抚仙湖一米红外太阳望远镜Hα窄带滤光器扫描轮廓的检测与修正

徐 稚，杨 磊，向永源，郑艳芳，毛伟军，金振宇

(1.中国科学院云南天文台抚仙湖观测站，云南 昆明 650011；2.中国科学院南京天文光学技术研究所，江苏 南京 210042)

抚仙湖一米红外太阳望远镜Hα窄带滤光器扫描轮廓的检测与修正

徐 稚1，杨 磊1，向永源1，郑艳芳1，毛伟军2，金振宇1

(1.中国科学院云南天文台抚仙湖观测站，云南 昆明 650011；2.中国科学院南京天文光学技术研究所，江苏 南京 210042)

抚仙湖1 m红外太阳望远镜的重要终端之一是多通道高分辨成像系统，主要由两路宽带和一路窄带成像系统组成。目前窄带成像系统的工作谱线为Hα。主要介绍了窄带成像系统扫描轮廓的检测和修正。主要检测内容包括扫描轮廓的中心波长位置、扫描轮廓对称性、前置滤光片对扫描轮廓的影响、滤光器工作温度稳定性等问题。检测结果显示:扫描轮廓在656.281－0.15 nm到656.281＋0.4 nm的范围内与理论轮廓较好地吻合，而在656.281－0.15 nm到656.281－0.4 nm的范围内明显衰减。同时轮廓中心波长位置(即强度最低点的波长位置)相对于滤光器显示的“0 nm”偏带点蓝移了0.013 nm。针对上述检测结果，将滤光器的工作温度提高了约0.3℃。在温度调整之后，扫描轮廓的整体特征不变，轮廓中心波长位置与“0 nm”偏带点偏差小于0.004 nm，同时红蓝翼对称偏带点的强度差异小于10% (对应1.8 km/s的多普勒速度测量误差)。目前可以明确，扫描轮廓的蓝翼衰减是由前置滤光片造成，对于常用工作范围(656.281±0.1 nm)，可以忽略前置滤光片的影响。滤光器工作温度比较稳定，1个月内温度变化幅度的标准方差约0.001 7℃。目前，该滤光器仍存在的问题是扫描轮廓在“0 nm”偏带点略有突起，幅度在6%～8%。建议在以后的使用过程中，需要定期定量地对滤光器的扫描轮廓以及前置滤光片的透过率曲线进行检测。

Hα观测；窄带滤光成像；利奥滤光器扫描轮廓

CN53－1189/P ISSN1672－7673

抚仙湖1 m红外太阳望远镜(New Vacumm Solar Telescope，NVST)是我国新一代地面大型太阳观测设备之一[1]。主要的终端设备包括“多通道高分辨率成像系统”[2]和“垂直光谱仪系统”[3]。高分辨成像系统最终要实现5个波段的同步成像观测，表1给出了该系统不同通道的工作波长、观测目标及主要性能参数。目前系统主要工作于TiO-band、G-band和Hα 3个波段，观测结果充分展示了NVST高空间分辨率的观测能力。其中TiO和G-band为宽带成像系统，带宽1 nm。Hα为窄带成像系统，带宽仅为0.025 nm，透过带的中心波长可在656.281±0.4 nm的范围内变动。

对于窄带成像来说，单一波长点的观测结果通常难以给予正确的物理解释。诸如，活动区内的某些增亮现象有时并非意味着局地的温度增加，也有可能是此处的低温物质存在一定的视向速度，并使其在原有波段中已经无法再被观测为“吸收”现象，和周围对比后造成了“增亮的”假象。所以为了能较为清晰地理解观测结果，需要利用窄带成像观测来获得一些谱线观测所能提供的有效物理信息。通常的做法是利用滤光器透过带中心波长可调这一特点，在多个波长点依次进行窄带成像观测。这样在图像的每一个空间点上，都能获得一条“波长扫描轮廓”，本文简称“扫描轮廓”。通过分析扫描轮廓的某些特性，例如轮廓宽度、整体位移等，能较为准确地分析和理解观测现象。而该工作的重要前提是保证扫描轮廓的准确性，所谓准确性主要包括:扫描轮廓的宽度、中心位置、对称性等等。

