面光柵，經(jīng)分光的光線聚焦到曲面膠片上。太陽在像面上的高度覆蓋每個(gè)波長，即在各光譜分辨率下，對(duì)整個(gè)日面成像，合理選擇光譜分辨率和空間分辨率，可以得到所有波長下的日面圖像（見圖8[17]）。

圖7 SPIRIT極紫外光柵光譜儀光學(xué)結(jié)構(gòu)Fig. 7 Optical structure of the SPIRIT EUV grating spectrometer

圖8 SPIRIT得到的全日面光譜圖像Fig. 8 Full-disk image obtained by SPIRIT

這種設(shè)計(jì)可以同時(shí)對(duì)全日面的多條譜線進(jìn)行光譜和時(shí)間的高分辨率成像，但它只能實(shí)現(xiàn)一維方向的高空間分辨率，另一維對(duì)圖像進(jìn)行了壓縮以防止圖像重合，因而不能實(shí)現(xiàn)高空間分辨率。從這樣的圖像中不能得到太陽活動(dòng)的等離子體速度場信息，因而無法獲取太陽爆發(fā)的速度和角度。

3.3 多級(jí)衍射光譜成像技術(shù)原理

2006年美國研制的多級(jí)太陽EUV光譜成像儀（MOSES）（見圖9[18]）隨火箭升空，經(jīng)過不到5 min的飛行，得到27幅圖像，首次發(fā)現(xiàn)過渡區(qū)爆發(fā)現(xiàn)象在30.4 nm波段的響應(yīng)，成功反演了全日面的速度場分布。這種設(shè)計(jì)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)大視場內(nèi)的空間和光譜高分辨率成像，此次火箭觀測到的現(xiàn)象是利用傳統(tǒng)成像儀和狹縫光譜儀都很難發(fā)現(xiàn)的，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種無狹縫成像光譜儀的潛力和可行性（見圖10）[18]。

圖9 多級(jí)太陽極紫外光譜成像儀光路Fig. 9 Optical layout of multi-stage solar EUV spectrometer

圖10 多級(jí)太陽極紫外光譜成像儀圖像Fig. 10 Image obtained by multi-stage solar EUV spectrometer

這次火箭搭載的儀器用作多級(jí)衍射光譜成像思想的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，儀器較笨重，其光學(xué)設(shè)計(jì)不適合空間應(yīng)用。但多級(jí)衍射光譜成像這一設(shè)計(jì)思想能同時(shí)實(shí)現(xiàn)大視場內(nèi)太陽活動(dòng)的空間高分辨率和光譜高分辨率成像，科學(xué)價(jià)值極大，美國和歐洲的一些科學(xué)家正在積極爭取實(shí)現(xiàn)在衛(wèi)星上的應(yīng)用。我國科學(xué)家提出的“夸父計(jì)劃”就包含由英國Harra教授提出的一種在美國MOSES火箭試驗(yàn)基礎(chǔ)上改進(jìn)的空間應(yīng)用方案（見圖11）。面光柵的方式，將儀器體積大大壓縮，適合空間應(yīng)用。該方案擴(kuò)展了美國MOSES的視場，由20 arcmin×10 arcmin增加到25 arcmin×25 arcmin，有望能夠觀測更大范圍的太陽活動(dòng)現(xiàn)象。

圖11 夸父MOSES光路圖Fig. 11 Optical layout of “KuaFu” MOSES

極紫外多級(jí)衍射成像技術(shù)已經(jīng)美國火箭試驗(yàn)驗(yàn)證，是目前可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全日面區(qū)域日冕活動(dòng)形態(tài)、速度高分辨率成像的最佳方案。因?yàn)闃O紫外波段的特殊性，以及儀器面向衛(wèi)星遙感應(yīng)用，不可能像可見光波段或者其他地面設(shè)備一樣實(shí)現(xiàn)很多衍射級(jí)的同時(shí)成像。因此，極紫外多級(jí)成像的實(shí)現(xiàn)只能利用有限級(jí)次圖像，依靠反演獲得光譜信息。該成像儀是借鑒X射線CT機(jī)設(shè)計(jì)思想，在極紫外波段，采用對(duì)全視場多個(gè)衍射級(jí)同時(shí)成像的方式來設(shè)計(jì)，即同一時(shí)間把一定光譜帶寬的信息記錄到一個(gè)二維的圖像上，可以把這個(gè)過程看成是從某一個(gè)角度將數(shù)據(jù)立方體投影到一個(gè)面上；然后再利用反演得到空間分辨圖像和光譜信息。以三級(jí)衍射成像的原理來說明，如圖12所示，CCD記錄的是一個(gè)個(gè)二維的投影信息，通過3個(gè)投影信息反演出原始的三維數(shù)據(jù)。

圖12 多級(jí)衍射光譜成像實(shí)現(xiàn)原理示意圖Fig. 12 Schematic diagram of the multi-order diffraction spectrometer

