基于太陽輻照校準(zhǔn)地基日冕儀光度的方法研究及初步測試

唐寧， 于曉雨， 劉大洋， 王翔宇， 韓建平， 孫明哲， 劉維新， 夏利東

山東大學(xué)空間科學(xué)研究院山東省光學(xué)天文與日地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東威海 264209

0 引言

日冕是太陽最外層的稀薄大氣，是很多太陽物理現(xiàn)象和爆發(fā)活動的發(fā)生地.日冕觀測是太陽和空間物理領(lǐng)域重要的研究內(nèi)容(Singh et al.，2011；Dolei et al.，2018；Ji et al.，2012).在可見光波段，日冕輻射強(qiáng)度非常低，且受到強(qiáng)的光球輻射光的干擾，需用到特殊設(shè)計(jì)的日冕儀.國內(nèi)外已對日冕儀進(jìn)行了充分研究(Brueckner et al.，1995；Thompson et al.，2004；Koomen et al.，1975；Fineschi et al.，2020)，按遮光結(jié)構(gòu)可分為外掩式和內(nèi)掩式兩類，前者在物鏡前采用外掩式遮光結(jié)構(gòu)，可于空間中探測更大視場范圍內(nèi)更暗弱的日冕；后者采用內(nèi)掩式遮光結(jié)構(gòu)，多用于地面對靠近日面的E冕或K冕進(jìn)行觀測.日冕儀用于科學(xué)觀測前，都要對其進(jìn)行光度校準(zhǔn)，以獲得具有科學(xué)研究價(jià)值的數(shù)據(jù)產(chǎn)品.

空間日冕儀光度校準(zhǔn)分為兩個(gè)部分，發(fā)射前日冕儀的地面光度校準(zhǔn)和飛行中對地面校準(zhǔn)系數(shù)的更新(Dere et al.，2000；Llebaria et al.，2006；Gardès et al.，2013).如LASCO-C3空間日冕儀，在其發(fā)射前美國海軍實(shí)驗(yàn)室(United State Naval Research Laboratory，NRL)利用50 W鎢鹵燈作為模擬光源，通過模擬真空環(huán)境搭建了真空測試系統(tǒng)(Morrill et al.，2006)，對其進(jìn)行了地面光度校準(zhǔn).發(fā)射后，Morrill等(2006)和Thernisien等(2006)對LASCO-C3空間日冕儀的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有效提取視場內(nèi)恒星的亮度，將其與JM(Johnson and Mitchell)方法(Johnson and Mitchell，1975)獲得的參考星標(biāo)準(zhǔn)亮度進(jìn)行最小二乘擬合，得到日冕儀的光度校準(zhǔn)系數(shù)，對地面校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行更新.

與空間日冕儀不同，地基日冕儀觀測不僅受儀器雜散光的影響，天空背景光也會對其產(chǎn)生干擾.要實(shí)現(xiàn)地基日冕儀的準(zhǔn)確觀測，除了要排除儀器雜散光和天空背景光的干擾，對日冕儀光學(xué)和成像探測系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)外，還要對大氣傳輸路徑上的光損失(宋小剛等，2009；鐘山等，2012)進(jìn)行補(bǔ)償.目前對于地基日冕儀的光度校準(zhǔn)，國外相關(guān)研究可查資料較少，國內(nèi)日冕儀研制起步較晚，其光度校準(zhǔn)在國內(nèi)幾乎處于空白狀態(tài).能夠?qū)Υ髿鈧鬏斅窂竭M(jìn)行觀測的太陽光度計(jì)也多用于反演大氣氣溶膠光學(xué)厚度等大氣環(huán)境方面的研究(劉玉杰等，2004；牟福生等，2016；徐夢春等，2014)，無法直接應(yīng)用到日冕儀大氣傳輸路徑的光度補(bǔ)償.

