一种基于可调谐滤光器成像观测的太阳大气视向速度场测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可调谐滤光器成像观测的太阳大气视向速度场测量方法，该方法主要针对太阳大气非速度因素引起的谱线局部强度变化对速度场测量的影响，在进行谱线线心计算时考虑了偏带发射或吸收特征以及偶然误差等因素对谱线轮廓特别是对称性的影响，使用判据对存在发射或者吸收特征的偏带点进行筛选和修正，能够有效剔除太阳大气局部谱线发射或吸收现象对传统质心算法的影响，从而获得更加准确得到谱线偏移量测量结果。本发明专利技术在传统的可调谐滤光器和质心算法的基础上，有效去除了太阳大气局部谱线发射、吸收现象对测量结果的影响，使得速度场测量更加准确可靠。本发明专利技术算法简单，不增加原有测量系统复杂性，实用性与创新性明显。

Measurement method of solar and atmospheric apparent velocity field based on tunable filter imaging observation

The invention discloses a method for measuring the apparent velocity field of the solar atmosphere based on the imaging observation of a tunable filter. The method mainly aims at the influence of the local intensity variation of the spectral line caused by the non-velocity factor of the solar atmosphere on the velocity field measurement, and takes into account the emission or absorption characteristics of the offset band and accidental errors in the calculation of the spectral line center. The influence of some factors such as the difference on the spectral line profile, especially the symmetry, can be effectively eliminated by screening and correcting the offset points with emission or absorption characteristics by using the criterion. Thus, the measurement results of spectral line offset can be obtained more accurately. On the basis of the traditional tunable filter and the centroid algorithm, the invention effectively removes the influence of the emission and absorption phenomena of the local spectral lines of the solar atmosphere on the measurement results, and makes the velocity field measurement more accurate and reliable. The algorithm is simple and does not increase the complexity of the original measurement system, and is practical and innovative.

【技术实现步骤摘要】
一种基于可调谐滤光器成像观测的太阳大气视向速度场测量方法
本专利技术属于太阳成像观测
，具体涉及太阳大气多偏带成像观测、太阳大气物质运动多普勒效应分析，是一种通过太阳大气特征谱线波段的可调谐滤光器多偏带成像观测装置，利用多普勒效应反演色球层物质视向运动速度的方法。
技术介绍
