新型自準(zhǔn)直外掩式日冕儀

丁悅，張紅鑫，黃玉鵬，王泰升，許文斌

（1 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

太陽(yáng)活動(dòng)以及日地空間環(huán)境是目前空間科學(xué)發(fā)展過(guò)程中一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)常激起太陽(yáng)風(fēng)暴侵?jǐn)_地球空間環(huán)境，給人類的航天、通信、導(dǎo)航定位、電網(wǎng)、物探等帶來(lái)嚴(yán)重危害和巨大損失，造成所謂的空間災(zāi)害性天氣事件，它的強(qiáng)弱影響到地球物理現(xiàn)象及人類活動(dòng)［1-3］。過(guò)去，人們往往把觀測(cè)到的各種日地空間環(huán)境擾動(dòng)，如行星際激波、磁暴和極光等，幾乎全部歸因于太陽(yáng)耀斑［4］。然而，經(jīng)過(guò)近四十年對(duì)日冕物質(zhì)拋射及其相關(guān)現(xiàn)象的觀測(cè)與分析研究，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到日冕物質(zhì)拋射（Coronal Mass Ejections， CMEs）所造成的日地空間環(huán)境擾動(dòng)并不亞于太陽(yáng)耀斑［5］。日冕儀作為觀測(cè)日冕及日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象的重要儀器，被用于研究太陽(yáng)磁場(chǎng)對(duì)地球造成的影響，以及對(duì)影響地球及日地空間的災(zāi)害性空間天氣進(jìn)行預(yù)警。

國(guó)際上很早就開始了關(guān)于日冕儀的研究。1930年，LYOT B 發(fā)明了首個(gè)內(nèi)掩式地基日冕儀［6］。1948年，EVANS J 對(duì)內(nèi)掩式日冕儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出了外掩式日冕儀［7］。1963年，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)射了第一臺(tái)天基日冕儀，并實(shí)現(xiàn)對(duì)日觀測(cè)。之后，隨著航天技術(shù)的進(jìn)步，陸續(xù)發(fā)射了數(shù)顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星的有效載荷均包含日冕儀［8-11］。2020年最新發(fā)射的Solar Orbiter 衛(wèi)星，搭載了METIS日冕儀和Solo HI日球成像儀，分別對(duì)日冕偏振成像和日冕成像［12-13］。近年來(lái)，我國(guó)有了許多日冕儀研制計(jì)劃［14-17］，如“夸父”探測(cè)計(jì)劃，太陽(yáng)極軌射電望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃及子午工程二期計(jì)劃。其中，“夸父一號(hào)”衛(wèi)星已于2022年10月9日發(fā)射升空。

但目前已有的日冕儀本身不具備對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的功能，無(wú)法提供偏移量，需結(jié)合其他平臺(tái)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，本文完成了基于三圓盤外掩式日冕儀的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，日冕儀指向精度達(dá)到0.11′。同時(shí)，日冕儀對(duì)雜散光抑制要求十分嚴(yán)格，本文提出一種新的檢測(cè)方法，用于檢測(cè)日冕儀雜散光抑制水平，并應(yīng)用于三圓盤外掩式日冕儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得了較好的結(jié)果。

1 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)日冕儀的工作原理，在日冕儀工作時(shí)，需利用外掩體遮攔太陽(yáng)直射光。為使外掩體能夠盡可能完全地遮擋住太陽(yáng)直射光，不僅需要外掩體的大小合適，還需要外掩體盡可能地對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。因此，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，利用雙膠合透鏡對(duì)太陽(yáng)成像，用探測(cè)器接收，以此判斷外掩體與太陽(yáng)是否對(duì)準(zhǔn)。

太陽(yáng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)由鏡筒部分和探測(cè)器部分組成，其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該系統(tǒng)入曈直徑為40 mm，焦距為360 mm，視場(chǎng)為2°。鏡筒長(zhǎng)340 mm，前端設(shè)有螺紋調(diào)焦結(jié)構(gòu)，鏡筒后端接探測(cè)器，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2 所示。探測(cè)器有效像素?cái)?shù)為1 920×1 200，像元大小為5.86 μm。將對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)鏡筒固定在日冕儀腔體外側(cè)，使鏡筒前端面與外掩體平面重合，且對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)光軸與日冕儀光軸平行，見圖3。

圖1 太陽(yáng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Optical system structure of solar alignment system

圖2 太陽(yáng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical structure of solar alignment system

圖3 太陽(yáng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)Fig.3 Solar alignment system