基于以上兩點(diǎn)，根據(jù)地基日冕儀工作原理及大氣傳輸特性，結(jié)合子午工程二期光譜成像日冕儀的科學(xué)目標(biāo)，本文自主研制了太陽輻照計(jì)，于實(shí)驗(yàn)室搭建了光度校準(zhǔn)測試系統(tǒng)對輻照計(jì)和日冕儀進(jìn)行了光度校準(zhǔn).利用校準(zhǔn)后的輻照計(jì)測得的光球輻照度作為日冕光度的參考基準(zhǔn)，對大氣傳輸光損失進(jìn)行補(bǔ)償.建立了數(shù)據(jù)處理流程，并于威海地區(qū)進(jìn)行了測試驗(yàn)證，得到了威海地區(qū)太陽附近散射光相對光球的光度值,確立了地基日冕儀光度校準(zhǔn)方法.

1 地基日冕儀光度校準(zhǔn)原理

1.1 地基日冕儀工作原理

地基日冕儀通過在光學(xué)系統(tǒng)中增加遮光結(jié)構(gòu)，遮擋視場中心的光球光，實(shí)現(xiàn)對1.05～2倍太陽半徑范圍內(nèi)日冕成像.在觀測視場內(nèi)，日冕亮度僅約為光球亮度的10-6(Morgan et al.，1997)，需要對中心遮擋后耦合進(jìn)日冕觀測視場內(nèi)與日冕亮度相當(dāng)?shù)碾s散光進(jìn)行抑制消減，才能實(shí)現(xiàn)對微弱日冕的成像觀測.圖1為地基日冕儀光學(xué)系統(tǒng)二次成像結(jié)構(gòu)示意圖，包括：物鏡組、場鏡組、中繼鏡組和成像探測器.遮光結(jié)構(gòu)的工作方式為：物鏡將太陽光球光會聚到第一成像面由內(nèi)掩體遮擋，物鏡邊緣衍射光經(jīng)場鏡后通過Lyot光闌遮擋，物鏡表面多次反射產(chǎn)生的鬼像由中繼鏡處的Lyot斑進(jìn)行消減.最終，日冕光則經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后到達(dá)第二成像面，由CCD或sCMOS相機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可采集的日冕信號灰度圖像.利用光度校準(zhǔn)系數(shù)對日冕灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可獲得日冕儀窗口日冕輻照度.進(jìn)一步對其大氣傳輸路徑上的日冕光損失進(jìn)行補(bǔ)償，則可得到大氣上界日冕相對光球的亮度，用于科學(xué)研究.

圖1 地基日冕儀雜散光抑制原理Fig.1 Stray light suppression principle of ground-based coronagraph

1.2 日冕儀光度校準(zhǔn)方法

在地基日冕儀的觀測視場中，光信號有三個(gè)來源：待觀測的日冕光，儀器的雜散光，以及天空背景光.其中，日冕因?yàn)榱炼群艿停舛戎迪鄬苄?，在太陽活動低年甚至低于另外兩類，需要采用特殊觀測方式，如地基日冕儀中對E冕通常采用窄帶濾光器進(jìn)行觀測(Tomczyk et al.，2008)，對K冕通常分析光的偏振進(jìn)行觀測(de Wijn et al.，2012)，以提高接收到日冕光信號的信噪比.為準(zhǔn)確測得微弱日冕的亮度值，在排除天空背景光、儀器雜散光的前提下，需要在實(shí)驗(yàn)室中對日冕儀的光學(xué)和成像探測系統(tǒng)進(jìn)行精確測試，即完成日冕儀的光度校準(zhǔn).

