太陽觀測(cè)技術(shù)發(fā)展.ppt-懷柔觀測(cè)基地-國(guó)家天文臺(tái)

1、太陽光學(xué)觀測(cè)技術(shù)發(fā)展,鄧元勇中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)太陽活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,提綱,現(xiàn)代太陽物理發(fā)展史太陽磁場(chǎng)測(cè)量發(fā)展史太陽磁場(chǎng)測(cè)量基本儀器太陽觀測(cè)臺(tái)站選擇現(xiàn)代高新技術(shù)在太陽觀測(cè)中的應(yīng)用未來太陽儀器發(fā)展趨勢(shì),現(xiàn)代太陽物理發(fā)展史>>>,公元前370—290年, 肉眼, 希臘Athems所著“Theopbrastns”中提到目視太陽黑子 公元前28—1638年, 肉眼, 中國(guó)史書記載，超過112次目視觀測(cè)到太陽黑子

2、1607—1611年, Galileo發(fā)明 望遠(yuǎn)鏡, 最早用光學(xué)儀器觀測(cè)白光太陽黑子現(xiàn)代天文學(xué)的開端,現(xiàn)代太陽物理發(fā)展史>>>,1670年前后，牛頓，首次色散實(shí)驗(yàn)牛頓色盤三棱鏡1814年, 夫朗和費(fèi)，太陽光譜儀(solar spectrometer), 對(duì)太陽進(jìn)行分光觀測(cè)、觀測(cè)線源光譜太陽大氣成分 氦的發(fā)現(xiàn)特定的夫朗和費(fèi)譜線形成于太陽大氣的特定層次，反應(yīng)特定的物理環(huán)境（溫度、密度、速度、磁場(chǎng)

3、……),現(xiàn)代太陽物理發(fā)展史>>>,1889年, 太陽單色光觀測(cè)鏡(spectrohelioscope) 通過對(duì)線源作機(jī)械掃描、對(duì)太陽進(jìn)行單色光成像觀測(cè)1896年，Zeeman效應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 奠定了太陽磁場(chǎng)測(cè)量的基礎(chǔ),現(xiàn)代太陽物理發(fā)展史>>>,1933年, Lyot, 1938, Ohman, 發(fā)明雙折射濾光器，利用濾光器作單色器的色球望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)面單色太陽像，日珥、暗條、H?耀斑1960—,

4、 太陽人衛(wèi)儀器, 擴(kuò)展了觀測(cè)波段、并提高了空間分辨率1980---，同時(shí)觀測(cè)多層次單色太陽像?立體成像多通道雙折射濾光器（艾國(guó)祥）、 多通道相減式雙透過光譜儀（Mein),,現(xiàn)代太陽物理發(fā)展史>>>總結(jié),,辯證發(fā)展規(guī)律：點(diǎn)---線---面---體,太陽磁場(chǎng)測(cè)量發(fā)展史>>>,1896年，發(fā)現(xiàn)Zeeman效應(yīng)：即磁場(chǎng)能夠引起譜線分裂的理論，其裂距與磁場(chǎng)強(qiáng)度B,譜線的磁敏因子g（Lande因子）及波長(zhǎng)的

5、平方成正比根據(jù)這一原理，Hale在1908年利用光譜儀和偏振分析器組成的太陽磁場(chǎng)觀測(cè)儀器，觀測(cè)到來自太陽黑子區(qū)域的光譜線有明顯的分裂，進(jìn)而推算出，太陽黑子的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)2000—3000高斯Hale的早期測(cè)量是沒有空間分辨率的，即把觀測(cè)對(duì)象當(dāng)作一個(gè)整體來測(cè)量（點(diǎn)源）,太陽磁場(chǎng)測(cè)量發(fā)展史>>>,1952年，Babcock父子利用光電原理，成功地解決了102高斯以下的弱磁場(chǎng)的測(cè)量問題首次測(cè)量了太陽極區(qū)磁場(chǎng)?太陽磁活

6、動(dòng)22年周期使太陽磁場(chǎng)的研究從黑子區(qū)域擴(kuò)展到整個(gè)日面1960年，前蘇聯(lián)克里米亞天文臺(tái)的Stepanov等人又發(fā)明了能夠測(cè)量太陽橫向磁場(chǎng)的光電矢量磁像儀到這個(gè)時(shí)候，觀測(cè)對(duì)象都局限于“點(diǎn)源”觀測(cè)模式60年代末期，美國(guó)NSO發(fā)明了一種可以同時(shí)測(cè)量512*1點(diǎn)的磁像儀?線源,太陽磁場(chǎng)測(cè)量發(fā)展史>>>,1968年, Beckers 首次將雙折射濾光器用于太陽磁場(chǎng)測(cè)量，在同一時(shí)間內(nèi)得到太陽視面磁場(chǎng)圖像，大大地提高了望遠(yuǎn)鏡的

