撫仙湖一米紅外太陽望遠(yuǎn)鏡-Hα窄帶濾光器掃描輪廓的檢測與修正

撫仙湖一米紅外太陽望遠(yuǎn)鏡Hα窄帶濾光器掃描輪廓的檢測與修正徐稚;楊磊;向永源;鄭艷芳;毛偉軍;金振宇【摘要】The1mNewVacuumSolarTelescope(NVST)attheFuxian-LakeSolarObservationStationoftheYNAOisanew-generationground-basedsolarresearchfacilityofChina.OneinstrumentontheNVSTisamulti-channelhigh-resolutionimagingsystem,whichhasbeeninoperationsinceOctober2010.TheobservationwavelengthrangeofthesystemincludestheHα,TiOband,Gband,CaII854.2nm,andHeI1083nm.AlthoughonlythechannelsoftheHα,TiOband,andGbandhavebeenused,theobservationsimpressivelydemonstratethehigh-resolutioncapabilityoftheNVST.ThechannelsfortheTiObandandGbandbothusebroad-bandfilterswithfullwidthsof1nm.Incontrast,theHαchannelusesanarrow-bandfilterwithafullwidthof0.025nm(correspondingtoaspectralFWHMof~11km/s).Thewavelengthcenterofthechannelcanbeadjustedwithintherange656.281±0.4nm.Sinceprofilesobservedwithnarrow-bandfiltersareseverelyblurredbyDopplerbroadening,somespectral-lineinformationisneededtoextractusefulphysicalresultsfromthese.Profilesfromwavelengthscanningcanprovidetheneededlineinformation,whichmakesitimportanttoachieveaccuratewavelengthscanning.AnewHαLyotfilterwasinstalledontheNVSTinApril2013.Inthispaper,weinvestigatetheperformancesofthisfiltersystembyexaminingspectral-lineprofilesfromthewavelength-scanningwithit.Weusetheobservationsofthecentralpartsofthesolardiskwiththemulti-channelimagingsystemtoderiveHαlineprofiles.Ourinvestigationfocusesonthefollowingaspects:deviationsbetweenthefiltercentralbandandthecenters(e.g.absorptionpeaks)ofthelineprofilesfromthescanning,thesymmetriesoftheprofilesfromthescanning,influencesofafrontbroadb-andfilter,andthestabilityofthetemperatureofthesystem.Wehavefoundthefollowingresults.(1)Thecenterofalineprofilefromthescanningis0.013nmawayfromthefiltercentralband(“0nm”).Thedeviationcanbecorrectedthroughincreasingtheworkingtemperatureofthesystembyabout0.3℃.(2)Afterthecorrection,thedeviationisreducedtolessthan0.004nmbykeepingtheasymmetryofaprofilebelow10%.(3)Theprofileintensitiesat“0nm”arehigherthantheexpectedvaluesby6%to8%.(4)Thefrontbroad-bandfilterhasappreciableinfluencesontheshapesoftheprofilesfromthescanningonlyinthewavelengthrange656.281-0.15nmto656.281-0.4nm.(5)Theworkingtemperatureofthefiltersystemisstable,withthemonthlystandarddeviationatabout0.0017℃.%撫仙湖1m紅外太陽望遠(yuǎn)鏡的重要終端之一是多通道高分辨成像系統(tǒng)，主要由兩路寬帶和一路窄帶成像系統(tǒng)組成。目前窄帶成像系統(tǒng)的工作譜線為Hα。主要介紹了窄帶成像系統(tǒng)掃描輪廓的檢測和修正。主要檢測內(nèi)容包括掃描輪廓的中心波長位置、掃描輪廓對稱性、前置濾光片對掃描輪廓的影響、濾光器工作溫度穩(wěn)定性等問題。檢測結(jié)果顯示：掃描輪廓在656.281-0.15nm到656.281＋0.4nm的范圍內(nèi)與理論輪廓較好地吻合，而在656.281-0.15nm到656.281-0.4nm的范圍內(nèi)明顯衰減。同時輪廓中心波長位置（即強(qiáng)度最低點(diǎn)的波長位置）相對于濾光器顯示的“0nm”偏帶點(diǎn)藍(lán)移了0.013nm。針對上述檢測結(jié)果，將濾光器的工作溫度提高了約0.3℃。在溫度調(diào)整之后，掃描輪廓的整體特征不變，輪廓中心波長位置與“0nm”偏帶點(diǎn)偏差小于0.004nm，同時紅藍(lán)翼對稱偏帶點(diǎn)的強(qiáng)度差異小于10％（對應(yīng)1.8km/s的多普勒速度測量誤差）。目前可以明確，掃描輪廓的藍(lán)翼衰減是由前置濾光片造成，對于常用工作范圍（656.281±0.1nm），可以忽略前置濾光片的影響。濾光器工作溫度比較穩(wěn)定，1個月內(nèi)溫度變化幅度的標(biāo)準(zhǔn)方差約0.0017℃。目前，該濾光器仍存在的問題是掃描輪廓在“0nm”偏帶點(diǎn)略有突起，幅度在6％～8％。建議在以后的使用過程中，需要定期定量地對濾光器的掃描輪廓以及前置濾光片的透過率曲線進(jìn)行檢測?！酒诳Q】《天文研究與技術(shù)－國家天文臺臺刊》【年(卷),期】2014(000)003【總頁數(shù)】8頁(P239-246)【關(guān)鍵詞】Hα觀測;窄帶濾光成像;利奧濾光器掃描輪廓【作者】徐稚;楊磊;向永源;鄭艷芳;毛偉軍;金振宇【作者單位】中國科學(xué)院云南天文臺撫仙湖觀測站，云南昆明650011;中國科學(xué)院云南天文臺撫仙湖觀測站，云南昆明650011;中國科學(xué)院云南天文臺撫仙湖觀測站，云南昆明650011;中國科學(xué)院云南天文臺撫仙湖觀測站，云南昆明650011;中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，江蘇南京210042;中國科學(xué)院云南天文臺撫仙湖觀測站，云南昆明650011【正文語種】中文【中圖分類】P111CN53－1189/PISSN1672－7673

