CCD离焦对现代日晕光度计测量结果影响分析*

刘顺庆，刘 煜，宋腾飞，张雪飞，温 骁

(中国科学院国家天文台/云南天文台，云南 昆明 650011)

在美国下一代大型太阳望远镜ATST选址中，人们研制出了具有现代意义上的首架日晕光度计(SBM)，它是对传统埃文斯(Evans)目视日晕光度计的突破和创新，有效兼顾了光度计和日冕仪的特色［1－2］。云南天文台于2009年底开发研制了国内首架现代日晕光度计，并利用它在2010年1月大理日环食和随后其它许多太阳址点监测中采集到大量多波段日晕(太阳附近天空背景)数据［3］。国外现代日晕光度计中将镜筒和CCD系统完整集成为一体，这虽然在一定程度上保障了设备稳定性，但同时也增加了单个元件的携运体积和重量。考虑到我国西部太阳选址的野外踏勘阶段将面临不少高山险境，从人员安全保障方面考虑需要将选址设备设计得尽量小型化和灵活化。因此与国外现代日晕光度计不同的是，在设计上让CCD系统可从主镜筒后端被自由拆卸分离，这样一方面减少了镜筒长度和运输中CCD被碰损的危险，另一方面也便于人工携带。

云南天文台现代日晕光度计多波段数据采集系统于2010年底在昭通大山包和2011年初在昆明凤凰山进行了多次测试分析，初步得到了较合理的白昼大气条件比较结果［4］。但是在野外数据采集前，每次均需要人工安装CCD，这将不可避免产生或多或少的CCD离焦现象。本文对这种系统测量误差进行详细分析，以充分掌握现代日晕光度计数据的可靠性。

1 云南天文台现代日晕光度计的成像特点

云南天文台日晕光度计的CCD相机采用的是SBIG公司的新一代ST402ME-c1产品，具有低噪音和低暗流等优点。CCD中测光系统使用的窄带滤光片波段分别为蓝、绿、红和水汽带。4个滤光片的具体参数分别为:蓝波段λ 450 nm，绿波段λ 530 nm，红波段λ 890 nm，水线λ 940 nm，它们的带宽均为10 nm。该CCD的冷却方式有电致冷和风扇两种方式，能够使CCD工作温度保持比周围环境低25°左右。

在每次野外观测之前，需要将分装在不同仪器箱内的CCD和主镜筒组合安装在一起。其中连接CCD和镜筒的是一个口径1.25英寸具有T型螺纹的突鼻旋筒(Nosepiece)(图1)。该T形旋筒具有螺纹的一端旋入CCD正面窗口内边缘，而另一端直接插入望远镜目镜筒。在试验阶段对现代日晕光度计整体光学系统做过标定，包括在T形旋筒上做了插入深度的标志，确保焦平面基本在CCD感光面板附近。

由于现代日晕光度计的4个同时工作波段覆盖了450～930 nm较宽波长范围，整体光学系统仅使用了一块普通消色差透镜，因此现代日晕光度计各波段的成像焦平面实际不是理想重合。另一方面，在安装过程中不同观测者将T形旋筒插入的深度也存在差异。根据实践考察，这种深度差异可达2～3 mm。目前尚没有公开文献讨论过这种系统偏差对日晕测量的影响。试验方案为:首先利用稳定的日照条件，通过手工改变T形旋筒深度(0～7 mm)快速(3～4 min内)采集一组不同成像距离处的日晕亮度数据。然后通过分析日晕强度变化和旋筒深度的关系就可以研究CCD的离焦对测量结果的影响。

现代日晕光度计多波段测光分析过程可参考文［4］，日面中心和太阳半径的确定方法可参考文［5］。

图1 日晕光度计所用的ST-402ME型CCD相机接口附件类型其中包括1.25英寸口径的T型螺线物镜旋筒(下文均简称为T形旋筒)。该图来自SBIG官网 (http://ftp.sbig.com/products/402_new.htm)Fig.1 Optional Attachments for the ST-402ME.Note that the 1.25"nosepiece matched with t-threads is included.(From http://ftp.sbig.com/products/402_new.htm)

2 新疆奇台县试验结果

2011年6月12日，携带日晕光度计在新疆奇台县气象局内进行数据采集试验。奇台位于准噶尔盆地东南部，地势开阔，年均晴日数多。观测当日晴空少云，风向风速稳定，为试验提供了相对稳定的天空背景亮度条件。

