基于F-P标准具选支的原子滤光太阳成像仪

摘要

本发明涉及太阳成像技术领域，尤其涉及一种基于F-P标准具选支的原子滤光太阳成像仪。本发明包括望远镜、隔热片、滤光片、原子滤光器、分束器、第一F-P标准具选支器、第一CCD、第二F-P标准具选支器、第二CCD及计算机；其中，望远镜、隔热片、滤光片、原子滤光器、分束器、第一F-P标准具选支器、第一CCD依次同轴排列；在分束器反射光轴的方向上依次同轴安装第二F-P标准具选支器、第二CCD；第一CCD、第二CCD的输出端分别与计算机连接。本发明大间距、高透射双峰原子滤光器，可以有效解决太阳原子的谱线明显增宽的问题；利用F-P标准具与原子滤光器联用的有利条件，将F-P标准具的透射锁定在原子滤光器透射，有效地提高标准具的透射波长稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳成像技术领域，尤其涉及一种基于F-P标准具选支的原子滤光太阳成像仪。

背景技术

天文光谱中蕴含着大量的宇宙和天体信息，现代天文学的进展很大程度上依赖于光谱观测、诊断和分析方法的进展。通过对太阳光谱的分析研究，可以得到太阳大气乃至其内部的物理信息。其中，应用最为广泛的是太阳高(光谱、空间、时间)分辨率成像观测。通过对高光谱分辨率太阳信息的观测和研究，有利于加深对太阳大气和内部物理过程的了解，发展更为精确的太阳物理模型，也有利于深入了解太阳剧烈活动的发生、发展规律，对其进行准确的预报、预测，从而减小太阳剧烈活动对地球和人类活动的影像。因此，对太阳高光谱分辨率的观测和研究具有重要的学术意义和应用价值，而且随着现代太阳物理的发展对高分辨率成像观测的需求也越来越高。但实现太阳的高光谱分辨率成像观测，都必须利用高光谱分辨率的光学色散器件。因此，对太阳成像仪的研究，特别是光学色散器件的改进是极其重要的。

基于原子滤光器的太阳高谱分辨成像仪，利用原子滤光器稳定度好、透射率高、带外抑制强和可成像等诸多优点，通过开展基于Na(589nm)、K(770nm)原子滤光器的高分辨太阳多普勒成像观测，实现对太阳光球和色球速度场的同时观测。

其中，为了处理出速度图像，要求原子滤光器能实现双峰交替透射，即能够实现“选支”。目前国际上所采用的方法是偏振选支，即通过对左、右旋转偏振控制实现双峰交替。这种方法需要采用两组原子泡和磁场。恒温组件(相当于两个原子滤光器)，使系统偏于复杂，而且还会引入而外的双折射效应，影响系统的光谱分辨能力。

本申请提出了一种采用F-P标准具选支的方案，即用光谱选支代替偏振选支。由于系统的光谱分辨能力已有原子滤光器保证，F-P在这里的作用只是从两支间距较大的高分辨率谱线中选出一支，故对其光谱分辨率的要求可大为降低，有利于简化系统结构。本申请提出合适的F-P标准具参数，使其透射和一直特性与原子滤光器协调，同时，解决了将F-P标准具的透射锁定于原子滤光器的透射，实现两者的稳定匹配。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于F-P标准具选支的原子滤光太阳成像仪，采用F-P标准具选支方法，获得全日面的多普勒图像。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

望远镜、隔热片、滤光片、原子滤光器、分束器、第一F-P标准具选支器、第一CCD、第二F-P标准具选支器、第二CCD及计算机；

其中，望远镜、隔热片、滤光片、原子滤光器、分束器、第一F-P标准具选支器、第一CCD依次同轴排列；

在分束器反射光轴的方向上依次同轴安装第二F-P标准具选支器、第二CCD；

第一CCD、第二CCD的输出端分别与计算机连接。

所述的原子滤光器采用钠原子滤光器、钾原子滤光器、氦原子滤光器、钙原子滤光器中的任一种。

所述钠原子滤光器、钾原子滤光器的透射谱型均为双峰透射，透射峰的间距分别为20GHz和10GHz，透射带宽均为2GHz。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)大间距、高透射双峰原子滤光器，可以有效解决太阳原子的谱线明显增宽的问题；

2)改进已有的“原子”选支方案为“光学”选支，不仅能使系统技术简化，提高其可靠性和使用方便程度，还能克服“原子”选支方案所导致的信号畸变和通道串扰，提高成像系统的性能；