7、時(shí)間分辨率 ?面源八十年代末，中國(guó)太陽物理學(xué)家艾國(guó)祥等人提出多通道濾光器的概念，即在同一時(shí)間內(nèi)可以得到多條太陽譜線的矢量磁圖不同譜線對(duì)應(yīng)不同太陽層次實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽磁場(chǎng)的準(zhǔn)三維觀測(cè)90年代，同是艾國(guó)祥院士又提出了利用雙折射濾光器的方法獲得兩維光譜的Stokes參數(shù)儀的方案 ?立體,太陽磁場(chǎng)測(cè)量發(fā)展史>>>,磁流管(Fluxtube)模型的建立七、八十年代，利用所謂的磁線對(duì)比率(l

8、ine-ratio)的方法，Stenflo等人得到著名的結(jié)論：日面上90%以上的磁結(jié)構(gòu)都是以千高斯級(jí)、離散形式的強(qiáng)磁場(chǎng)形態(tài)存在這一結(jié)論被以磁流管為基礎(chǔ)的許多理論模型所驗(yàn)證在一定意義上，各類太陽活動(dòng)就是磁流管之間相互作用所導(dǎo)致的結(jié)果,太陽磁場(chǎng)測(cè)量發(fā)展史>>>,實(shí)際觀測(cè)量“磁場(chǎng)強(qiáng)度”B,物理含義是“磁通量密度”磁場(chǎng)的基本尺度在0?.1或75km以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出地基磁場(chǎng)觀測(cè)的空間分辨率（1 ? 左右）對(duì)真實(shí)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)（

9、磁流管），其場(chǎng)強(qiáng)B0,截面積S0,則磁通量?= B0 * S0由于磁通量是守恒量，則觀測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度B= ?/S<< B0 填充因子 ?= S0/S, ?1%,太陽磁場(chǎng)測(cè)量發(fā)展史>>>總結(jié),,辯證發(fā)展規(guī)律：點(diǎn)---線---面---體,太陽磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備>>>,普通望遠(yuǎn)鏡,,單色光望遠(yuǎn)鏡,,磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡,,太陽磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備>>>,太陽磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備>>>光譜

10、儀觀測(cè)實(shí)例,,太陽磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備>>>濾光器觀測(cè)實(shí)例,,太陽磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備>>>,“成譜” 觀測(cè)較高的磁場(chǎng)測(cè)量精度，獲得觀測(cè)對(duì)象的溫度、速度、密度等豐富的物理信息但這類設(shè)備觀測(cè)的是沿著光譜儀狹縫方向的線源信息“只見樹木，不見森林”“成像”觀測(cè)跟蹤太陽磁場(chǎng)的形態(tài)演化從而理解太陽磁活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過程；太陽突發(fā)式災(zāi)變現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)物理信息相對(duì)較少，精度稍低“知其然，不知其所以然”,太陽磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備

11、>>>,太陽磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備并沒有嚴(yán)格的分類，以上僅按單色器的區(qū)別分成兩大類其他還有一些設(shè)備，例如邁克爾遜干涉儀、法-柏干涉儀等，基本上都沒有離開這兩類儀器的范疇,光譜儀型“成譜”設(shè)備通過沿著垂直狹縫方向的空間掃描濾光器型“成像”設(shè)備通過調(diào)節(jié)透過帶中心波長(zhǎng)的位置均能實(shí)現(xiàn)既成譜又成像觀測(cè)，但:Solar-B的光譜儀，成像時(shí)間約90分鐘傳統(tǒng)雙折射濾光器成譜時(shí)間數(shù)十分鐘；SDO/HMI等僅幾個(gè)光譜采樣點(diǎn)?同時(shí)成像成譜