就Hα观测来说，国际上普遍采用的采集方式是在谱线线心和2或3对红蓝翼对称波长点上进行顺序观测，即总共由5或7个波长点来构成扫描轮廓[4]，扫描范围通常介于656.281±0.1 nm。获取扫描轮廓的过程势必会降低单一波长点上的采集频率，例如考虑目前NVST所配备的探测器的采集速率以及后期数据处理对采集幅数的要求，如果仅在－0.03、0.00、0.03 nm 3个波长点上进行顺序采集，那么单一波长点的时间分辨率约42 s。

2013年4月，由南京天文光学技术研究所研制的新Hα利奥滤光器安装于NVST高分辨窄带成像系统中。在其他参数不变的前提下(表1)，透过率较之以前有了较大的提高。在该滤光器投入使用后，首要任务是对成像系统的扫描轮廓进行检测。由于各方面条件的限制，并没有使用光谱仪，而是利用了滤光器的实测数据。主要检测内容包括:扫描轮廓的中心位置、对称性、前置滤光片的影响以及滤光器工作温度的稳定性。

表1 多通道高分辨成像系统的主要性能参数Table 1 Main performance parameters of the multi-channel high-resolution imaging system

本文首先描述了上述问题的检测方法、过程和结果，之后给出目前所采用的调整方法，以及调整之后扫描轮廓的修正效果。

1 扫描轮廓中心位置的检测与修正

1.1 扫描轮廓中心位置的检测

检测扫描轮廓中心位置是指检测滤光器显示的“0 nm”偏带点是否对应扫描轮廓强度的最低点，并求出两者的偏移量。

这里主要采用了两种方法获取扫描轮廓:(1)自动扫描，即利用滤光器的波长转换功能，在整个波长范围内(656.281±0.4 nm)进行自动波长扫描。自动扫描轮廓采样点较多，轮廓比较光滑，易于和理论轮廓进行比较，能反映滤光器波长转换速度是否稳定、轮廓整体是否对称等问题。(2)主动扫描，即在已知的某些固定波长点上进行波长扫描，人为决定扫描步幅或采集点，范围集中在656.281±0.1 nm之内。主动扫描轮廓易于判断扫描轮廓强度最低点的波长位置。两种方法都需要在无云情况时进行数据采集，观测目标为日面中心，远离活动区的随机位置。下面分别阐述两种方法的检测过程和结果。

自动扫描轮廓的获取方法为:首先将观测波长点定于656.281＋0.4 nm，此时滤光器显示“＋0.4 nm”偏带波长点，然后进行图像采集。在保持采集状态下，将观测波长点改为“－0.4 nm”偏带点，这时滤光器自行开始波长转换，我们正是将这一转化过程全部记录下来而获得扫描轮廓。采集波长点(或采集步幅)是由滤光器的波长转换速度和探测器的图像采集速度决定。采集的时间顺序(或采集的幅数)与波长息息相关。假设滤光器的波长转换速度和探测器的图像采集速度比较稳定，那么两者则有很好的等价关系。

这里的波长扫描顺序是不能改变的。该滤光器从“＋”偏带波长方向到“－”偏带波长方向转换时，扫描方向是单一的。但从“－”到“＋”转换时，则会在“0 nm”偏带点反复扫描，破坏了时间顺序和波长的单一关系。图1展示了在波长扫描过程中的部分图像。

图1 举例展示自动波长扫描过程中的观测数据Fig.1 Examples of the observation data obtained during the automatic wavelength-scanning using the Lyot filter