撫仙湖1m紅外太陽望遠(yuǎn)鏡(NewVacummSolarTelescope，NVST)是我國新一代地面大型太陽觀測設(shè)備之一[1]。主要的終端設(shè)備包括“多通道高分辨率成像系統(tǒng)”[2]和“垂直光譜儀系統(tǒng)”[3]。高分辨成像系統(tǒng)最終要實(shí)現(xiàn)5個波段的同步成像觀測，表1給出了該系統(tǒng)不同通道的工作波長、觀測目標(biāo)及主要性能參數(shù)。目前系統(tǒng)主要工作于TiO-band、G-band和Hα3個波段，觀測結(jié)果充分展示了NVST高空間分辨率的觀測能力。其中TiO和G-band為寬帶成像系統(tǒng)，帶寬1nm。Hα為窄帶成像系統(tǒng)，帶寬僅為0.025nm，透過帶的中心波長可在656.281±0.4nm的范圍內(nèi)變動。

對于窄帶成像來說，單一波長點(diǎn)的觀測結(jié)果通常難以給予正確的物理解釋。諸如，活動區(qū)內(nèi)的某些增亮現(xiàn)象有時并非意味著局地的溫度增加，也有可能是此處的低溫物質(zhì)存在一定的視向速度，并使其在原有波段中已經(jīng)無法再被觀測為“吸收”現(xiàn)象，和周圍對比后造成了“增亮的”假象。所以為了能較為清晰地理解觀測結(jié)果，需要利用窄帶成像觀測來獲得一些譜線觀測所能提供的有效物理信息。通常的做法是利用濾光器透過帶中心波長可調(diào)這一特點(diǎn)，在多個波長點(diǎn)依次進(jìn)行窄帶成像觀測。這樣在圖像的每一個空間點(diǎn)上，都能獲得一條“波長掃描輪廓”，本文簡稱“掃描輪廓”。通過分析掃描輪廓的某些特性，例如輪廓寬度、整體位移等，能較為準(zhǔn)確地分析和理解觀測現(xiàn)象。而該工作的重要前提是保證掃描輪廓的準(zhǔn)確性，所謂準(zhǔn)確性主要包括:掃描輪廓的寬度、中心位置、對稱性等等。