對(duì)太陽(yáng)成像時(shí)，在鏡筒前放置10?5衰減片，使太陽(yáng)成像到探測(cè)器靶面，太陽(yáng)像直徑大小約占據(jù)探測(cè)器像元個(gè)數(shù)n=578。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，日冕儀的指向精度在兩個(gè)像素，由式（1）計(jì)算得到日冕儀指向精度為0.11′。經(jīng)過(guò)算法程序識(shí)別探測(cè)器所呈現(xiàn)圓形太陽(yáng)像的圓心坐標(biāo)，依據(jù)圓心坐標(biāo)數(shù)據(jù)判斷是否對(duì)準(zhǔn)。

圖4 為對(duì)準(zhǔn)時(shí)指向精度程序界面圖，太陽(yáng)像圓心坐標(biāo)顯示為（0，0）。圖5 為未對(duì)準(zhǔn)時(shí)指向精度程序界面圖，太陽(yáng)像圓心坐標(biāo)顯示為（15，?15）。其中，向上和向右偏移，坐標(biāo)為正。根據(jù)坐標(biāo)及像元尺寸計(jì)算偏移量。經(jīng)計(jì)算，太陽(yáng)像如圖5 所示時(shí)，日冕儀應(yīng)向下，向右分別移動(dòng)0.825′。

圖4 對(duì)準(zhǔn)時(shí)指向精度程序界面Fig.4 Program interface of pointing accuracy during alignment

圖5 未對(duì)準(zhǔn)時(shí)指向精度程序界面Fig.5 Program interface of pointing accuracy not aligned

由于日冕儀光軸與對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)光軸之間還有一段距離，如圖6 所示，太陽(yáng)中心與兩光軸之間產(chǎn)生一個(gè)角度偏差α。經(jīng)式（2）計(jì)算，該角度為8.426×10?11°，可以忽略不計(jì)。

式中，l是雙膠合鏡筒中心到外掩體中心的距離0.22 m，d是太陽(yáng)中心到外掩體中心的距離1.496×1011m。

2 三圓盤型外掩式日冕儀

本實(shí)驗(yàn)基于三圓盤型外掩式日冕儀，日冕儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示，該日冕儀共由12 片透鏡組成，分為物鏡組，場(chǎng)鏡組和中繼鏡組，F(xiàn)數(shù)為4，焦距為38 mm，視場(chǎng)為±20°。物鏡組是1 片雙膠合透鏡，將進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的日冕光第一次成像到視場(chǎng)光闌處；場(chǎng)鏡組由1 片雙膠合透鏡和5 片單透鏡組成，用來(lái)準(zhǔn)直日冕光；中繼鏡組由5 片單透鏡組成，將準(zhǔn)直后的日冕光成像在像面CCD 上。圖8 為該光學(xué)系統(tǒng)的MTF 曲線，可以看出在37 lp/mm 處，MTF 均大于0.6，滿足日冕儀成像要求。圖9 為光學(xué)系統(tǒng)的彌散斑點(diǎn)列圖，最大彌散斑直徑為12.864 μm 小于探測(cè)器像元尺寸（13.5 μm）。日冕儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)由腔體部分、鏡筒部分、濾光輪以及CCD 相機(jī)構(gòu)成，如圖10 所示。

圖7 日冕儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Optical system structure of coronagraph

圖8 日冕儀傳遞函數(shù)曲線Fig.8 MTF curves of coronagraph

圖9 日冕儀彌散斑點(diǎn)列圖Fig.9 Spot diagrams of coronagraph

圖10 日冕儀機(jī)械機(jī)構(gòu)Fig.10 Mechanical structure of coronagraph

日冕儀視場(chǎng)為±20°。太陽(yáng)半徑R⊙=6.96×108m，日地距離AU=1.496×1011m。

經(jīng)計(jì)算，日冕儀視場(chǎng)為±20°，對(duì)應(yīng)于在1AU 處可觀測(cè)范圍達(dá)到78R⊙。在圖11日冕亮度曲線中可以看出，78R⊙處的日冕亮度約為10?12量級(jí)。故日冕儀雜散光抑制水平需達(dá)到10?13量級(jí)。

圖11 日冕亮度曲線［10-11］Fig.11 Coronal brightness curve［10-11］

日冕儀雜散光分析和抑制十分重要。日冕儀的雜散光主要來(lái)源可分為太陽(yáng)直射光，邊緣衍射雜散光和散射雜散光三種。日冕儀邊緣衍射光又包括外掩體邊緣衍射光、外窗口邊緣衍射光和入射孔徑邊緣衍射光。其中，太陽(yáng)直射光與外掩體邊緣衍射光是對(duì)日冕儀成像質(zhì)量影響較大的兩類雜散光。