为了进一步降低日面上某些吸收或发射现象对扫描轮廓的影响，只考虑每一幅图像的空间平均值。图2是获得的656.281±0.4 nm范围内的自动扫描轮廓(黑色十字符号)，横轴是采集图像的时间序列。利用某些特征吸收线，将扫描轮廓与标准FTS轮廓(细实线)进行了比较(FTS: Fourier Transform Spectrometer at the McMath/Pierce Solar Telescope)。

通过比较发现:(1)扫描轮廓在约656.281－0.15 nm到656.281＋0.4 nm的范围内(右侧方块所示区域)与标准轮廓较好地吻合，但在656.281－0.4 nm到656.281－0.15 nm的范围内有明显的衰减(衰减的原因将在第3章定量讨论)。但该衰减并不影响判断整体轮廓(特别是在656.281±0.1 nm的范围内)比较光滑，这反映出滤光器的波长转换速度非常稳定。由此，根据采集的总幅数(950幅)和波长的总间隔(0.8 nm)可以大致推算相邻两幅图像之间的波长间距约0.000 84 nm。(2)扫描轮廓的波长范围相对标准轮廓范围有明显的偏移(箭头所指区域)。换言之，当利用某些吸收的位置把扫描轮廓和标准轮廓对齐之后，线翼的截止波长出现明显偏移。根据前面的估算，箭头所示的区域(约15幅)大致对应0.012 6 nm。(3)由于系统存在杂散光，扫描轮廓在Hα线心部分的强度要高于标准轮廓值。

图2 扫描轮廓与标准轮廓比对。扫描轮廓为黑色十字叉符号，扫描范围656.281±0.4 nm。X轴为采集图像的时间序列。红线为FTS标准轮廓，范围656.281 ±0.4 nm，波长递增方向为从左到右Fig.2 Comparison between the profile from the wavelengthscanning with the Lyot filter(the black plus symbols) and the FTS profile(the red solid curve).The wavelength ranges of both profiles are 656.281±0.4nm

主动扫描轮廓的获取方法为:人为设定若干采集波长点进行图像采集，由滤光器的参数显示获得采集点的波长信息。图3是利用这种方法获得的在656.281±0.1 nm范围内的主动扫描轮廓，波长采样点间隔0.012 5 nm(共17个采样点)。同时对轮廓的采样点进行了内插以提高轮廓的平滑性。

从主动扫描轮廓可以看出:(1)扫描轮廓在“0 nm”偏带点的强度略有突出(“0 nm”偏带点位置由黑色短线所示)。根据估算，该点的强度需降低约6%才能提高轮廓在此点的平滑性(如绿线所示)。(2)即便提高了轮廓的光滑性，“0 nm”偏带点仍没有对应轮廓强度最低点。垂直红线显示此时轮廓强度最低点的波长位置约在“－0.013 nm”处。

这里需要补充的一点是，上述特征和结论与采样点密度无关。分别采用了21个采样点(波长间隔0.01 nm)、17个采样点(波长间隔0.012 5 nm)和9个采样点(波长间隔0.025 nm)的观测模式，均获得较为一致的结论。

综上所述，自动和主动扫描轮廓都反应一个相同的问题:“0 nm”偏带点位置有所偏移。它与扫描轮廓强度最低点所对应的波长位置(即轮廓的中心位置)的相对偏移量约为0.013 nm。

1.2 温度调整与扫描轮廓中心位置的移动

针对1.1中的检测结果，对滤光器的工作温度进行了调整。滤光器工作温度与轮廓强度最低点的波长位置移动的关系是:工作温度提高1℃，则强度最低点波长红移0.04 nm。因此将滤光器的工作温度提高约0.3℃，大致由原来的41.95℃调整为42.22℃。温度调整之后，再次进行了自动和主动扫描轮廓的采集和检测，步骤同上。