图2给出了试验前和试验过程中采集的样本数据及分析结果。图2(a)显示了试验前15 min内各波段天空背景亮度变化情况(该数据对应于表1中的序列1)。该序列各波段日晕强度的本身变化在1.7%左右浮动(表1)。由于观测点的海拔仅为788 m，日晕强度较高，达到70个单位(日面中心亮度百万分之一)左右。但是各波段的时间缓慢变化仍然显示了该地该时的大气稳定性。尤其是日晕强度随波长分布的特征参数γ指数比较稳定，从另一个定量的角度表明试验前的观测条件是比较稳定的(图2(b))。

在随后的286 s内等间距地改变CCD的T形旋筒在镜筒内深度，完成从最深到最浅、又到最深的过程。将该过程连续重复了两次，旋筒最大探入深度差异为7 mm。比较结果显示在图2(c)～(f)中(它们对应于表1中的序列2)。可见离焦过程中的日晕亮度在短时标内的变化幅度明显比正常观测序列(图2(a))大，而且在蓝带和绿带数据里能够看出明显的周期性变化规律。图中各波段的日面中心亮度均用灰色粗线表示。理论上，CCD日像中心亮度急速达到最强的时候应该是它正处于焦平面的位置，此时日晕测量值相对日面中心亮度就应该达到最弱;反之，当日面中心亮度愈弱则暗示CCD感光面板距离焦平面愈远，此时日晕测量相对值就会愈强。对日面中心亮度和日晕测量值做了相关分析，相关系数C结果列于表1最右栏。从表1可以看到，代表正常观测时的序列1总体上没有显示出明显的相关性。而离焦试验的序列2在短波段(蓝和绿)显示了较明显的相关性，相关系数分别为－0.815和－0.627。在序列2中未能发现长波段的明显相关性。作者认为这或许是在试验过程中天空背景亮度自身发生了某种波动。

因此在随后的离焦试验中尽量缩短试验时间，将序列2中的连续重复两次改成一次，同时减小T形旋筒步长，使得试验能够在200 s左右取得更精确的数据。

图2 2011年6月12日新疆奇台数据分析结果(a)CCD离焦试验前4个波段定标天空背景亮度演化，其中实线、点线、虚线和点虚线分别代表蓝、绿、红和水汽吸收波段;(b)显示了离焦试验前日晕亮度的波长关系指数的稳定演化;(c)～(f)分别表示各波段在离焦试验过程中的强度变化，其中灰色粗线代表各波段的日面中心亮度轮廓(注意:为对比显示方便，它们均乘了一个适当因子。以下图形均相同)，黑线类型与(a)中含义一致。日晕亮度的单位为日面中心的百万分之一Fig.2 The analysis results for Qitai，Xinjiang measured in June 12，2011.(a)The temporal variations of sky brightness of the four bands just before the CCD defocusing test.The solid，dotted，dashed，and dotted-dashed curves are for the blue，green，red，and water-vapoar absorption bands，respectively.(b)The wavelengthdependence index γ of the scattered sky brightness vs.time showing stable air conditions.(c)－(f)Sky brightness measured during the defocusing test for each of the four bands.The thick grey lines represent the normalized temporal variations of the solar-center intensity，the black lines have the similar meanings as in(a).The Y axis is in units of one millionth of solar-center intensity.

表1 CCD离焦测试结果列表Table 1 Results of each CCD defocusing experiment

3 宁夏石嘴山市试验结果

2011年6月24日，在宁夏石嘴山又进行了多次CCD离焦试验。测试点位于星海湖湖心一座小岛，海拔为1100 m，湖面积20 km2，平均深度6 m。

图3显示了第1组数据(08:47～08:50;表1中的序列3)的分析结果。除水汽波段，其它各波段的日心亮度轮廓接近V型，与相应的日晕强度轮廓形成明显反相关联系，证实了之前的理论预测。也许是测量该组数据时太阳刚升起不久，湖面水汽蒸发不稳定，导致水汽吸收带轮廓的V型不太明显，因此该波段测量结果的相关系数较弱。

图4和图5分别显示了第2组(09:27～09:30;表1的序列4)和第3组数据(11:34～11:38;表1的序列5)的分析结果。这两次结果总体均好于第1组数据，各波段日心轮廓呈现很明显V型。相关性分析结果表明第3组最接近－100%的理想值状态(图5;表1的序列5，参见最右栏相关系数)。

表1列出了这3组数据的日晕平均绝对偏差量A、日晕平均绝对偏差量A的相对值B、日晕和日面中心亮度相关系数C。第3组的A值明显比其它两组数据偏高，这是与当地浮尘规律密切相关的。正午前后风速加大导致空气从贺兰山脉外携带的浮尘增加，日晕亮度具有间歇性加强的特点。因此第3组数据中的A值和B值应该有周围环境(浮尘)的部分贡献，其真实值应当小许多。

图3 2011年6月24日宁夏石嘴山的第1组数据分析结果(a)～(d)分别表示各波段日晕和日面中心在离焦试验过程中的强度变化Fig.3 The results based on the first set of data for Shizuishan，Ningxia measured in June 24，2011.(a)－(d)Sky brightness and solar-center intensity curves measured during the defocusing test for the four bands.