太陽(yáng)直射光照射日冕儀時(shí)，一部分直射光被外掩體遮攔，無(wú)法進(jìn)入日冕儀腔體；另一部分進(jìn)入腔體的直射光經(jīng)拒熱鏡聚焦反射出日冕儀系統(tǒng)。其中，拒熱鏡為球面反射鏡，傾斜放置在腔體底部。外掩體邊緣衍射光可以通過(guò)優(yōu)化外掩體形狀來(lái)抑制，外掩體形狀有單圓盤，三圓盤，鋸齒形，花瓣形等，圖12 中給出了前三種外掩體示意圖。其中，鋸齒形外掩體加工難度大，單圓盤外掩體衍射光抑制能力弱。所以本文日冕儀采用三圓盤外掩體，外掩體圓盤之間的關(guān)系為后一個(gè)圓盤位于前一個(gè)圓盤的陰影下，這樣可以對(duì)前一個(gè)圓盤的部分邊緣衍射光進(jìn)行抑制。相比于單圓盤，三圓盤外掩體可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外掩體邊緣衍射光的多級(jí)遮攔，以減小這種衍射光對(duì)日冕成像質(zhì)量的影響。

圖12 外掩體形狀Fig.12 External occulter shape

根據(jù)均勻邊界波衍射理論［18］，經(jīng)數(shù)值計(jì)算可以得出單圓盤與三圓盤在入射孔徑處的衍射光場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比，如圖13 所示。三圓盤型外掩體的邊緣衍射雜散光強(qiáng)度明顯低于單圓盤型。

圖13 單圓盤與三圓盤掩體在入射孔徑處的場(chǎng)強(qiáng)Fig.13 Field intensity at the entrance pupil by single-disk and three-disk occulters

3 檢測(cè)方法

日冕儀檢測(cè)需要暗環(huán)境，且雜散光抑制水平要求很高，需要使用較強(qiáng)的光源進(jìn)行照射。通常采用激光光源照射，但由于激光光源能量較大，經(jīng)日冕儀雜散光抑制結(jié)構(gòu)反射后會(huì)照亮測(cè)試環(huán)境，從而影響日冕儀雜散光的檢測(cè)，如圖14 所示。

圖14 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境光增亮Fig.14 Laboratory ambient light brightening

因此，本文提出黑洞檢測(cè)法，在日冕儀視場(chǎng)內(nèi)放置一黑色箱體，箱體內(nèi)布滿黑色吸光膜，能夠吸收入射到箱體內(nèi)部的光線，如圖15 所示，以此解決測(cè)試環(huán)境被激光光源照亮的問(wèn)題，從而檢測(cè)雜散光抑制水平。其中，使用的黑色吸光膜是以色列ACKTAR 公司生產(chǎn)的Spectral Black?雜散光吸收膜，型號(hào)為SB-20×030-1，吸光膜反射率與波長(zhǎng)關(guān)系如圖16 所示，表1 給出了吸光膜的相關(guān)參數(shù)。在圖16 紅框部分可以看出，可見光范圍內(nèi)吸光膜的反射率很小，對(duì)光的吸收能力強(qiáng)，可以盡可能地減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境光的影響。

表1 吸光膜相關(guān)參數(shù)Table 1 Absorbent film parameters

圖15 黑洞示意圖Fig.15 Schematic diagram of black hole

圖16 吸光膜反射率與波長(zhǎng)關(guān)系Fig.16 Relation between reflectance of absorbent film and wavelength

雜散光檢測(cè)時(shí)應(yīng)使日冕儀視場(chǎng)范圍內(nèi)無(wú)其它光源照射，則進(jìn)入日冕儀像面的光全部為雜散光。日冕儀在工作過(guò)程中的背景是純黑的宇宙背景。在地面空間有限的實(shí)驗(yàn)室中，利用激光光源模擬太陽(yáng)，其發(fā)出的光以及經(jīng)拒熱鏡反射出日冕儀的光會(huì)在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)歷多次吸收、散射，最終到達(dá)相機(jī)表面，從而影響雜散光抑制水平檢測(cè)。而吸光能力強(qiáng)的黑洞可以在一定程度上減少距離有限以及散射光的影響，故黑洞在日冕儀像面位置處的亮度代表的就是日冕儀的雜散光亮度。圖17、圖18 分別給出了在宇宙空間和實(shí)驗(yàn)室中檢測(cè)雜散光的光路示意圖。

圖17 在宇宙空間檢測(cè)光路示意圖Fig.17 Schematic diagram of light paths detected in space

圖18 在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)光路示意圖Fig.18 Schematic diagram of light path detected in the laboratory