图4和图5分别为温度调节后的自动扫描轮廓和主动扫描轮廓。比较图2和图4以及图3和图5发现:(1)自动扫描轮廓显示，温度升高之后，轮廓基本特性不变，但原有的线翼截止波长差异问题基本消除。(2)主动扫描轮廓显示，“0 nm”偏带波长点的强度仍略有突出。若该点强度略微降低6%～8%，不仅可提高轮廓的平滑性，而且此点几乎是整个轮廓的强度最低点。

图3 主动扫描轮廓，采样点为:偏带－0.10 nm，－0.087 nm，－0.075 nm，－0.063 nm，－0.05 nm，－0.037 nm，－0.025 nm，－0.013 nm，0.00 nm，0.013 nm，0.025 nm，0.037 nm，0.05 nm，0.063 nm，0.075 nm，0.087 nm，0.1 nm。实线是差值后的效果。黑色短线表示“0 nm”偏带位置点，红色短线表示“－0.013 nm”位置点Fig.3 The profile from the manually planned scanning with the sampling points at－0.10nm，－0.087nm，－0.075 nm，－0.063nm，－0.05nm，－0.037nm，－0.025nm，－0.013nm，0.00nm，0.013nm，0.025nm，0.037nm，0.05nm，0.063nm，0.075nm，0.087nm，and 0.1nm off the central band.The black vertical dashed line indicates the central band.The red vertical dashed line indicates－0.013nm off the central band

2 扫描轮廓的对称性检测

温度调节后，对扫描轮廓的对称性进行了检测，目的是检测红蓝翼对称波长点的强度差异，即(Ib－Ir)/Ib。这里“r”代表红翼波长点，“b”代表蓝翼波长点，两者与线心的波长差距一致。在图5的主动扫描轮廓中，相同的颜色表示红蓝翼对称波长点的强度值。而在图6中则将该强度差异定量地显示出来(如“◇”所示)。在图6中，同时也给出了利用FTS标准谱线进行的相应计算(如实线所示)。首先，由标准轮廓计算得到，±0.07 nm处的强度差异最大(约8%)。这个差异是由＋0.07 nm处的大气水线吸收造成。同时，强度差异随波长的变化没有整体规律性(换言之，红翼强度并不整体大于蓝翼强度)。其次，由扫描轮廓得到的不同波长点的强度差异也没有整体规律。这说明，该差异不是由“0 nm”偏带点偏移所造成，即“0 nm”偏带点已经非常接近扫描轮廓的中心位置。

图4 调节温度之后的自动扫描轮廓Fig.4 The profile from the automatic wavelength-scanning after the temperature adjustment

图5 调节温度之后的主动扫描轮廓Fig.5 The profile from the manually planned scanning after the temperature adjustment

图6 分别由扫描轮廓和FTS标准轮廓计算得出的对称偏带波长点上的强度差别(Ib-Ir)/Ib。◇符号为扫描轮廓计算结果，实线为标准轮廓计算结果Fig.6 Profile asymmetric indices.An asymmetric index is the relative intensity difference between sampling points symmetric about the central band，(Ib-Ir)/Ib.The diamonds represent the results for the profile in Fig.5.The solid curve represents the results derived from the FTS profile

此外，扫描轮廓强度在±0.02 nm处的差异最大(约10%左右)。根据标准轮廓计算得出，这个差异量相当于“0 nm”偏带点偏移轮廓中心位置0.004 nm(或者说，标准轮廓整体漂移0.004 nm)。综合考虑其他波长点处的强度差异，可以粗略估计，此时滤光器的“0 nm”偏带点的偏移量应小于0.004 nm(约是透过带带宽的16%)。根据多普勒效应计算，0.004 nm的偏移量约造成的视向速度测量误差为1.8 km/s。