根據(jù)圖1，日冕儀入射窗口處的日冕光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后成像在第二成像面探測器上，轉(zhuǎn)換為每個(gè)像素的電信號并采集為灰度值輸出.在這個(gè)過程中，光學(xué)鏡片的吸收、反射、散射等，會造成能量損失；同時(shí)成像探測器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)與探測器類型、探測波長、轉(zhuǎn)換電路等有關(guān).日冕儀光度校準(zhǔn)首先就要確立入射窗口處日冕光輻照度與日冕圖像灰度值的對應(yīng)數(shù)量關(guān)系.光度校準(zhǔn)中的難點(diǎn)在于：日冕儀通過遮擋視場中心對周圍視場范圍內(nèi)的光成像，需要按照日冕光傳輸路徑測試光學(xué)系統(tǒng)的衰減；同時(shí)日冕光很微弱，同樣需要采用微弱的測試光源對成像探測器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行測量.本論文將在暗黑的千級潔凈環(huán)境中，搭建與地基日冕儀原理樣機(jī)工作波長相近的激光測試裝置，對其光學(xué)系統(tǒng)透過率和探測器像面灰度值與入射光強(qiáng)的轉(zhuǎn)換進(jìn)行準(zhǔn)確測量，從而依次確定像面光強(qiáng)、入射窗口輻照度完成儀器的光度校準(zhǔn).

1.3 日冕觀測的光度補(bǔ)償

地基日冕儀接收的日冕光在經(jīng)過大氣傳輸路徑時(shí)不可避免受到吸收和散射的影響，使得不同觀測時(shí)刻獲得的日冕圖像表觀光度值發(fā)生變化.大氣傳輸對日冕光度的衰減作用可以通過光學(xué)厚度的改變進(jìn)行衡量，即如圖2所示，一天內(nèi)隨著日冕光在大氣中經(jīng)過的實(shí)際路徑不同，光學(xué)厚度發(fā)生變化，對日冕光的衰減也不同.為了使地基日冕儀的觀測數(shù)據(jù)具有可比性，一個(gè)可行的方法是將日冕觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，通過對大氣傳輸路徑中的光能損失進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，將觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為大氣上界處的日冕光度值，即實(shí)現(xiàn)光度補(bǔ)償.

圖2 大氣光學(xué)厚度隨時(shí)刻變化對日冕觀測影響的示意圖Fig.2 A sketch map of the influence of atmospheric optical thickness varying with time on coronal observation

根據(jù)圖2所示的日冕光傳輸路徑，大氣上界日冕光穿過大氣到達(dá)地基日冕儀的過程中，大氣氣溶膠、大氣分子等的吸收、散射作用會引起光損失，且在天氣晴朗和高海拔觀測的條件下(地基日冕儀運(yùn)行所需的工作環(huán)境)，損失光隨著太陽高度角呈有規(guī)律變化(宋多魁和陳德信，1993；Kasten and Young，1989).由于日冕光微弱易受天空強(qiáng)背景光的干擾，且處于隨時(shí)間變化狀態(tài)中，無法用于光度補(bǔ)償.但同時(shí)，太陽光球亮度大且發(fā)光穩(wěn)定，其隨大氣光學(xué)厚度的光度變化可以作為日冕觀測歸一化數(shù)據(jù)的參考基準(zhǔn).

結(jié)合本論文后面對地基日冕儀的實(shí)地觀測，根據(jù)Beer-Bouguer-Lamert定律(Abitan et al.，2008)，光在混濁介質(zhì)中傳播時(shí)光譜輻射亮度按光學(xué)厚度的指數(shù)關(guān)系遞減，我們計(jì)算分析了威海地區(qū)(經(jīng)緯度：122.05°E，37.53°N)一天中太陽光球輻射在530 nm波長(帶寬10 nm)下的輻照度變化，如圖3所示，其中不同氣溶膠波長指數(shù)α下地面接收的輻照度變化明顯.可以看出，太陽高度角越大，大氣傳輸路徑越短，光學(xué)厚度越小，光球光和日冕光損失的能量也越少.因此，在一天觀測中，地面接收的光球輻照度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，同樣日冕光的損失也是先減小后增大的趨勢.對于這種光輻照度的實(shí)時(shí)變化，日冕儀由于無法同時(shí)對光球成像或進(jìn)行亮度探測，需要利用與日冕儀觀測波長一致的太陽輻照計(jì)同步監(jiān)測日冕儀運(yùn)行處的太陽日面輻照度，用于大氣傳輸路徑上的日冕光度補(bǔ)償.