就Hα觀測來說，國際上普遍采用的采集方式是在譜線線心和2或3對紅藍(lán)翼對稱波長點(diǎn)上進(jìn)行順序觀測，即總共由5或7個波長點(diǎn)來構(gòu)成掃描輪廓[4]，掃描范圍通常介于656.281±0.1nm。獲取掃描輪廓的過程勢必會降低單一波長點(diǎn)上的采集頻率，例如考慮目前NVST所配備的探測器的采集速率以及后期數(shù)據(jù)處理對采集幅數(shù)的要求，如果僅在－0.03、0.00、0.03nm3個波長點(diǎn)上進(jìn)行順序采集，那么單一波長點(diǎn)的時間分辨率約42s。

2013年4月，由南京天文光學(xué)技術(shù)研究所研制的新Hα利奧濾光器安裝于NVST高分辨窄帶成像系統(tǒng)中。在其他參數(shù)不變的前提下(表1)，透過率較之以前有了較大的提高。在該濾光器投入使用后，首要任務(wù)是對成像系統(tǒng)的掃描輪廓進(jìn)行檢測。由于各方面條件的限制，并沒有使用光譜儀，而是利用了濾光器的實(shí)測數(shù)據(jù)。主要檢測內(nèi)容包括:掃描輪廓的中心位置、對稱性、前置濾光片的影響以及濾光器工作溫度的穩(wěn)定性。

本文首先描述了上述問題的檢測方法、過程和結(jié)果，之后給出目前所采用的調(diào)整方法，以及調(diào)整之后掃描輪廓的修正效果。

1.1掃描輪廓中心位置的檢測

檢測掃描輪廓中心位置是指檢測濾光器顯示的“0nm”偏帶點(diǎn)是否對應(yīng)掃描輪廓強(qiáng)度的最低點(diǎn)，并求出兩者的偏移量。

這里主要采用了兩種方法獲取掃描輪廓:(1)自動掃描，即利用濾光器的波長轉(zhuǎn)換功能，在整個波長范圍內(nèi)(656.281±0.4nm)進(jìn)行自動波長掃描。自動掃描輪廓采樣點(diǎn)較多，輪廓比較光滑，易于和理論輪廓進(jìn)行比較，能反映濾光器波長轉(zhuǎn)換速度是否穩(wěn)定、輪廓整體是否對稱等問題。(2)主動掃描，即在已知的某些固定波長點(diǎn)上進(jìn)行波長掃描，人為決定掃描步幅或采集點(diǎn)，范圍集中在656.281±0.1nm之內(nèi)。主動掃描輪廓易于判斷掃描輪廓強(qiáng)度最低點(diǎn)的波長位置。兩種方法都需要在無云情況時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，觀測目標(biāo)為日面中心，遠(yuǎn)離活動區(qū)的隨機(jī)位置。下面分別闡述兩種方法的檢測過程和結(jié)果。

自動掃描輪廓的獲取方法為:首先將觀測波長點(diǎn)定于656.281＋0.4nm，此時濾光器顯示“＋0.4nm”偏帶波長點(diǎn)，然后進(jìn)行圖像采集。在保持采集狀態(tài)下，將觀測波長點(diǎn)改為“－0.4nm”偏帶點(diǎn)，這時濾光器自行開始波長轉(zhuǎn)換，我們正是將這一轉(zhuǎn)化過程全部記錄下來而獲得掃描輪廓。采集波長點(diǎn)(或采集步幅)是由濾光器的波長轉(zhuǎn)換速度和探測器的圖像采集速度決定。采集的時間順序(或采集的幅數(shù))與波長息息相關(guān)。假設(shè)濾光器的波長轉(zhuǎn)換速度和探測器的圖像采集速度比較穩(wěn)定，那么兩者則有很好的等價關(guān)系。