12、的觀測(cè)設(shè)備是未來太陽觀測(cè)設(shè)備追求的目標(biāo) ?SST兩維實(shí)時(shí)光譜儀是一個(gè)嘗試，但如HMI一樣，譜分辨率和覆蓋范圍均有限?基于光纖光譜儀技術(shù)的太陽觀測(cè)設(shè)備可能是一個(gè)發(fā)展方向,太陽磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備>>>,兩維實(shí)時(shí)光譜儀,,,,光纖光譜儀,,,二維光纖陣列：每根光纖等效于CCD的一個(gè)像元，光信息被光纖收集并傳輸?shù)焦庾V儀之前，空間位置重新排列成線陣或分到不同光譜儀上，因此二維光纖陣列上每一點(diǎn)都能得到完整光譜信息光纖光譜儀已開始在

13、天文觀測(cè)中嶄露頭角，如LAMOST,,,太陽觀測(cè)臺(tái)站選擇>>>,磁場(chǎng)儀器包括三個(gè)主要指標(biāo)：磁場(chǎng)分辯率(能觀測(cè)和區(qū)分的最小磁場(chǎng))ΔB；空間分辯率(最小觀測(cè)點(diǎn)大小)ΔS；時(shí)間分辯率(觀測(cè)一個(gè)活動(dòng)區(qū)的時(shí)間)ΔT在一定口徑φ的望遠(yuǎn)鏡(光子接收率)和確定視場(chǎng)(A)的情況下ΔB-2ΔT-1ΔS-1=Cφ 2 A-1這里C為儀器常數(shù)，反映儀器的效率可見一定的望遠(yuǎn)鏡和接受器，從方程左邊得知，以上三項(xiàng)分辯本領(lǐng)互相制約因此

14、要提高儀器的總性能，必須在方程右方想辦法。這包括加大望遠(yuǎn)鏡口徑，改善接收器的性能最后，還可以在提高儀器效率上想辦法，主要的一點(diǎn)就是選擇良好的觀測(cè)臺(tái)址,太陽觀測(cè)臺(tái)站選擇>>>,觀測(cè)臺(tái)址的科學(xué)因素大氣視寧度 Seeing大氣透明度 Transparency可觀測(cè)時(shí)數(shù)、日數(shù)水汽、熱輻射環(huán)境（紅外）……觀測(cè)臺(tái)址的保障因素交通、生活設(shè)施電力、能源網(wǎng)絡(luò)、通訊……,太陽觀測(cè)臺(tái)站選擇>>>天文觀

15、測(cè)臺(tái)址的變遷,城市格林威治、元大都、上海徐家匯郊區(qū)法國(guó)墨東天文臺(tái)、南京紫金山、昆明鳳凰山、北京天文臺(tái)沙河站、懷柔站遠(yuǎn)山遠(yuǎn)海國(guó)臺(tái)興隆站、紫臺(tái)德令哈站、美國(guó)大熊湖天文臺(tái)，美國(guó)國(guó)立太陽天文臺(tái)夏威夷群島、加納利群島、歐南臺(tái)、青藏高原?空基、月基……,現(xiàn)代高新技術(shù)在太陽觀測(cè)中的應(yīng)用>>>,探測(cè)器技術(shù)太陽磁場(chǎng)測(cè)量精度為背景強(qiáng)度的1/10000強(qiáng)光背景下的微弱信號(hào)探測(cè)分辨率與視場(chǎng)的矛盾視場(chǎng)=像元分辨率*像元數(shù)

16、 ?越來越大面陣的探測(cè)器時(shí)間分辨率與光子數(shù),現(xiàn)代高新技術(shù)在太陽觀測(cè)中的應(yīng)用>>>,高速采集和信息處理技術(shù)懷柔常規(guī)太陽磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)率：1K*1K*4*30/s=120M/s，數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)時(shí)的運(yùn)算處理GPU應(yīng)用下一代太陽望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)量呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng),現(xiàn)代高新技術(shù)在太陽觀測(cè)中的應(yīng)用>>> 相關(guān)跟蹤器 Correlation tracker/ tip-tilt,,,相關(guān)

17、技術(shù)對(duì)太陽磁場(chǎng)等需要較長(zhǎng)積分時(shí)間的觀測(cè)尤其有效，在懷柔基地的實(shí)際應(yīng)用中可將磁圖分辨率由數(shù)角秒提高到1角秒左右,現(xiàn)代高新技術(shù)在太陽觀測(cè)中的應(yīng)用>>> 主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué),主動(dòng)光學(xué)是在80年代發(fā)展起來的，它是在薄型主鏡后方設(shè)有上百個(gè)計(jì)算機(jī)控制的促動(dòng)器，隨時(shí)監(jiān)測(cè)并抵消重力變形、風(fēng)力干擾和溫度波動(dòng)對(duì)成像的影響，調(diào)整頻率約0.01至1赫茲。自適應(yīng)光學(xué)主要補(bǔ)償?shù)?/p>