3 前置滤光片对扫描轮廓的影响与修正

在Hα窄带滤光器之前配置了一款3腔结构的干涉滤光片作为前置滤光片，其透过率曲线如图7。具体来说，透过率在波长656.41 nm达到极大(61.7%)，在655.90至656.90 nm的1 nm范围内，透过率均高于50%。透过率高于10%的带宽可达1.4 nm，高于1%的有2 nm。前置滤光片的透过率曲线并不以656.281 nm(如蓝线所示)为中心呈对称分布，相对红翼来说，蓝翼的透过率随波长减小而明显下降。所以，我们怀疑这是导致系统扫描轮廓蓝翼衰减的主要原因。为了证明这一点，利用前置滤光片的透过率曲线对扫描轮廓进行了修正，并与标准轮廓进行了比对，如图8。

图8集中展示了介于656 nm至656.5 nm范围内“扫描轮廓”(红短线)、“前置滤光片透过率曲线”(蓝线)、“FTS标准轮廓”(黑线)以及“修正扫描轮廓”(紫色菱形线)。结果显示，如果考虑前置滤光片透过率曲线的影响，修正后的扫描轮廓能较好地吻合标准轮廓，这证明了扫描轮廓的蓝翼衰减是前置滤光片所致，与窄带利奥滤光器无关。图中也用绿线显示了滤光器的常用工作范围(656.281±0.1 nm)。在该范围内，几乎可以不考虑前置滤光片对扫描轮廓的影响。

图7 前置滤光片透过率曲线。型号Andover T340-01。有关透过率以及带宽详情参见文中描述。蓝线显示656.281 nm波长位置Fig.7 The transmission function of the filter in front of the Loyt filter system(in percentages).See the text for details about the peak value and band width.The blue vertical line indicates the wavelength 656.281nm

图8 前置滤光片透过率曲线对于扫描轮廓的影响。黑线为标准轮廓，红虚线为扫描轮廓，蓝线是前置滤光片的透过率曲线，紫色菱形线是修正的扫描轮廓。Y轴刻度是轮廓的相对强度Fig.8 The FTS profile(the black curve)，the profile from the scan(the red dashed curve)，and the corrected profile from the scan(the purple curve).The transmission function of the front broad-band filter is shown as the blue curve in arbitrary units.The profiles are plotted in relative scales

4 滤光器工作温度的稳定性

在上文提到，滤光器工作温度是否稳定决定了其扫描轮廓中心位置是否会漂移，所以滤光器投入使用后一直关注其工作温度的变化情况。

根据设计要求，滤光器工作温度的敏感度为0.001℃，精度0.01℃(对应波长0.000 4 nm漂移)。图9显示了在滤光器温度调制到42.22℃之后的一个月内的变化情况(2013年9月至10月)，每天早上开启观测和下午结束观测时各采集一次，计算得出该月内温度变化幅度的标准方差σ＝0.001 7℃。在10月之后，对滤光器的工作温度进行随机抽查，变化幅度约为1σ。

5 讨论与总结

本文主要对1 m红外太阳望远镜Hα窄带成像系统的扫描轮廓进行了检测，并通过提高温度修正了扫描轮廓的中心位置。目前扫描轮廓的中心位置与滤光器显示的“0 nm”偏带点的偏移量小于0.004 nm。对称偏带波长点的强度差异小于10%，这意味着视向速度测量误差约1.8 km/s。对于太阳色球层来说，视向速度的典型背景扰动约1～3 km/s。因此，目前滤光器的状态能够较好地符合对色球的观测要求。

系统目前仍然存在的问题有:

(1)前置滤光片对扫描轮廓的蓝翼部分有明显衰减，影响范围约在656.281－0.15 nm到656.281－0.4 nm之间。若波长扫描范围在656.281±0.1 nm内，那么可以忽略前置滤光片的影响。但如果波长扫描范围超出656.281±0.15 nm，则需要精确知道前置滤光片的透过率曲线，从而对其进行修正。这里还需要说明的是，对于干涉滤光片来说，当入射角增大时，透过率峰值对应的波长位置必然向蓝翼移动，所以可考虑略微倾斜放置前置滤光片，从而改善其在蓝翼的影响。这里暂时没有倾斜放置后的检测结果。