這里的波長掃描順序是不能改變的。該濾光器從“＋”偏帶波長方向到“－”偏帶波長方向轉(zhuǎn)換時，掃描方向是單一的。但從“－”到“＋”轉(zhuǎn)換時，則會在“0nm”偏帶點(diǎn)反復(fù)掃描，破壞了時間順序和波長的單一關(guān)系。圖1展示了在波長掃描過程中的部分圖像。

為了進(jìn)一步降低日面上某些吸收或發(fā)射現(xiàn)象對掃描輪廓的影響，只考慮每一幅圖像的空間平均值。圖2是獲得的656.281±0.4nm范圍內(nèi)的自動掃描輪廓(黑色十字符號)，橫軸是采集圖像的時間序列。利用某些特征吸收線，將掃描輪廓與標(biāo)準(zhǔn)FTS輪廓(細(xì)實(shí)線)進(jìn)行了比較(FTS:FourierTransformSpectrometerattheMcMath/PierceSolarTelescope)。

通過比較發(fā)現(xiàn):(1)掃描輪廓在約656.281－0.15nm到656.281＋0.4nm的范圍內(nèi)(右側(cè)方塊所示區(qū)域)與標(biāo)準(zhǔn)輪廓較好地吻合，但在656.281－0.4nm到656.281－0.15nm的范圍內(nèi)有明顯的衰減(衰減的原因?qū)⒃诘?章定量討論)。但該衰減并不影響判斷整體輪廓(特別是在656.281±0.1nm的范圍內(nèi))比較光滑，這反映出濾光器的波長轉(zhuǎn)換速度非常穩(wěn)定。由此，根據(jù)采集的總幅數(shù)(950幅)和波長的總間隔(0.8nm)可以大致推算相鄰兩幅圖像之間的波長間距約0.00084nm。(2)掃描輪廓的波長范圍相對標(biāo)準(zhǔn)輪廓范圍有明顯的偏移(箭頭所指區(qū)域)。換言之，當(dāng)利用某些吸收的位置把掃描輪廓和標(biāo)準(zhǔn)輪廓對齊之后，線翼的截止波長出現(xiàn)明顯偏移。根據(jù)前面的估算，箭頭所示的區(qū)域(約15幅)大致對應(yīng)0.0126nm。(3)由于系統(tǒng)存在雜散光，掃描輪廓在Hα線心部分的強(qiáng)度要高于標(biāo)準(zhǔn)輪廓值。

主動掃描輪廓的獲取方法為:人為設(shè)定若干采集波長點(diǎn)進(jìn)行圖像采集，由濾光器的參數(shù)顯示獲得采集點(diǎn)的波長信息。圖3是利用這種方法獲得的在656.281±0.1nm范圍內(nèi)的主動掃描輪廓，波長采樣點(diǎn)間隔0.0125nm(共17個采樣點(diǎn))。同時對輪廓的采樣點(diǎn)進(jìn)行了內(nèi)插以提高輪廓的平滑性。

從主動掃描輪廓可以看出:(1)掃描輪廓在“0nm”偏帶點(diǎn)的強(qiáng)度略有突出(“0nm”偏帶點(diǎn)位置由黑色短線所示)。根據(jù)估算，該點(diǎn)的強(qiáng)度需降低約6%才能提高輪廓在此點(diǎn)的平滑性(如綠線所示)。(2)即便提高了輪廓的光滑性，“0nm”偏帶點(diǎn)仍沒有對應(yīng)輪廓強(qiáng)度最低點(diǎn)。垂直紅線顯示此時輪廓強(qiáng)度最低點(diǎn)的波長位置約在“－0.013nm”處。

這里需要補(bǔ)充的一點(diǎn)是，上述特征和結(jié)論與采樣點(diǎn)密度無關(guān)。分別采用了21個采樣點(diǎn)(波長間隔0.01nm)、17個采樣點(diǎn)(波長間隔0.0125nm)和9個采樣點(diǎn)(波長間隔0.025nm)的觀測模式，均獲得較為一致的結(jié)論。