圖3 2020年9月30日威海地區(qū)地面接收太陽光球輻照度Fig.3 Solar irradiance received on ground in Weihai on September 30, 2020

相同時(shí)刻，波長一致的日冕光與光球光經(jīng)相同大氣傳輸路徑分別到達(dá)日冕儀和輻照計(jì)的入射窗口，大氣傳輸引起各自的光能量損耗系數(shù)δc(λ,t)與δs(λ,t)相等，設(shè)大氣上界日冕光輻照度為Ic(λ,t)，光球光輻照度為Is(λ,t)，地面測得的日冕光輻照度為Ic0(λ,t)，光球光輻照度為Is0(λ,t)，在不考慮實(shí)際接收的日冕光和光球光疊加大氣散射光的前提下，二者的比值滿足關(guān)系式：

(1)

即大氣上界日冕光與光球光的輻照度比等于地面接收的日冕光與光球光的輻照度比.通過太陽輻照計(jì)精確測得地面探測的光球光輻照度值，結(jié)合式(1)的比例關(guān)系，即可將地基日冕儀觀測到的日冕光轉(zhuǎn)換為大氣上界的值，實(shí)現(xiàn)光度補(bǔ)償.該方法可避開對大氣傳輸?shù)膹?fù)雜計(jì)算，通過對微弱日冕光信號的歸一化處理，即可獲得更準(zhǔn)確的科學(xué)數(shù)據(jù)，用于對太陽附近E冕或K冕亮度的反演分析.

2 日冕儀光度校準(zhǔn)與太陽輻照計(jì)

2.1 日冕儀光度校準(zhǔn)

在實(shí)驗(yàn)室測試階段，對地基日冕儀進(jìn)行光度校準(zhǔn)主要包括光學(xué)系統(tǒng)衰減、濾光片透射、成像探測器光電轉(zhuǎn)換和灰度賦值，校準(zhǔn)過程如圖4所示.

圖4 日冕儀光度校準(zhǔn)過程框圖Fig.4 A sketch map of photometric calibration of coronagraph

搭建日冕儀光度校準(zhǔn)裝置，采用與日冕儀工作波長530.3 nm接近的激光和氙燈兩種測試光源，通過可調(diào)衰減片改變?nèi)肷涞饺彰醿x的光強(qiáng)I0，由溯源到NIST基準(zhǔn)的光功率計(jì)(型號：S130C)測得光強(qiáng)值.日冕儀對微弱光成像，同樣的調(diào)整校準(zhǔn)光源的光強(qiáng)較低，以到達(dá)日冕儀期望強(qiáng)度.同時(shí)，測試光束以沿日冕儀環(huán)形視場接近中間區(qū)域入射，繞過內(nèi)掩體，從光學(xué)系統(tǒng)出射后由光功率計(jì)記錄光強(qiáng)大小I1.對光學(xué)系統(tǒng)的輸入輸出光強(qiáng)值進(jìn)行線性擬合，確定工作波長下的透過率τ1為82.49%(如圖5a所示).同時(shí)，通過光學(xué)鏡片材料和加工參數(shù)，也可以對衰減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算.本論文測試的日冕儀光學(xué)系統(tǒng)的透鏡材料為H-ZK9B和H-ZF6，根據(jù)鍍膜等設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算可得光學(xué)系統(tǒng)總的透射比為88.3135%.與測試結(jié)果相比基本一致.光學(xué)系統(tǒng)輸出光從濾光片出射，入射到地基日冕儀樣機(jī)所用的sCMOS探測器(AndorZyla)上，光強(qiáng)為I2.干涉濾光片的帶寬約0.2 nm，按高斯分布，計(jì)算總的透過率τ2為55.665%.成像探測器的光電轉(zhuǎn)換關(guān)系則如圖5b所示.