無狹縫多級(jí)光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)由色散光柵和多個(gè)探測器組成，入射的太陽極紫外輻射經(jīng)光柵色散后由3個(gè)級(jí)次的探測器接收，經(jīng)過色散的圖像由其中2個(gè)探測器接收，未發(fā)生色散的圖像由零級(jí)位置的探測器接收。零級(jí)圖像可以直接獲得高分辨率空間信息，光譜信息可以由3個(gè)級(jí)次圖像的反演獲取。因此，此類多級(jí)光譜成像儀器相當(dāng)于一臺(tái)傳統(tǒng)極紫外成像儀附加了額外的光譜信息。

通過不同角度的二維投影反演原始的三維數(shù)據(jù)，顯然需要經(jīng)過一個(gè)病態(tài)反演的過程[19]。因?yàn)榭臻g信息已經(jīng)可以從0級(jí)圖像中準(zhǔn)確地得到，所以數(shù)據(jù)反演就是為了能夠較為準(zhǔn)確地反演出光譜信息。對(duì)于同一空間區(qū)域，其光譜信息的差異將集中體現(xiàn)在色散方向上，因此，為了便于分析，在數(shù)據(jù)重建時(shí)可以在配準(zhǔn)三個(gè)維度的空間信息后，固定一個(gè)非色散的空間維，取出發(fā)生色散的空間維進(jìn)行反演，這樣就可以把一個(gè)二維反演三維的問題簡化為一個(gè)若干次的一維反演二維的問題。對(duì)一個(gè)二維目標(biāo)的成像過程相當(dāng)于對(duì)這個(gè)二維目標(biāo)在3個(gè)級(jí)次上進(jìn)行了3次不同方向的投影，而數(shù)據(jù)處理的目的就是通過這3個(gè)一維投影反演出二維目標(biāo)[20-21]。

4 技術(shù)發(fā)展與展望

普通的成像儀依靠過濾片和鏡面多層膜結(jié)構(gòu)來過濾入射的極紫外輻射，不能得到高光譜分辨率的譜線信息；而狹縫式極紫外光譜成像儀不能同時(shí)得到太陽活動(dòng)現(xiàn)象的二維空間分布。這大大影響了對(duì)太陽活動(dòng)演化特征的觀測和研究。無狹縫多級(jí)光譜成像儀的光學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)光譜儀的最大不同點(diǎn)是其去除了限制視場的狹縫，使得其能夠同時(shí)得到太陽活動(dòng)現(xiàn)象中等離子體的形態(tài)、強(qiáng)度和速度信息，除可以獲得傳統(tǒng)成像儀的結(jié)果外，還可以獲得新的科學(xué)成果，彌補(bǔ)現(xiàn)有觀測手段的不足，對(duì)推進(jìn)和提升太陽物理研究和空間天氣預(yù)報(bào)的水平有重要意義。

從國際上發(fā)展的3種無狹縫太陽極紫外光譜成像儀器來看，多級(jí)衍射成像方式可以突破現(xiàn)有儀器不能同時(shí)得到全日面太陽活動(dòng)形態(tài)、強(qiáng)度和速度信息的限制，取得較好的預(yù)期成果：

1）得到全日面光譜圖像。可確保不錯(cuò)過太陽爆發(fā)，可觀測多種尺度的爆發(fā)及其伴隨現(xiàn)象，研究太陽活動(dòng)形態(tài)和強(qiáng)度的演化以及各種活動(dòng)現(xiàn)象之間的關(guān)系。

2）得到高光譜分辨率數(shù)據(jù)?？捎糜诜囱萦^測低日冕的等離子體視向速度，獲得全日面的速度分布，與同時(shí)得到的空間分辨圖像結(jié)合，可以識(shí)別太陽活動(dòng)現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，尤其是CME觸發(fā)階段源區(qū)的速度演化。

3）得到高時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)。因?yàn)闆]有狹縫和運(yùn)動(dòng)部件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大視場的太陽活動(dòng)區(qū)域高時(shí)間分辨率成像，有利于捕捉日面活動(dòng)的快速變化。

實(shí)現(xiàn)大視場高空間分辨率和光譜分辨率同時(shí)成像，對(duì)觀測快速變化的太陽活動(dòng)現(xiàn)象有重大意義，對(duì)于加深對(duì)太陽爆發(fā)現(xiàn)象觸發(fā)機(jī)制的理解、建立空間天氣預(yù)報(bào)模型都有重要的科研價(jià)值。同時(shí)，目前國內(nèi)的空間天氣預(yù)警預(yù)報(bào)大多依賴國外SDO等衛(wèi)星的太陽極紫外成像數(shù)據(jù)，不利于我國自主探測技術(shù)的進(jìn)步與科研活動(dòng)的可持續(xù)性發(fā)展。因此空間太陽極紫外無狹縫光譜成像技術(shù)研究對(duì)于我國實(shí)施太陽極紫外觀測，實(shí)現(xiàn)自主監(jiān)測和預(yù)警有重要意義。