一米新真空红外太阳望远镜多波段光谱仪光谱弯曲分析

王瑞，徐稚，刘忠

(1.中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011；2.中国科学院大学，北京 100049)

一米新真空红外太阳望远镜多波段光谱仪光谱弯曲分析

王瑞1，2，徐稚1，刘忠1

(1.中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011；2.中国科学院大学，北京 100049)

在太阳长狭缝光谱观测中，光谱的狭缝方向和色散方向应该分别与CCD探测器的两个边缘平行。但实际上，由于狭缝、光栅、CCD探测器的机械安装精度等原因，会造成他们之间的位置关系不匹配，导致得到的太阳光谱总是存在一定的倾斜和变形。即使有时这些倾斜很微小，也会对太阳光谱的平场计算造成严重影响，从而影响整个光谱数据的处理过程。对抚仙湖1 m新真空红外太阳望远镜多波段光谱仪得到的一组Hα光谱数据的倾斜量做了测量和分析，并讨论了其对太阳光谱平场计算的影响。

1 m新真空红外太阳望远镜；多波段光谱仪；太阳Hα光谱；光谱弯曲

CN53－1189/P ISSN1672－7673

云南天文台1 m新真空红外太阳望远镜(the 1-meter New Vacuum Solar Telescope，NVST)是中国新一代地面大型太阳观测设备，有效口径980 mm，有效焦距45 m，位于云南玉溪抚仙湖，是抚仙湖太阳观测与研究基地的主要设备。主要的科学目标是在0.3 μm～2.5 μm波段对太阳进行多通道高分辨率成像观测、高分辨率光谱观测和磁场测量。主要设备有多通道高分辨率成像系统、多波段光谱仪、大色散光谱仪和自适应光学系统[1－2]。其中，多波段光谱仪是一个中等分辨率的闪耀光栅光谱仪(R～130000)，用于对太阳在可见光波段进行多谱线光谱观测，可实现三通道同时观测，目前3个通道分别设为Hα 656.3 nm、Ca II 854.2 nm和He I 1 083.0 nm[1]。多波段光谱仪的装调误差分析等工作已于2011年完成[3]，并在2012年7月获得初光光谱。本文对获得的Hα 656.3 nm光谱数据进行了光谱几何形变的测量和分析，并讨论其对太阳光谱平场计算的影响，为以后多波段光谱仪光谱数据预处理系统的建立提供前期的探索。

1 多波段光谱仪Hα 656.3 nm原始光谱数据

多波段光谱仪Hα 656.3 nm原始光谱数据拍摄于日面中心附近的宁静区，曝光时间是200 ms，观测当天视宁度较好。图1展示了Hα 656.3 nm原始光谱数据及其存在的一些问题。光谱上存在着一些附着在CCD封窗或是光路上的脏点和污垢；光谱仪狭缝上的灰尘和脏点也在光谱上造成了很多沿色散方向分布的细黑线；虚线标出了CCD边缘的方向，从虚线左侧的谱线可以看出光谱相对于CCD的边缘有一个明显的倾斜。

2 谱线倾斜量分析及其对平场计算的影响

选取一条细而深的吸收谱线做谱线倾斜量(光谱沿狭缝方向的几何形变)的测定，如虚线左边的那条吸收线。首先，测定每一行光谱中该吸收谱线的线心位置。鉴于选取的是一条细而深的光球吸收线，可用高斯轮廓对其线心部分进行拟合，并对线心位置做出估计[4－5]。取曲线中心区域附近的大约15个像素点，对其进行高斯拟合，拟合的峰值即为估计的线心位置。如果以第1行的线心位置作为参考(偏移量设为0)，那么由于谱线存在倾斜，各行线心就会存在相对的偏移量(以偏移的像素值表示)。这些偏移量分布的拟合结果反应了整幅太阳光谱的谱线倾斜。图2给出了多波段光谱仪Hα 656.3 nm原始光谱数据的倾斜量的测量结果。加号表示探测的谱线线心的相对位置，黑线是对线心分布的拟合，横轴是狭缝方向各像素点，纵轴表示线心的偏移量。对线心分布的拟合采用多项式拟合法，经过反复试验，发现一个二阶多项式足以很好地描述这一分布，拟合标准差(σ)为0.36。根据拟合结果，得到谱线倾斜偏移最大达到了25个像素。