綜上所述，自動和主動掃描輪廓都反應(yīng)一個相同的問題:“0nm”偏帶點(diǎn)位置有所偏移。它與掃描輪廓強(qiáng)度最低點(diǎn)所對應(yīng)的波長位置(即輪廓的中心位置)的相對偏移量約為0.013nm。

1.2溫度調(diào)整與掃描輪廓中心位置的移動

針對1.1中的檢測結(jié)果，對濾光器的工作溫度進(jìn)行了調(diào)整。濾光器工作溫度與輪廓強(qiáng)度最低點(diǎn)的波長位置移動的關(guān)系是:工作溫度提高1℃，則強(qiáng)度最低點(diǎn)波長紅移0.04nm。因此將濾光器的工作溫度提高約0.3℃，大致由原來的41.95℃調(diào)整為42.22℃。溫度調(diào)整之后，再次進(jìn)行了自動和主動掃描輪廓的采集和檢測，步驟同上。

圖4和圖5分別為溫度調(diào)節(jié)后的自動掃描輪廓和主動掃描輪廓。比較圖2和圖4以及圖3和圖5發(fā)現(xiàn):(1)自動掃描輪廓顯示，溫度升高之后，輪廓基本特性不變，但原有的線翼截止波長差異問題基本消除。(2)主動掃描輪廓顯示，“0nm”偏帶波長點(diǎn)的強(qiáng)度仍略有突出。若該點(diǎn)強(qiáng)度略微降低6%～8%，不僅可提高輪廓的平滑性，而且此點(diǎn)幾乎是整個輪廓的強(qiáng)度最低點(diǎn)。

溫度調(diào)節(jié)后，對掃描輪廓的對稱性進(jìn)行了檢測，目的是檢測紅藍(lán)翼對稱波長點(diǎn)的強(qiáng)度差異，即(Ib－Ir)/Ib。這里“r”代表紅翼波長點(diǎn)，“b”代表藍(lán)翼波長點(diǎn)，兩者與線心的波長差距一致。在圖5的主動掃描輪廓中，相同的顏色表示紅藍(lán)翼對稱波長點(diǎn)的強(qiáng)度值。而在圖6中則將該強(qiáng)度差異定量地顯示出來(如“

”所示)。在圖6中，同時也給出了利用FTS標(biāo)準(zhǔn)譜線進(jìn)行的相應(yīng)計算(如實(shí)線所示)。首先，由標(biāo)準(zhǔn)輪廓計算得到，±0.07nm處的強(qiáng)度差異最大(約8%)。這個差異是由＋0.07nm處的大氣水線吸收造成。同時，強(qiáng)度差異隨波長的變化沒有整體規(guī)律性(換言之，紅翼強(qiáng)度并不整體大于藍(lán)翼強(qiáng)度)。其次，由掃描輪廓得到的不同波長點(diǎn)的強(qiáng)度差異也沒有整體規(guī)律。這說明，該差異不是由“0nm”偏帶點(diǎn)偏移所造成，即“0nm”偏帶點(diǎn)已經(jīng)非常接近掃描輪廓的中心位置。

此外，掃描輪廓強(qiáng)度在±0.02nm處的差異最大(約10%左右)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輪廓計算得出，這個差異量相當(dāng)于“0nm”偏帶點(diǎn)偏移輪廓中心位置0.004nm(或者說，標(biāo)準(zhǔn)輪廓整體漂移0.004nm)。綜合考慮其他波長點(diǎn)處的強(qiáng)度差異，可以粗略估計，此時濾光器的“0nm”偏帶點(diǎn)的偏移量應(yīng)小于0.004nm(約是透過帶帶寬的16%)。根據(jù)多普勒效應(yīng)計算，0.004nm的偏移量約造成的視向速度測量誤差為1.8km/s。

