一種日冕儀平場測量和光強標定的裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及實測太陽物理領(lǐng)域，特別涉及一種日冕儀平場測量和光強標定的裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在日冕觀測發(fā)展史上，日冕儀的出現(xiàn)具有里程碑式的意義。自1931年法國科學(xué)家Iyot發(fā)明日冕儀以來，人類擺脫了只能在日全食觀測日冕的局限，日冕的觀測更加常規(guī)化。至今，無論是地面還是空間太陽觀測設(shè)備中，基于日冕儀的日冕觀測是其重要構(gòu)成部分之一，并推動了日冕、空間物理以及空間環(huán)境預(yù)報研究的迅猛發(fā)展。
[0003]日冕儀根據(jù)其觀測對象的不同可以分為E冕或K冕日冕儀，也稱發(fā)射線日冕儀或白光日冕儀，其區(qū)別于其它太陽或夜天文望遠鏡的主要不同是日冕儀需要掩體遮擋來自太陽的光，比如有的日冕儀觀測1.1到3個太陽半徑的日冕，1.1個太陽半徑以內(nèi)的光需要完全遮擋。當(dāng)今的日冕觀測多基于面陣成像器件(CCD或CMOS相機)，日冕儀中光學(xué)系統(tǒng)的臟點、漸暈以及面陣成像器件每個像元的感光差異均會影響到日冕成像的質(zhì)量，所以需要尋求有效的平場校正方法扣除上述影響。另外，盡管日冕觀測需要遮掉太陽光，但其強度定標多采用相對太陽光的強度來表示，即:10—xBsun，Β_代表太陽光，一般X的值在6-10之間，取決于其觀測視場的大小。因此，日冕觀測的數(shù)據(jù)處理除平場校正外，還需要一套光強標定的裝置?？梢?，日冕儀的平場改正和光強標定是基于日冕儀數(shù)據(jù)開展科學(xué)和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。
[0004]平場測量的關(guān)鍵是在觀測視場內(nèi)獲得均勻的面光源。太陽觀測因是面源觀測，可以采用的平場測量方法有以下幾種:1、選取日面中心寧靜區(qū)，隨機移動望遠鏡，多幀疊加獲得均勻面光源，該方法主要用在小視場觀測中，日冕儀視場較大不再適用。2、移動太陽像使得太陽像在面陣成像器件內(nèi)位置變化，采用最小二乘擬合方法擬合出平場，該方法可以用在局部和全日面太陽觀測中，其采用的軟件算法，需要精確的數(shù)據(jù)對齊，耗時較長，有時也會出現(xiàn)邊緣效應(yīng)，影響平場測量精度。因為日冕儀觀測需要靠掩體遮擋太陽，移動太陽像位置時太陽可能不在掩體遮擋范圍內(nèi)，太陽光相對日冕光很強，此時很容易飽和，所以該方法并不適合用在日冕儀上。
[0005]為得到面光源，夜天文觀測平場測量多采用圓頂平場或晨昏蒙影平場。圓頂平場需要在觀測圓頂內(nèi)建造一個幕布，一個光源，光源打到幕布上散射出均勻的面光源，該方法可以用到日冕儀上，但其成本較高。天光平場在日出或日落前后背對太陽的方向選擇一塊無云、盡可能均勻的天區(qū)，將該天區(qū)視做面光源，這個方法也可以用在日冕儀上，但其僅能在日出或日落前后幾十分鐘的時間內(nèi)測量平場，測量時間有限。且該方法受云雨等極端天氣的影響較大。
[0006]綜上所述，太陽觀測中常用的平場方法無法用于日冕儀觀測，夜天文觀測用到的方法可以應(yīng)用于日冕儀，但其或獲建造成本較高，或依賴天氣、可供使用時間太少。日冕儀的光強標定是相對太陽亮度而言，所以是相對定標。太陽是強光源，實驗室很難模擬其強度，所以實驗室的光強定標方法適用范圍有限。能否研制一套低成本、高精度、觀測期間可隨時使用、可兼顧平場測量和日冕光強標定的裝置是日冕觀測的關(guān)鍵技術(shù)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)中不具有可兼顧平場測量和日冕光強標定的裝置的缺陷，從而提供一種能夠同時可兼顧平場測量和日冕光強標定的裝置。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種日冕儀平場測量和光強標定的裝置，包括:乳白玻璃2、衰減片3、日冕儀4、濾光系統(tǒng)5、探測器6、圖像采集系統(tǒng)7;其中，