圖5 (a) 光學(xué)系統(tǒng)傳輸系數(shù)； (b) sCMOS成像探測器光電轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.5 (a) Transmission coefficient of optical system; (b) Photoelectric coversion relationship of sCMOS imaging detector

對于寬譜的氙燈光源，不同于激光是相干光源，需要根據(jù)測試光束計(jì)算窗口處和像面處的光強(qiáng)度.基于勻化和準(zhǔn)直后的陶瓷氙燈光斑不均勻性小于3%，入射功率和出射功率可分別由

求得.其中，δλ為工作波長在氙燈光源譜分布中的占比，s1為日冕儀探測的光源面積，s0為測量光功率計(jì)探頭面積，I′為測得的入射功率值，s2為通過光學(xué)系統(tǒng)后的成像光斑面積，I′1為測得的出射功率.由于探測弱信號，成像探測器曝光時(shí)間較長，不可避免會加入暗電流噪聲.為了提高測量精度，獲取測試光斑圖像之前，先進(jìn)行暗場拍攝.測試光斑圖像減掉暗場后，累加單位曝光時(shí)間內(nèi)測試光斑圖像各像素灰度值之和G(單位：DN)，對不同入射光強(qiáng)度下的灰度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定探測器處光強(qiáng)I2(單位：nW)與灰度(量值：×10-9)賦值滿足線性關(guān)系：

I2=gcG=0.78978×G.

(2)

由此確定成像探測器接收光強(qiáng)到灰度值的轉(zhuǎn)換系數(shù)gc為0.78978 nW/DN.

圖6中給出了對地基日冕儀進(jìn)行光度校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)裝置，其中測試環(huán)境為千級潔凈室，周圍墻壁為啞光黑彩鋼板，避免環(huán)境光的干擾.根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)透過率、濾光片透過率、成像探測器光電轉(zhuǎn)換測試結(jié)果及日冕儀通光面積φ可求得地基日冕儀單位曝光時(shí)間總的圖像灰度值(×10-9)與入射輻照度(單位：nW·m-2)的轉(zhuǎn)換關(guān)系.日冕儀物鏡口徑70 mm, 與其為共軛成像關(guān)系，對其衍射光進(jìn)行1.129倍過遮攔的Lyot光闌為系統(tǒng)的孔徑光闌，通光口徑為62 mm.由此，可求得轉(zhuǎn)換關(guān)系校準(zhǔn)滿足：

圖6 地基日冕儀光度校準(zhǔn)測試系統(tǒng)Fig.6 Photometric calibration experimental system of ground-based coronagraph

(3)

Ic0=goG=569.7×G,

(4)

則入射窗口輻照度到圖像總灰度值的轉(zhuǎn)換系數(shù)go為569.7 nW/(m2·DN).根據(jù)上式(4)，由探測圖像可以得到地基日冕儀在入射窗口處的輻照度.由于上述校準(zhǔn)中采用能量弱的測試光源按特定角度入射，引起的儀器雜散光可以忽略，且不存在天空背景光干擾，因此即實(shí)現(xiàn)了日冕儀的光度校準(zhǔn).考慮到測試過程中激光器0.5 h內(nèi)的功率穩(wěn)定性約為0.5%，所采用S130C型光功率計(jì)(靈敏度1 nW)經(jīng)穩(wěn)頻激光器(REO R-32734)測試穩(wěn)定性為0.2%，則確定日冕儀光度校準(zhǔn)總的相對測量不確定度為0.54%.

2.2 太陽輻照計(jì)設(shè)計(jì)及測試

根據(jù)1.3節(jié)，設(shè)計(jì)了太陽輻照計(jì)，配合日冕儀實(shí)時(shí)監(jiān)測大氣光學(xué)厚度變化，如圖7所示.考慮觀測地區(qū)緯度下的太陽輻照度，結(jié)合光學(xué)元件參數(shù)和探測器的動態(tài)范圍，對輻照計(jì)的入射孔徑和探測視場進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).圖8給出了太陽輻照計(jì)不同通光口徑下，威海地區(qū)一天中不同時(shí)刻所能夠接收的輻射通量估算結(jié)果.根據(jù)該結(jié)果，綜合光學(xué)元件選型，確定入射口徑φ為25.4 mm，光通量在4×10-3～8×10-3W范圍內(nèi).