图9 滤光器工作温度的变化幅度。每天在上午和下午各采集一次Fig.9 Temperature variations of the Lyot filter within a month.Temperatures were measured in the morning and afternoon of each day

(2)扫描轮廓在Hα线心位置略有突起。这可能是由于利奥滤光器各级之间的透过率峰值不在同一线心位置所致。在条件允许的情况下，可考虑用摄谱仪检测滤光器的透过带轮廓，从而进一步确定其原因。

最后需要指出，利用文中的实测方法，应当对系统的扫描轮廓进行定期检测。考虑到前置滤光片随时间的性能衰减，也需要对其透过率曲线进行定期测量。

致谢：作者非常感谢在系统测试期间，1 m红外太阳塔运行组成员的积极配合。

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An Investigation of Spectral-Line Profiles from the Wavelength-Scanning with a Narrow-Band Hα Lyot Filter on the YNAO New Vacuum Solar Telescope

Xu Zhi1，Yang Lei1，Xiang Yongyan1，Zheng Yanfang1，Mao Weijun2，Jin Zhenyu1
(1.Fuxian Solar Observatory，Yunnan Observatories，Chinese Academy of Sciences，Kunming 650011，China，Email:xuzhi＠ynao.ac.cn；2.Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology，Nanjing 210042，China)

The 1m New Vacuum Solar Telescope(NVST)at the Fuxian-Lake Solar Observation Station of the YNAO is a new-generation ground-based solar research facility of China.One instrument on the NVST is a multi-channel high-resolution imaging system，which has been in operation since October 2010.The observation wavelength range of the system includes the Hα，TiO band，G band，Ca II 854.2nm，and He I 1083nm.Although only the channels of the Hα，TiO band，and G band have been used，the observations impressively demonstrate the high-resolution capability of the NVST.The channels for the TiO band and G band both use broad-band filters with full widths of 1nm.In contrast，the Hα channel uses a narrow-band filter with a full width of 0.025nm(corresponding to a spectral FWHM of～11km/s).The wavelength center of the channel can be adjusted within the range 656.281±0.4nm.Since profiles observed with narrow-band filters are severely blurred by Doppler broadening，some spectral-line information is needed to extract useful physical results from these.Profiles from wavelength scanning can provide the needed line information，which makes it important to achieve accurate wavelength scanning.A new Hα Lyot filter was installed on the NVST in April 2013.In this paper，we investigate the performances of this filter system by examining spectral-line profiles from the wavelength-scanning with it.We use the observations of the central parts of the solar disk with the multi-channel imaging system to derive Hα line profiles.Our investigation focuses on the following aspects: deviations between the filter central band and the centers(e.g.absorption peaks)of the line profiles from the scanning，the symmetries of the profiles from the scanning，influences of a front broad-band filter，and the stability of the temperature of the system.We have found the following results.(1)The center of a line profile from the scanning is 0.013nm away from the filter central band(“0nm”).The deviation can be corrected through increasing the working temperature of the system by about 0.3℃.(2)After the correction，the deviation is reduced to less than 0.004nm by keeping the asymmetry of a profile below 10%.(3)The profile intensities at“0nm”are higher than the expected values by 6%to 8%.(4)The front broad-band filter has appreciable influences on the shapes of the profiles from the scanning only in the wavelength range 656.281－0.15nm to 656.281－0.4nm.(5)The working temperature of the filter system is stable，with the monthly standard deviation at about 0.0017℃.

Hα observation；Narrow-band profiles；Profiles from the scanning with a Lyot filter system

P111

A

1672－7673(2014)03－0239－08

2013－10－16；

2013－11－02

徐 稚，女，副研究员.研究方向:太阳物理、太阳光谱数据分析以及光谱仪研制.Email:xuzhi＠ynao.ac.cn