太阳风暴将引发灾害性的空间天气事件，而太阳活动则是太阳风暴的源头。密切监测太阳活动、对剧烈太阳活动进行有效预报是减少太阳活动造成的损失的主要途径，而对太阳活动的监测与预报都有赖于多维度、长时间、高分辨、高精度的太阳观测。太阳的主要活动大多会在太阳大气层引起相应现象、造成太阳大气物质产生剧烈运动，对太阳大气物质运动形态进行观测可以监测太阳活动、并为太阳活动预报提供物理理论研究数据和新的活动预报因子，是太阳观测的重要内容之一，对太阳活动预报及空间天气预报具有重要意义。另外，太阳是距离地球最近的一颗恒星，研究太阳是我们深入了解宇宙等离子体的运动、辐射、演化，以及诸如高能粒子加速、核反应等重要过程的重要途径，色球层物质运动的研究为理论研究提供了重要依据。测量物质的视向运动主要应用多普勒效应。观测者接收到的物体辐射波长会因为波源和观测者的相对运动而产生变化，物体朝向观测者运动时，波被压缩，波长变短，频率变高，反之亦然。所以通过物体频率的变化亦即波长的变化可反演出物体的运动速度。通过测量太阳大气典型辐射谱线线心的偏移可以反演得到太阳大气物质相对于观测者的视向运动速度。目前，能够获得太阳大气物质视向运动速度的设备主要有：西班牙特内里费岛的色球望远镜(ChroTel)、日本Hida天文台的太阳动力学多普勒成像仪(SDDI)以及中国科学院武汉物理及数学研究所的双通道原子滤光全日面太阳成像仪。Chrotel利用HeI10830波段lyot滤光器范围内的5个波长位置非等波长间距偏带成像观测数据，通过直接计算光强曲线质心对应的波长偏移量，以这个偏移量作为光谱轮廓偏移后的线心位置，来反演多普勒视向速度。滤光器带宽为带宽大于HeI的谱线宽度，红蓝两翼四个偏带位置也偏离谱线中心较远，偏带范围内还有其它吸收线，这些都使得该设备对较低的多普勒视向速度响应不灵敏且测量结果有较大误差。而且太阳活动区域的色球层谱线会产生谱线的发射和吸收等谱线变化，引起5个偏带观测光强的不对称性，这样的不对称性会对计算的多普勒偏移有所贡献，用直接的质心计算方法获得多普勒速度时会引入较大误差，导致该方法对活动区速度测量准确度降低。SDDI利用Hɑ波段lyot滤光器范围内73个波长位置的等间距偏带成像来观测耀斑和暗条爆发时的动力学过程，滤光器带宽为小于Hɑ谱线宽度，偏带间隔小，光谱覆盖范围宽，主要用于高速的爆发性太阳活动的动力学观测。但SDDI目前只能通过几个选定的偏带观测结果对比分析及光强差分图，是一种用对称偏带位置的光强不对称性来定性获得爆发物质相对运动速度的方法，没有进行定量的计算和分析，得到的太阳物质视向运动速度较为粗略。双通道原子滤光全日面太阳成像仪同样利用Na谱线对称红蓝翼偏带观测的光强不对称性来反演全日面多普勒运动速度，该方法受限制于原子滤光器透过率低、Na谱线窄的局限，以及较大的系统误差，仅能实现全日面自转运动的定性观测，无法获得较准确的表面物质运动信息。总之，现有的速度场测量方法在利用多偏带扫描观测采样获区轮廓进行速度场反演时，没有考虑活动区谱线偏带的发射或吸收造成的谱线变化对线心偏移计算及速度计算结果的影响，速度反演结果误差较大。
技术实现思路
鉴于以上背景，本专利技术的主要目的是提供一种太阳大气物质视向运动形态观测的方法，利用多通道成像系统中可调谐滤光器成像装置对目标区域进行太阳大气特征谱线内的多偏带成像观测，通过根据谱线特征对发射和吸收特征进行筛选和剔除的优化的质心计算方法来准确反演太阳大气目标区域的二维视向运动速度场。本专利技术采用如下技术方案：一种基于可调谐滤光器成像观测的太阳大气视向速度场测量方法，该方法包括如下步骤：(1)对可调谐滤光器透过率特征进行定标，获得多个偏带位置的仪器修正系数；(2)在望远镜后端高阶共轭太阳自适应光学系统之后加入多通道成像系统，使用其中可调谐滤光器成像通道进行观测，选取日面中心附近活动区为观测目标，在选取的太阳大气特征谱线扫描光谱范围内选取合适位置、合适数量的偏带，对目标进行多偏带观测，用CCD对成像数据进行采集，每个偏带采集多帧原始数据，用于降低随机误差；(3)完成数据采集后，对多偏带的多帧观测结果作多帧平均处理，并进行平、暗场预处理；(4)选取处理后多偏带观测结果中较宁静的区域，在该区域内分别对各个偏带观测图像计算观测光强的平均值，以偏带波长相对于中心波长的波长偏移量为x轴、以平均光强为y轴获得多偏带扫描的近似光谱轮廓线即光强曲线，将观测所得光强曲线以能量为归一化标准，将观测光强曲线归一化到所选取的太阳大气标准谱线的光强范围，计算归一化系数，并与标准谱线进行比较，验证观测的准确性；用计算所得归一化系数r去乘多偏带成像观测结果，得到光强值范围修正后的成像观测结果；(5)对修正后二维成像图像中每个点绘制光强曲线，选取合适的判据，找到多偏带观测光强曲线中由于活动区谱线在偏带的发射或吸收的跳跃点，剔除这类间断点，并在间断点对应波长处插入新值，得到修正后的谱线；(6)计算修正后所得光强曲线的质心对应的波长坐标即质心x轴坐标，利用多普勒效应得到的波长偏移量与速度的换算关系，计算得到多普勒速度。其中，使用了透过中心波长可调谐的滤光器成像装置，这类可调谐滤光器可以在一定光谱范围内进行光谱扫描成像观测，获得光谱范围内多个位置的二维观测数据。其中，可调谐滤光器最大调谐步长为观测谱线线宽的1/2，保证在谱线吸收峰内至少采集三个偏带观测数据，通过改变调谐步长和偏带采集数量可以平衡时间分辨率、低速测量误差、速度动态范围之间对偏带观测需求的矛盾。