該方法降低了對(duì)測(cè)試環(huán)境的要求，簡(jiǎn)化了檢測(cè)流程，同時(shí)能夠獲得較為準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。在超凈間暗室中搭建雜散光檢測(cè)系統(tǒng)，盡可能減小環(huán)境光對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響。利用發(fā)散角為32′的激光光源模擬太陽(yáng)，將激光光源與日冕儀同軸放置，此時(shí)入射孔徑位于外掩體的陰影之下。由于用平行光管擴(kuò)束會(huì)降低光源能量，且用相同激光光源掃描日冕儀整個(gè)視場(chǎng)時(shí)，各處激光均被拒熱鏡反射出腔體，使用兩個(gè)光源與使用多個(gè)光源結(jié)果一致。因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用兩個(gè)完全相同的激光光源，分別照射日冕儀視場(chǎng)中心和邊緣，以此來(lái)模擬太陽(yáng)直射光照射。經(jīng)日冕儀光學(xué)系統(tǒng)成像后，由CCD 相機(jī)接收?qǐng)D像，實(shí)驗(yàn)裝置如圖19 所示。

圖19 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.19 Photos of experimental set-up

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 外掩體邊緣衍射光對(duì)比

在暗室中，利用激光光源照射日冕儀，放置單圓盤外掩體，用CCD 相機(jī)接收?qǐng)D像。保持激光器不動(dòng)，將單圓盤外掩體替換成三圓盤外掩體，保持兩次成像參數(shù)一致，用相同CCD 相機(jī)接收?qǐng)D像，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖20所示。結(jié)果表明：三圓盤外掩體邊緣衍射雜散光低于單圓盤外掩體邊緣衍射雜散光，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。

圖20 單圓盤與三圓盤衍射實(shí)驗(yàn)圖Fig.20 Single-disk and three-disk diffraction experiment

4.2 雜散光檢測(cè)

日冕儀系統(tǒng)雜散光抑制水平的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)由系統(tǒng)雜散光亮度與太陽(yáng)直射光亮度的比值來(lái)表示，所使用的探測(cè)器對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)有良好的線性關(guān)系，因此亮度之比即像面圖像相同位置處的灰度值之比。

首先，用日冕儀拍攝太陽(yáng)直射光圖像，見圖21（a）。將外掩體與內(nèi)掩體拆除，保持激光光源與日冕儀同軸放置。在探測(cè)器前放置衰減倍率K=2.5×10?11衰減片，打開激光光源，使其在探測(cè)器上成像，像的半徑大小約占據(jù)探測(cè)器13 個(gè)像素，即0.176 mm。根據(jù)日冕儀焦距和太陽(yáng)光發(fā)散角求得真實(shí)太陽(yáng)經(jīng)日冕儀成像后的半徑大小，計(jì)算公式為

圖21 總雜散光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)Fig.21 Total stray light detection experiment

式中，r為太陽(yáng)像半徑，f為日冕儀系統(tǒng)焦距，f=38 mm，θ為太陽(yáng)光發(fā)散角一半，θ=16′。經(jīng)式（3）計(jì)算得到太陽(yáng)像半徑為0.179 mm，故此時(shí)激光光源可以等效為太陽(yáng)。在軟件中讀出太陽(yáng)像中多點(diǎn)的灰度值大小并取平均，記為I1=2 507。

利用日冕儀拍攝系統(tǒng)雜散光圖像，見圖21（b）。重新安裝上外掩體和內(nèi)掩體，保持激光光源與日冕儀同軸放置。在日冕儀視場(chǎng)內(nèi)放置黑洞，調(diào)節(jié)相機(jī)位置，對(duì)黑洞清晰成像，日冕儀拍攝黑洞位置。在軟件中讀出其多點(diǎn)的灰度值并取平均，記為I2=71。

根據(jù)日冕儀雜散光評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，日冕儀的雜散光計(jì)算公式為

最后，經(jīng)式（4）計(jì)算，日冕儀的雜散光抑制水平為7.08×10?13，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了太陽(yáng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，并應(yīng)用到三圓盤外掩式日冕儀上進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，日冕儀的指向精度達(dá)到0.11′。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了日冕儀三圓盤外掩體與單圓盤外掩體邊緣衍射雜散光強(qiáng)度對(duì)比，三圓盤外掩體具有更強(qiáng)的衍射光抑制能力。同時(shí)，利用黑洞檢測(cè)法對(duì)日冕儀總雜散光進(jìn)行測(cè)量，獲得較為準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，結(jié)果達(dá)到10?13量級(jí)，符合設(shè)計(jì)要求。