3)利用F-P标准具与原子滤光器联用的有利条件，计划采用透射峰自动锁定的方法，将F-P标准具的透射锁定在原子滤光器透射，有效地提高标准具的透射波长稳定性。

附图说明

图1是本发明的基于F-P标准具选支的原子滤光太阳成像仪结构示意图。

图2是双峰原子滤光透射谱型图。

图3是原子滤光与F-P标准具选支方案。

图4是原子滤光双峰与F-P标准具的配合。

图5是由红-蓝峰强度像获得速度像。

其中，

01-望远镜，02-隔热片，03-滤光片，04-原子滤光器，05-分束器，06-第一F-P标准具选支器，07-第-CCD，08-第二F-P标准具选支器，09-第二CCD，10-计算机。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明：

本发明提出的基于F-P标准具选支的原子滤光太阳成像仪，采用一个原子滤光器和两个F-P标准具选支后，由CCD检测出分光谱太阳图像，经处理，可以获得全日面的多普勒图像。采用F-P选支技术每次只让原子滤光器的双峰之一透射，可以分别获得红翼峰和蓝翼峰的单独太阳图像，两者强度的差异代表着太阳中原子吸收谱线相对于原子滤光器中原子透射谱线的多普勒频移，即太阳中原子相对于滤光器中原子的运动。采用两组F-P光谱选支器，比传统的偏振选支结构简单，避免受到双折射效应的影响。此外，本发明同时开展Na、K滤光器的研究，为太阳色球层和光球层的观测提供了一种有效的探测装置。

太阳跟踪望远镜连续获取太阳光学影响，通过隔热光学和初虑光光学去除太阳热影响和其他波长杂散光的影响。置于原子泡前端的偏振光学P1和置于原子泡后端的偏振光学P2构成起偏和检偏系统，与原子泡及附属的磁场、热场器件共同构成双峰透射原子滤光器。分束光学将透射后的双峰光信号均分成两部分，分别送入两个与原子滤光器匹配的F-P标准具进行光学选支，最后由CCD1和CCD2分别对红翼峰和蓝翼峰太阳成像。Na、K原子滤光器的透射谱型均为双峰透射，透射峰的间距分别为20GHz和10GHz，透射带宽均为2GHz。

经原子滤光器后出射光为两翼透射的透射谱型(B和R)，即同时产生两个透射峰，将此光送入分束器后分两路输出，一路经第一F-P标准具选支器后送入第一CCD，可获得蓝翼峰的透射信息(B)，另一路经第二F-P标准具选支器后入第二CCD，可获得红翼峰的透射信息(R)。

要实现F-P标准具选支，要求其自由谱范围大于原子滤光器的双峰间距，而其透射带宽要小于原子滤光器的双峰间距。而且，为了实现稳定的选支功能，要求F-P标准具不能对原子滤光器的双峰跳级透射，这要求F-P标准具的自由谱范围尽可能大。

计算机用于采集来自CCD的图像数据进行科学运算获得需要的观测数据，同时完成对F-P的驱动和CCD同步控制的功能。

本发明提供的基于F-P标准具选支的原子滤光太阳成像仪，具体结构如图1所示，包括：望远镜01，隔热片02，滤光片03，原子滤光器04，分束器05，F-P标准具选支器06、08，两部CCD07、09，及计算机10组成；其中：望远镜01、隔热片02、滤光片03、原子滤光器04、分束器05、第一F-P标准具选支器06、第一CCD 07依次同轴排列；在分束器05反射光轴的方向上依次同轴安装第二F-P标准具选支器08、第二CCD09，第一CCD 07、第二CCD09的输出端分别与计算机10连接。

其中：所述的原子滤光器04采用钠原子滤光器、或钾原子滤光器、或氦原子滤光器，或钙原子滤光器。

基于F-P标准具选支的原子滤光太阳成像仪的工作流程：

太阳光被望远镜01收集并准直后经隔热片02和滤光片03滤除背景光，保留钠光谱成分，即太阳大气层钠原子的吸收。再经原子滤光器04得到钠吸收谱线的两翼透射结果，其中双峰原子滤光透射谱型如图2所示。用分束器将双峰原子滤光的透射结果分为两支，分别送入第一标准具选支器06和第二标准具选支器08，原子滤光与F-P标准具选支方案如图3所示，继而经精密的入射光调整，可使之分别只通过红翼峰和蓝翼峰，原子滤光双峰与F-P标准具的配合如图4所示。将得到的光谱特性，送入两部CCD，即可获太阳不同光谱特性的两幅图像(R和B)，两者强度的差异代表着太阳中原子吸收谱线相对于原子滤光器中原子透射谱线的多普勒频移。计算机用于采集和处理这两幅图像，对其进行差分处理，可获得太阳中原子的相对运动速度。再扣除已知的太阳自转、日地相对运动速度等信息，得到太阳大气中太阳物质的净运动速度，如图5所示。