18、則是大氣湍動(dòng)，調(diào)整頻率可達(dá)每秒上百次，調(diào)整的對(duì)象也非主鏡，而是光路中專門設(shè)置的一塊變形輔助鏡,應(yīng)用價(jià)值,自適應(yīng)光學(xué)（AO）,自適應(yīng)光學(xué)（AO）,自適應(yīng)光學(xué)（AO）,改正鏡尺寸：77 mm改正元數(shù)： 97運(yùn)行模式：High OrderTip/tilt 范圍：2 mradDSP: 并行處理采集系統(tǒng)：1280?1024 Photobit高速相機(jī)采集頻率：2.5 kHz閉環(huán)系統(tǒng) ~ 130Hz,自適應(yīng)光學(xué)（AO）,2003年10月

19、利用AO、Frame Selection和Speckle Masking Reconstruction技術(shù)得到的G-band觀測(cè)結(jié)果,現(xiàn)代高新技術(shù)在太陽觀測(cè)中的應(yīng)用>>> 圖像后處理技術(shù),地球大氣對(duì)天文圖像的影響可歸結(jié)為四類：移動(dòng)、閃爍、模糊、畸變；此外，雖然地球大氣的擾動(dòng)可用一些模型來描述，但這些模型的有效性受光學(xué)等暈區(qū)的限制，而對(duì)太陽觀測(cè)而言光學(xué)等暈區(qū)

20、（一般約為5－10?左右）非常小 前述相關(guān)跟蹤系統(tǒng)主要校正大氣擾動(dòng)的一階線性量即圖像整體的移動(dòng)自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償?shù)膭t是高階移動(dòng)量和模糊等，改正元理論上至少要和光學(xué)等暈區(qū)大小一致，但目前基本上還做不到但圖像即使經(jīng)過這些目前最先進(jìn)的技術(shù)以后，圖像質(zhì)量還大有提高的余地這就是圖像后處理技術(shù),現(xiàn)代高新技術(shù)在太陽觀測(cè)中的應(yīng)用>>> 圖像后處理技術(shù),當(dāng)采樣曝光時(shí)間短于地球大氣擾動(dòng)

21、的特征時(shí)間時(shí)，可以認(rèn)為大氣沒有改變，即“大氣凍結(jié)”對(duì)太陽觀測(cè)而言，這個(gè)特征時(shí)間一般約10ms大氣凍結(jié)下的圖像，被稱為“斑點(diǎn)圖speckle image”，雖然圖像仍然有畸變、模糊等，但其中保存了望遠(yuǎn)鏡衍射極限的信息用某種方式通過這些被保留的信息，可以復(fù)原真實(shí)的圖像,現(xiàn)代高新技術(shù)在太陽觀測(cè)中的應(yīng)用>>> 圖像后處理技術(shù)---斑點(diǎn)干涉像復(fù)原,懷柔多通道望遠(yuǎn)鏡,現(xiàn)代高新

22、技術(shù)在太陽觀測(cè)中的應(yīng)用>>> 圖像后處理技術(shù)---位相差異法,瑞典太陽望遠(yuǎn)鏡,未來太陽儀器的發(fā)展趨勢(shì)>>>,高空間分辨率 衍射極限與大口徑、大氣湍動(dòng)與自適應(yīng)光學(xué)高時(shí)間分辯率 大口徑、高效率終端設(shè)備高光譜分辨本領(lǐng) 寬波長(zhǎng)覆蓋 可見光、近中紅外太陽立體成像技術(shù) 光球、色球、過渡區(qū)、日冕同時(shí)、

23、同目標(biāo)觀測(cè),謝謝！,未來地基太陽儀器的發(fā)展趨勢(shì)>>>,紅外觀測(cè)是未來地基臺(tái)太陽觀測(cè)的主戰(zhàn)場(chǎng)散射光小大氣視寧度好精確（直接測(cè)量譜線分裂）,探測(cè)器類型：HgCdTe/Al2O3象元尺寸：18 ?m ? 18 ?m象元數(shù)：1024 ? 1024,讀出模式：CMOS-SFD 8 門輸出 致冷方式：77K 液氮探測(cè)波長(zhǎng)：0.9 ~ 2.5 ?m量子效率：> 60%最大幀頻：30 frames/s填充因