图4 2011年6月24日宁夏石嘴山的第2组数据分析结果(a)～(d)分别表示各波段日晕和日面中心在离焦试验过程中的强度变化Fig.4 The results based on the second set of data for Shizuishan，Ningxia measured in June 24，2011.(a)－(d)Sky brightness and solar-center intensity curves measured during the defocusing test for the four bands.

图5 2011年6月24日宁夏石嘴山的第3组数据分析结果(a)～(d)分别表示各波段日晕和日面中心在离焦试验过程中的强度变化Fig.5 The results based on the third set of data for Shizuishan，Ningxia measured in June 24，2011.(a)－(d)Sky brightness and solar-center intensity curves measured during the defocusing test for the four bands.

4 结论与讨论

通过2011年6月在新疆和宁夏两个太阳址点进行的现代日晕光度计CCD离焦试验，取得了5组比对数据序列(表1)。其中序列1为正常准焦状况下的数据，得到日晕平均绝对偏差量与日晕平均强度的比值B基本在1.7%左右，该值可视为日晕本身亮度随机变化。其它序列2～5为CCD离焦状态下的资料。在离焦过程中采集的数据证实了理论上的日晕和日面中心亮度的强相关性。

经过同权重统计分析得到各波段的B值为4.60% ±3.09%(蓝)、3.56% ±0.81%(绿)、3.90%±2.02%(红)和2.93% ±1.36%(水线)。若扣除日晕本身亮度随机变化量1.7%，那么得到由于现代日晕光度计的CCD显著离焦造成的相对测量误差应在6%以内。将各波段的统计结果汇总在表2中，包括日晕和日面中心强度的相关系数C值。表2显示，当波长由短变长时，各波段对应的相关系数C分别为－92.56% ±5.82%，－86.73% ±12.01%，－69.28% ±27.11%，－44.85% ±41.98%。因此这些相关系数C似乎与观测波段相关，即波段越短，日晕强度与日心强度的负相关性越好，其物理原因有待进一步研究。

通常优良太阳台址的日晕参数为5～20亮度单位(百万分之一日面中心强度)，根据表1的结果，其对应的CCD严重离焦时引入的系统误差为0.3～1.2亮度单位，这个量与现代日晕光度计设备内部散射光水平几乎一个量级(将付另文撰写)。何况在正常情况下，即观测者基本按照T形物镜旋筒刻线标志安装CCD设备时，日晕测量的相对误差一般远小于6%。因此在试验的基础上，作者认为这种系统误差对优良址点的测量影响非常小，基本可以忽略。

表2 CCD离焦试验的各波带统计平均结果Table 2 Statistical results of the CCD defocusing experiments for each wavelength band

致谢:感谢新疆奇台县和宁夏石嘴山市气象局专家的热情帮助。

［1］刘煜，高菁华，裴晓星.埃文斯目视日晕光度计测量原理研究 ［J］.天文研究与技术——国家天文台台刊，2012，9(3):290－294.Liu Yu，Gao Jinghua，Pei Xiaoxing.Principle of measurement of the evans visual sky photometer［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2012，9(3):290－294.

［2］Lin H S，Penn M J.The advanced technology solar telescope site survey sky brightness monitor［J］.The Publications of the Astronomical Society of the Pacific，2004，116(821):652－666.

［3］刘念平，刘煜，申远灯，等.日晕测量与日晕光度计外缘杂散光抑制试验 ［J］.天文学报，2011，52(2):160－170.Liu Nianping，Liu Yu，Shen Yuandeng，et al.Measurement of sky brightness and suppression of scattering in sky brightness monitor［J］.Acta Astronomica Sinica，2011，52(2):160－170.

［4］刘顺庆，段辑，张雪飞，等.现代日晕光度计多波段测光系统初步测试结果分析 ［J］.天文研究与技术——国家天文台台刊，2012，9(2):168－175.Liu Shunqing，Duan Ji，Zhang Xuefei.Analysis of the preliminary measurements taken by the multicolor photometric system of the YNAO sky brightness monitor［J］.Astronomical Research ＆Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2012，9(2):168－175.

［5］温骁，刘煜，宋腾飞，等.日晕光度计图像中心自动定位方法研究 ［J］.天文研究与技术——国家天文台台刊，2012，9(2):176－183.Wen Xiao，Liu Yu，Song Tengfei，et al.Automatic positioning methods of positioning solar-disk center in images taken by a solar-halo photometer ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2012，9(2):176－183.