在Hα窄帶濾光器之前配置了一款3腔結(jié)構(gòu)的干涉濾光片作為前置濾光片，其透過率曲線如圖7。具體來說，透過率在波長656.41nm達(dá)到極大(61.7%)，在655.90至656.90nm的1nm范圍內(nèi)，透過率均高于50%。透過率高于10%的帶寬可達(dá)1.4nm，高于1%的有2nm。前置濾光片的透過率曲線并不以656.281nm(如藍(lán)線所示)為中心呈對稱分布，相對紅翼來說，藍(lán)翼的透過率隨波長減小而明顯下降。所以，我們懷疑這是導(dǎo)致系統(tǒng)掃描輪廓藍(lán)翼衰減的主要原因。為了證明這一點(diǎn)，利用前置濾光片的透過率曲線對掃描輪廓進(jìn)行了修正，并與標(biāo)準(zhǔn)輪廓進(jìn)行了比對，如圖8。

圖8集中展示了介于656nm至656.5nm范圍內(nèi)“掃描輪廓”(紅短線)、“前置濾光片透過率曲線”(藍(lán)線)、“FTS標(biāo)準(zhǔn)輪廓”(黑線)以及“修正掃描輪廓”(紫色菱形線)。結(jié)果顯示，如果考慮前置濾光片透過率曲線的影響，修正后的掃描輪廓能較好地吻合標(biāo)準(zhǔn)輪廓，這證明了掃描輪廓的藍(lán)翼衰減是前置濾光片所致，與窄帶利奧濾光器無關(guān)。圖中也用綠線顯示了濾光器的常用工作范圍(656.281±0.1nm)。在該范圍內(nèi)，幾乎可以不考慮前置濾光片對掃描輪廓的影響。

在上文提到，濾光器工作溫度是否穩(wěn)定決定了其掃描輪廓中心位置是否會漂移，所以濾光器投入使用后一直關(guān)注其工作溫度的變化情況。

根據(jù)設(shè)計要求，濾光器工作溫度的敏感度為0.001℃，精度0.01℃(對應(yīng)波長0.0004nm漂移)。圖9顯示了在濾光器溫度調(diào)制到42.22℃之后的一個月內(nèi)的變化情況(2013年9月至10月)，每天早上開啟觀測和下午結(jié)束觀測時各采集一次，計算得出該月內(nèi)溫度變化幅度的標(biāo)準(zhǔn)方差σ＝0.0017℃。在10月之后，對濾光器的工作溫度進(jìn)行隨機(jī)抽查，變化幅度約為1σ。

本文主要對1m紅外太陽望遠(yuǎn)鏡Hα窄帶成像系統(tǒng)的掃描輪廓進(jìn)行了檢測，并通過提高溫度修正了掃描輪廓的中心位置。目前掃描輪廓的中心位置與濾光器顯示的“0nm”偏帶點(diǎn)的偏移量小于0.004nm。對稱偏帶波長點(diǎn)的強(qiáng)度差異小于10%，這意味著視向速度測量誤差約1.8km/s。對于太陽色球?qū)觼碚f，視向速度的典型背景擾動約1～3km/s。因此，目前濾光器的狀態(tài)能夠較好地符合對色球的觀測要求。

系統(tǒng)目前仍然存在的問題有:

(1)前置濾光片對掃描輪廓的藍(lán)翼部分有明顯衰減，影響范圍約在656.281－0.15nm到656.281－0.4nm之間。若波長掃描范圍在656.281±0.1nm內(nèi)，那么可以忽略前置濾光片的影響。但如果波長掃描范圍超出656.281±0.15nm，則需要精確知道前置濾光片的透過率曲線，從而對其進(jìn)行修正。這里還需要說明的是，對于干涉濾光片來說，當(dāng)入射角增大時，透過率峰值對應(yīng)的波長位置必然向藍(lán)翼移動，所以可考慮略微傾斜放置前置濾光片，從而改善其在藍(lán)翼的影響。這里暫時沒有傾斜放置后的檢測結(jié)果。

(2)掃描輪廓在Hα線心位置略有突起。這可能是由于利奧濾光器各級之間的透過率峰值不在同一線心位置所致。在條件允許的情況下，可考慮用攝譜儀檢測濾光器的透