其中，可调谐滤光器工作的光谱范围至少为观测谱线中心波长左右各一个谱线宽度，宁静区观测时可以采集到较完整的谱线轮廓数据。其中，采用判据来确定观测谱线由于偏带发射、吸收或者较大偶然误差造成的不平滑位置，其中Ik-1、Ik+1分别是与Ik相邻的前一个偏带位置和后一个偏带位置对应的光强值，该判据可以找到谱线凸起或者凹陷的位置。其中，对找到的观测谱线不平滑的位置进行插值修正，尽可能保证观测谱线轮廓接近平滑的宁静区轮廓，使通过质心计算出的波长偏移量是由多普勒效应引起的频移量。本专利技术所提供的太阳大气视向运动速度测量方法有如下优点：本专利技术太阳大气视向运动速度测量方法使用可调谐滤光器进行多偏带观测，相较于二维光谱扫描成像观测，可以在进行二维高分辨成像观测的同时，通过滤光器的调谐对谱线进行步长可调节的光谱扫描观测，既保证了较好光谱分辨力也提高了成像观测速度和时间、空间分辨率。光强归一化时，以整个扫描波段的能量为标准进行归一化，降低了背景光强的影响，考虑了全部数据所包含的光强信息，避免了单一偏带观测随机误差对整体谱线归一化的影响。相较于其他的速度场计算方法，本专利技术在反演速度场结果时考虑到了观测区域谱线偏带位置可能存在的由太阳活动引起的谱线发射、吸收等特性以及较大偶然误差等因素引起的谱线变化，这些特性及变化会影响多普勒偏移计算的结果，针本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于可调谐滤光器成像观测的太阳大气视向速度场测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)对可调谐滤光器透过率特征进行定标，获得多偏带位置的仪器修正系数；(2)在望远镜后端高阶共轭太阳自适应光学系统之后加入多通道成像系统，使用其中可调谐滤光器成像通道进行观测，选取日面中心附近活动区为观测目标，在选取的太阳大气特征谱线扫描光谱范围内选取合适位置、合适数量的偏带，对目标进行多偏带观测，用CCD对成像数据进行采集，每个偏带采集多帧原始数据，用于降低随机误差；(3)完成数据采集后，对多偏带的多帧观测结果作多帧平均处理，并进行平、暗场预处理；(4)选取处理后多偏带观测结果中较宁静的区域，在该区域内分别对各个偏带观测图像计算观测光强的平均值，以偏带波长相对于中心波长的波长偏移量为x轴、以平均光强为y轴获得多偏带扫描的近似光谱轮廓线即光强曲线，将观测所得光强曲线以能量为归一化标准，将观测光强曲线归一化到所选取的太阳大气标准谱线的光强范围，计算归一化系数，并与标准谱线进行比较，验证观测的准确性；用计算所得归一化系数r去乘多偏带成像观测结果，得到光强值范围修正后的成像观测结果；(5)对修正后二维成像图像中每个点绘制光强曲线，选取合适的判据，找到多偏带观测光强曲线中由于活动区谱线在偏带的发射或吸收的跳跃点，剔除这类间断点，并在间断点对应波长处插入新值，得到修正后的谱线；(6)计算修正后所得光强曲线的质心对应得波长坐标即质心x轴坐标，利用多普勒效应得到的波长偏移量与速度的换算关系，计算得到多普勒速度。...

【技术特征摘要】
1.一种基于可调谐滤光器成像观测的太阳大气视向速度场测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)对可调谐滤光器透过率特征进行定标，获得多偏带位置的仪器修正系数；(2)在望远镜后端高阶共轭太阳自适应光学系统之后加入多通道成像系统，使用其中可调谐滤光器成像通道进行观测，选取日面中心附近活动区为观测目标，在选取的太阳大气特征谱线扫描光谱范围内选取合适位置、合适数量的偏带，对目标进行多偏带观测，用CCD对成像数据进行采集，每个偏带采集多帧原始数据，用于降低随机误差；(3)完成数据采集后，对多偏带的多帧观测结果作多帧平均处理，并进行平、暗场预处理；(4)选取处理后多偏带观测结果中较宁静的区域，在该区域内分别对各个偏带观测图像计算观测光强的平均值，以偏带波长相对于中心波长的波长偏移量为x轴、以平均光强为y轴获得多偏带扫描的近似光谱轮廓线即光强曲线，将观测所得光强曲线以能量为归一化标准，将观测光强曲线归一化到所选取的太阳大气标准谱线的光强范围，计算归一化系数，并与标准谱线进行比较，验证观测的准确性；用计算所得归一化系数r去乘多偏带成像观测结果，得到光强值范围修正后的成像观测结果；(5)对修正后二维成像图像中每个点绘制光强曲线，选取合适的判据，找到多偏带观测光强曲线中由于活动区谱线在偏带的发射或吸收的跳跃点，剔除这类间断点，并在间断点对应波长处插入新值，得到修正后的谱线；(6)计算修正后所得光强曲线的质心对应得波长坐标即质心x轴坐标，利用多普勒效应得到的波长偏移量与速度...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶长辉，王佳，刘洋毅，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51