圖7 太陽輻照計(jì)的光機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.7 Optical mechanical structure of solar irradiatometer

圖8 太陽輻照計(jì)不同通光口徑下的輻射通量分析Fig.8 Analysis of radiation flux of solar irradiatometer with different aperture

光電探測器是輻照計(jì)的核心部件，選用不同的光電探測器，分別研制成對應(yīng)的A和B輻照計(jì)進(jìn)行對比測試，表1為輻照計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù).

表1 輻照計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Detailed design parameters of irradiatometer

為準(zhǔn)確獲取太陽光球輻照度數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)中對兩種輻照計(jì)進(jìn)行定標(biāo)測試.測試中用波長接近日冕儀工作波長的532 nm激光作為光源，通過分光棱鏡分為監(jiān)測光束和測試光束兩路，如圖9所示.其中，監(jiān)測光束由積分球光電探測器接收，監(jiān)測光源的的穩(wěn)定性；測試光束經(jīng)反射鏡、可調(diào)和固定衰減片后，入射到太陽輻照計(jì).分別由光功率計(jì)和待校準(zhǔn)光電二極管接收輻照計(jì)后端光信號，結(jié)果如圖10所示.SM05PD1A型光電二極管光電轉(zhuǎn)換系數(shù)滿足：

圖9 太陽輻照計(jì)定標(biāo)系統(tǒng)Fig.9 The calibration system of solar irradiatometer

圖10 SM05PD1A型光電二極管的轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.10 Conversion relationship of SM05PD1A photodiode

Is1=9.4392×10-4×U，

其中，Is1為探測器接收光強(qiáng)按入射窗通光孔徑面積歸一化后得到的等效輻照度(單位：W·m-2)，U為光電二極管輸出電壓(單位：V).從測試結(jié)果中看出，在輸出電壓為4～12 V區(qū)間內(nèi)線性度較高，可以選為輻照計(jì)的工作電壓范圍.

對輻照計(jì)光學(xué)元件進(jìn)行測試.在光學(xué)系統(tǒng)僅放入透鏡或衰減片的情況下，多次測量前后端的光強(qiáng)值，得到透鏡透過率及衰減片衰減倍數(shù).對濾光片的光譜透射曲線用分光光度計(jì)掃描，如圖11所示，符合高斯分布，積分透過率按陰影區(qū)所示進(jìn)行計(jì)算.各元件參數(shù)測試值如表1所示.

圖11 輻照計(jì)A用濾光片透射率隨波長變化Fig.11 The variation of filter transmittance of irradiatometer A with wavelength

進(jìn)一步可以得到太陽輻照計(jì)入射孔徑處的輻照度Is0與光電二極管輸出電壓U滿足

Is0=gpU=0.8901×U,

(5)

其中，gp為太陽輻照計(jì)等效的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位為W/(m2·V).在太陽輻照計(jì)的光電轉(zhuǎn)換測試中，誤差來源包括測試光源穩(wěn)定度、透鏡和濾光片透過率、衰減片衰減倍數(shù)以及探測器光電轉(zhuǎn)換和電壓測量等.其中光學(xué)元件透過率測量和探測器光電轉(zhuǎn)換測試受限于光源穩(wěn)定度、光功率計(jì)和測量電壓的萬用表等電學(xué)設(shè)備的精度.如前所述，測試用激光功率穩(wěn)定性為0.5%，輻照計(jì)A測量電壓用數(shù)字萬用表(Agilent, 34461A型號，六位半精度)的不確定度為0.0035%，輻照計(jì)B用的S142C光功率計(jì)的測量重復(fù)性為0.2%，S130C光功率計(jì)的測量重復(fù)性為0.2%，綜合考慮，確定兩太陽輻照計(jì)總的相對不確定度為0.54%，滿足地基日冕儀光度校準(zhǔn)要求.