图1 多波段光谱仪Hα 656.3 nm原始光谱数据Fig.1 A raw spectrum obtained by the Multi-Wavelength Spectrometer in the Hα(656.3nm)channel

这个倾斜量的存在不仅对光谱科学分析的结论造成影响，如测量谱线的多普勒移动，还会对平场的计算产生破坏。为了消除谱线的倾斜偏移，将每一行光谱根据所测出的相对偏移量进行移动，使得谱线平行于CCD的边缘。图3(a)和图3(b)分别展示了存在谱线倾斜和谱线倾斜校正后得到的平场。两个平场中都包含了原始光谱数据中存在的需要去除的非太阳光谱信息，如脏点、细黑线等。但是，由于光谱谱线倾斜的存在使得在图3(a)的平场中，各谱线位置处出现了明暗交替的起伏，这些起伏量在对原始数据进行平场处理时会被带入处理后的数据中，使光谱数据发生错误。图3(b)的平场则正确地反映了原始光谱数据中存在的各种伪信号。

图2 多波段光谱仪Hα 656.3 nm原始光谱数据谱线倾斜量Fig.2 The inclination of the raw spectrum obtained by the Multi-Wavelength Spectrometer in the Hα channel

3 结 论

实际观测中，所得到的太阳光谱通常会存在一定的倾斜或弯曲，光谱的这种几何形变会导致一个错误的平场。用这种错误的平场对数据进行处理，会使处理的结果发生错误从而影响光谱数据的分析结果。因此，对太阳光谱的几何形变不需进行预先的处理。一方面要努力提高光谱仪机械安装的精度，一方面可以通过后期的软件处理对残余的形变进行进一步校正。

图3 谱线倾斜(图(a))和倾斜校正后(图(b))计算的平场Fig.3 The panels(a)and(b)are the mean flatfields calculated without and with the spectrum-curvature correction，respectively

[1] Liu Z，Xu J.1-meter near-infrared solar telescope[C]//First Asia-Pacif i c Solar Physics Meeting ASI Conference Series，2011，2:9－17.

[2] 刘忠，尤建圻，沈龙翔.一米红外太阳望远镜[C]//2002年中国天文望远镜及仪器研讨会会议文集，2002:272－276.

Liu Zhong，You Jianqi，Shen Longxiang.One meter infrared solar telescope[C]//Corpus of the Conference about Chinese Astronomical Telescope and Instrument，2002:272－276.

[3] Fu Yu，Chen Xiangming，Yuan Su，et al.Error analysis of adjusting and alignment for multiband spectrometer of one meter solar telescope[J].Chinese Journal of Lasers，2012，39(s2):s208007.

[4] Evans J W.Inclined inhomogeneities in the solar photosphere[J].Astrophysica Norvegica，1964，9(4):33－54.

[5] Jefferies J T，White O R.The analysis of spectral-line profile.I.a generalized theory for solar case[J].Astrophysical Journal，1967，150:1051－1060.

An Analysis of Spectrum Curvatures for the Multi-Wavelength Spectrometer of the New Vaccum Solar Telescope of the Yunnan Observatories

Wang Rui1，2，Xu Zhi1，Liu Zhong1
(1.Yunnan Observatories，Chinese Academy of Sciences，Kunming 650011，China，Email:ruiwang＠ynao.ac.cn；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

In observation of long-slit solar spectra，the slit direction and dispersion direction of a spectrum should ideally be parallel to two sides of the CCD，respectively.In practice this is difficult to be achieved because of errors of the relative positions of the slit，grating grooves，and the detector as introduced in installation of the mechanisms.Observed solar spectra are then always curved(or inclined).The purpose of this paper is to measure and analyze the curvatures of Hα solar spectra obtained by the Multi-Wavelength Spectrometer of the new vaccum solar telescope of the Yunnan Observatories.We also discuss influences of spectral curvatures on evaluation of flatfields.

New vacuum solar(1-meter)telescope；Multi-wavelength spectrometer；Hα solar spectra；Spectral curvature

P182.3；P123.2＋2

A

1672－7673(2014)02－0165－03

2013－05－11；修定日期:2013－05－20

王 瑞，女，硕士.研究方向:天文技术与方法.Email:ruiwang＠ynao.ac.cn