[0009]該裝置以天然面光源太陽作為光源，來自太陽的光經(jīng)所述乳白玻璃2擴散成大角度光源;所述大角度光源的光經(jīng)所述衰減片3調(diào)節(jié)入射光強度后進入日冕儀4，由所述日冕儀4的視場光闌選擇視場，形成均勻的面光源;所述濾光系統(tǒng)5對所述面光源發(fā)射的光進行波長選擇，特定波長的光經(jīng)探測器6、圖像采集系統(tǒng)7采集后存儲。
[0010]上述技術(shù)方案中，所述乳白玻璃2在裝置工作時旋轉(zhuǎn)。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述乳白玻璃2與衰減片3的組合實現(xiàn)的光強亮度在10—5BsurJlJ10—11Bsun之間。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述日冕儀4為內(nèi)掩式日冕儀，或外掩式日冕儀。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述濾光系統(tǒng)5為Iyot濾光器或干涉濾光片。
[0014]上述技術(shù)方案中，所述探測器6為面陣C⑶或CMOS相機。
[0015]上述技術(shù)方案中，所述圖像采集系統(tǒng)7用于探測器控制、數(shù)據(jù)采集和存儲、數(shù)據(jù)頭文件輸入;具體包括:調(diào)節(jié)探測器曝光時間、增益，控制探測器采像，存儲探測器采集的圖像，輸入觀測時間、觀測目標、天氣狀況在內(nèi)的參數(shù)。
[0016]本發(fā)明還提供了基于所述的日冕儀平場測量和光強標定的裝置所實現(xiàn)的日冕儀平場測量方法，包括:數(shù)據(jù)采集階段、計算平場階段;其中，
[0017]數(shù)據(jù)采集階段包括:
[0018]步驟101)、將所述乳白玻璃2和衰減片3放在日冕儀4的前方，安裝時盡可能保證其軸向和日冕儀的光軸平行；
[0019]步驟102)、驅(qū)動所述乳白玻璃2旋轉(zhuǎn)；
[0020]步驟103)、將所述日冕儀4對準太陽，保證太陽中心和所述日冕儀4中掩體中心一致；
[0021]步驟104)、測量多張平場像；
[0022]步驟105)、取下乳白玻璃2和衰減片3，關(guān)閉日冕儀4鏡蓋，采集多張暗場圖像；
[0023]計算平場階段包括:
[0024]步驟201)、讀取數(shù)據(jù)采集階段得到的多張暗場圖像，對這些暗場圖像求平均，得到暗場數(shù)據(jù)d;
[0025]步驟202)、依次讀取數(shù)據(jù)采集階段得到的各張平場像，對每張平場像減去步驟201)得到的暗場數(shù)據(jù)d，之后求平均并做歸一化處理，得到平場數(shù)據(jù)f。
[0026]本發(fā)明又提供了基于所述的日冕儀平場測量和光強標定的裝置所實現(xiàn)的日冕儀光強標定方法，包括:數(shù)據(jù)采集階段、計算平場階段和光強標定階段;其中，
[0027]數(shù)據(jù)采集階段包括:
[0028]步驟101)、將所述乳白玻璃2和衰減片3放在日冕儀4的前方，安裝時盡可能保證其軸向和日冕儀的光軸平行；
[0029]步驟102)、驅(qū)動所述乳白玻璃2旋轉(zhuǎn)；
[0030]步驟103)、將所述日冕儀4對準太陽，保證太陽中心和所述日冕儀4中掩體中心一致；
[0031]步驟104)、測量多張平場像；
[0032]步驟105)、取下乳白玻璃2和衰減片3，關(guān)閉日冕儀4鏡蓋，采集多張暗場圖像；
[0033]計算平場階段包括:
[0034]步驟201)、讀取數(shù)據(jù)采集階段得到的多張暗場圖像，對這些暗場圖像求平均，得到暗場數(shù)據(jù)d;
[0035]步驟202)、依次讀取數(shù)據(jù)采集階段得到的各張平場像，對每張平場像減去步驟201)得到的暗場數(shù)據(jù)d，之后求平均并做歸一化處理，得到平場數(shù)據(jù)f;
[0036]光強標定階段包括:
[0037]步驟301)、利用測量的平場像，減去暗場數(shù)據(jù)d，記為I1，測量時保證探測器測量的數(shù)值在探測器線性響應(yīng)范圍之內(nèi)；
[0038]步驟302)、將乳白玻璃和衰減片移出，按照日冕觀測模式測量同樣曝光時間的日冕數(shù)據(jù)，減去暗場d，記為12，測量時保證探測器測量的數(shù)值在探測器線性響應(yīng)范圍之內(nèi)。
[0039]步驟303)、利用乳白玻璃和衰減片的透過率計算日冕亮度;其中，假設(shè)只用乳白玻璃，其透過率為10—5，則相同曝光時間下的日冕亮度為= I2XlO-Vl1Bsun;假設(shè)同時使用乳白玻璃和10—1的衰減片，則其透過率為10Λ則相同曝光時間下的日冕亮度為:I2 X 10—VhBs?。
[0040]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0041]1、相比夜天文中常用的天光平場方法，本發(fā)明的面光源光強和日冕強度相近，而天光平場相比日冕強度弱，測量時需要增加曝光時間，所以本發(fā)明具有短曝光的優(yōu)點，可以提高平場測量的效率。另外，天光平場僅僅可以在早晨或黃昏時有限的時間測量，測量時間有限，本發(fā)明可以在有太陽的時間開展，可供測量的時間大大延長?？梢姳景l(fā)明具備光強足、信噪比高、曝光時間短、可隨時測量的優(yōu)點。
[0042]2、圓頂平場需要光源和漫散射幕布，置于圓頂內(nèi)部，成本較高。且人造光源的響應(yīng)范圍較窄，太陽光源可以覆蓋X射線到紅外光譜，其光譜響應(yīng)相當(dāng)寬。相比夜天文觀測中用到的圓頂平場，本發(fā)明不需要額外的光源系統(tǒng)，而是采用太陽這一天然光源，減少了光源的成本，具備低成本、寬光譜響應(yīng)范圍的優(yōu)點。
[0043]3、一般光強標定需要用到已知透過率的減光片，且觀測時需要將太陽偏離日冕儀視場中，操作復(fù)雜。本發(fā)明在平場測量的同時可以兼顧光強標定，操作簡單，具備低成本、操作簡便、多功能的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0044]圖1是本發(fā)明的日冕儀平場測量和光強標定的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045]圖面說明
[0046]I太陽2乳白玻璃
[0047]3衰減片4日冕儀
[0048]5濾光系統(tǒng) 6探測器
[0049]7圖像采集系統(tǒng)
【具體實施方式】
[0050]現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
[0051]參考圖1，本發(fā)明的日冕儀平場測量和光強標定的裝置包括:乳白玻璃2、衰減片3、日冕儀4、濾光系統(tǒng)5、探測器6、圖像采集系統(tǒng)7;其中，該裝置以天然面光源太陽作為光源，來自太陽I的光經(jīng)乳白玻璃2擴散成約90度的大角度光源;所述大角度光源的光經(jīng)衰減片3調(diào)節(jié)入射光強度后進入日冕儀4，由所述日冕儀4的視場光闌選擇視場，形成均勻的面光源；所述濾光系統(tǒng)5對所述面光源發(fā)射的光進行波長選擇，特定波長的光經(jīng)探測器6、圖像采集系統(tǒng)7米集后存儲。
[0052]下面對本發(fā)明的日冕儀平場測量和光強標定的裝置中的各個部件做進一步說明。
[0053]所述乳白玻璃2的透過率約10—5，在本發(fā)明的裝置工作時，乳