3 地基日冕儀光度補(bǔ)償與威海地區(qū)測試

3.1 太陽輻照計(jì)的觀測比對

為驗(yàn)證輻照計(jì)對太陽光球的實(shí)際觀測效果，將實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)完成的輻照計(jì)A和輻照計(jì)B，以及商用的太陽直接輻射儀于山東威海(經(jīng)緯度： 122.05°E， 37.53°N)山大校區(qū)內(nèi)進(jìn)行聯(lián)合觀測.圖12是太陽輻照計(jì)A與太陽直接輻射儀于2020年11月11日(天氣晴朗)的觀測結(jié)果.由于各自觀測波段不同，記錄的輻照度值相差兩個(gè)數(shù)量級，但觀測到太陽輻照的變化趨勢基本一致.相同地點(diǎn)，我們將中心波長530 nm的輻照計(jì)A與輻照計(jì)B搭載在赤道儀上同時(shí)對太陽光球進(jìn)行觀測，對兩輻照計(jì)的觀測精度進(jìn)行檢驗(yàn).

圖12 太陽輻照計(jì)A與太陽直接輻射儀觀測結(jié)果比較Fig.12 Comparison of observation results between irradiatometer A and direct radiometer

圖13a為太陽輻照計(jì)A和B于2021年10月27日觀測到的歸一到2 nm帶寬的地面輻照度變化曲線，其中矩形區(qū)域所在時(shí)間段(13∶19∶44—13∶26∶15)調(diào)節(jié)了赤道儀，沒有觀測數(shù)據(jù).其他觀測時(shí)刻兩輻照計(jì)測量結(jié)果符合得很好，相對偏差隨時(shí)間變化如圖13b所示.其中15∶00點(diǎn)之后對應(yīng)時(shí)刻的相對偏差相比之前波動較大，是因?yàn)?5∶00點(diǎn)之后地面觀測的光球亮度相對較低，相對偏差隨之增大.相對偏差的漂移則可能由兩個(gè)方面引起：一方面是在兩輻照計(jì)安裝對準(zhǔn)精度和赤道儀跟蹤精度的雙重影響下，赤道儀跟蹤過程中兩個(gè)輻照計(jì)對準(zhǔn)精度發(fā)生變化，出現(xiàn)一個(gè)輻照計(jì)對準(zhǔn)精度相對另一個(gè)更高或更低的情況，導(dǎo)致相對偏差增大或減小.另一方面，觀測過程中兩輻照計(jì)的光電探測器隨著觀測環(huán)境條件如溫度等的改變也會導(dǎo)致相對偏差發(fā)生變化.最終，兩輻照計(jì)相對偏差不超過0.5%，說明定標(biāo)后的太陽輻照計(jì)觀測數(shù)據(jù)可靠，可用于地基日冕儀的光度補(bǔ)償.

圖13 (a) 太陽輻照計(jì)A與輻照計(jì)B觀測結(jié)果比較；(b) 太陽輻照計(jì)A與輻照計(jì)B觀測結(jié)果相對偏差Fig.13 (a) Comparison of observation results between irradiatometer A and B; (b) Relative deviation of observation results between irradiatometer A and B

上述三臺儀器進(jìn)行多次、連續(xù)觀測，數(shù)據(jù)結(jié)果的相互一致性很好，記錄太陽輻照度在一天內(nèi)的變化趨勢與圖3所示的計(jì)算結(jié)果一致，說明標(biāo)定后的太陽輻照計(jì)觀測數(shù)據(jù)可靠，可用于地基日冕儀的光度補(bǔ)償.

3.2 地基日冕儀威海地區(qū)測試實(shí)驗(yàn)

將地基日冕儀原理樣機(jī)與太陽輻照計(jì)A搭載在同一赤道儀上，調(diào)整二者光軸平行進(jìn)行聯(lián)合觀測，如圖14a所示，日冕儀觀測到的光球周圍視場內(nèi)圖像灰度圖如圖14b.對圖14b所示的灰度圖像進(jìn)行減暗場處理，取像面像素灰度值之和作為該時(shí)刻入射至日冕儀像面處的光對應(yīng)的曝光時(shí)間下的灰度數(shù)值.將該灰度值歸一到單位曝光時(shí)間，作為該時(shí)刻的單位曝光時(shí)間灰度值G.利用各個(gè)觀測時(shí)刻日冕儀測得的G和輻照計(jì)B測得的功率值，根據(jù)式(4)及輻照計(jì)B的通光口徑計(jì)算得到的兩儀器窗口處輻照度，如圖15所示.其中，局部快速變化的輻照度值是受到天空中偶發(fā)云的影響.同時(shí)，由于測試地區(qū)海拔低，大氣散射引起的天空背景光已大于微弱的日冕光信號，因此圖14b中日冕儀觀測的圖像中主要是光球附近的大氣散射光(孫明哲等，2017；劉念平等，2011).由于大氣散射隨光學(xué)厚度的增大而增大，而能夠穿過大氣到達(dá)地面的光球輻照度隨光學(xué)厚度的增大而減小，因此如圖15所示，兩儀器的觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)相反變化趨勢.其中，由日冕儀圖像得到的天空背景光強(qiáng)度與輻照計(jì)記錄的光球輻照值相比約為10-3，而日冕光在1.1倍太陽半徑處其亮度已下降為光球光亮度的10-6，也間接證明此時(shí)日冕儀觀測的信號中散射光占主導(dǎo).

圖14 (a) 日冕儀與太陽輻照計(jì)聯(lián)合觀測；(b) 日冕儀拍攝圖像Fig.14 (a) Combined observation of coronagraph and irradiatometer; (b) A image taken by coronagraph

圖15 日冕儀與輻照計(jì)B接收地面輻照度隨時(shí)刻變化曲線Fig.15 Variation of ground irradiance received by coronagraph and irradiatometer B with local time

通過實(shí)地觀測測試，雖沒有直接獲得日冕圖像，但可以依據(jù)數(shù)據(jù)處理流程，進(jìn)一步將觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理.將拍攝的圖像數(shù)據(jù)通過光度校準(zhǔn)后，與同時(shí)觀測的太陽輻照計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)前述式(1)可得

(6)

據(jù)此可以得到日冕儀觀測數(shù)據(jù)相對光球的亮度，如圖16所示.但是由于實(shí)測數(shù)據(jù)為威海地區(qū)散射光，圖16給出的主要是通過該方法獲得的威海地區(qū)散射光相對光球輻照度量級，為10-3.當(dāng)日冕儀運(yùn)行于潔凈度高的環(huán)境中，提取得到日冕信號后，利用該方法及數(shù)據(jù)處理流程對日冕數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，式(6)則為日冕相對光球的亮度值.考慮太陽光輻射到達(dá)地球大氣上界的輻照度非常穩(wěn)定，為已知值，以此為補(bǔ)償系數(shù)，則可得到大氣上界日冕亮度.

圖16 日冕儀光度校準(zhǔn)和補(bǔ)償后得到的相對輻照度值Fig.16 Relative irradiance value obtained after photometric calibration and compensation of coronagraph

4 總結(jié)與展望

本文利用530.3 nm譜線的地基日冕儀原理樣機(jī)與自主研制的太陽輻照計(jì)進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)測，得到了日冕儀觀測數(shù)據(jù)相對太陽光球亮度的光度值.觀測結(jié)果與威海地區(qū)的大氣散射光情況相符，驗(yàn)證了地基日冕儀光度校準(zhǔn)方法的準(zhǔn)確性，由此完成了日冕儀和太陽輻照計(jì)觀測數(shù)據(jù)的處理流程.不足的是，受地理位置和海拔高度所限，目前的研究還無法觀測到微弱的日冕信號，只得到了天空散射光的光度補(bǔ)償系數(shù).將太陽輻照計(jì)配合在研的中心波長637.4 nm的光譜成像日冕儀，安裝到麗江觀測站后，將可給出日冕觀測的光度補(bǔ)償系數(shù)，應(yīng)用于該地基日冕儀的高質(zhì)量科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)出.