空间太阳极紫外无狭缝光谱成像技术综述

彭吉龙

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

太阳是空间天文观测的重要目标。太阳活动会影响空间天气，太阳爆发现象是灾害性空间天气的源头。耀斑、冕洞等日冕层的太阳活动会影响空间电磁环境，进而影响导航、通信等人类活动和卫星、输电网络等基础设施，而这些活动现象在极紫外波段有明显响应。由于地球大气对紫外波段的吸收作用，极紫外观测只能在空间进行。因此，对极紫外光谱成像成为目前国际上空间观测太阳活动现象的主要手段。

国际上较早重视太阳极紫外观测仪器的研制，发展了一系列包括光度探测、光谱和成像探测在内的仪器。美国从20世纪40年代起就利用火箭进行了太阳极紫外光谱的测量。60年代以后，美国和苏联开始利用卫星对太阳极紫外辐射进行更加多样化的观测。进入21世纪以来发射的太阳观测卫星（如 2006年美日英合作的 Hinode[1]、美国的STEREO[2]、 俄 罗 斯 的 Coronas-PHOTON[3]、 美 国2010年的SDO[4-5]及2013年的IRIS[6]）都包含极紫外成像或光谱测量仪器。

我国在太阳的天基探测方面有非常强烈的需求。20世纪70年代后期，太阳物理学家就提出观测太阳的“天文卫星1号”计划，90年代开始预研“空间太阳望远镜”计划；2006年启动了中法合作“太阳爆发探测小卫星”以及“夸父计划”等，但迄今均未能发射上天。近年来随着我国对空间科学的重视，正积极开展多项太阳观测卫星的规划论证工作，提出的“先进天基太阳天文台”已经列入了中科院空间科学先导专项的发射计划。

目前对太阳活动进行空间观测的仪器主要包括成像望远镜和成像光谱仪。前者如SOHO卫星的极紫外成像望远镜（EIT）、白光日冕仪（LASCO）[7-9]，SDO卫星的极紫外大气成像组件（AIA）等，可以观测各种太阳活动的形态、强度及其演化。后者一般利用狭缝和光栅，可以同时得到沿狭缝方向一维空间多条谱线的光谱，进而通过扫描得到二维成像光谱，如SOHO卫星的UVCS、CDS、SUMER[10-12]，Hinode卫 星 的 EIS，IRIS卫星等。

这些观测仪器为我们理解日冕物质抛射（coronal mass ejections, CME）及太阳耀斑等爆发现象的物理本质提供了丰富的信息；但目前的仪器也存在一些缺陷，如望远镜不能满足高光谱分辨率，光谱仪不能同时获取大视场的信息，因此需要进行新型观测技术和仪器的研究。本文首先介绍了传统成像望远镜和狭缝光谱仪的结构及其特点，说明了它们带来的观测限制，然后分别介绍3种极紫外无狭缝光谱成像技术。

2 传统太阳极紫外观测仪器及其限制

2.1 典型成像望远镜结构及特点

目前为止已有多颗卫星搭载极紫外观测载荷对太阳活动进行观测，取得了丰硕的成果。极紫外成像望远镜大都采用类似SDO极紫外成像仪（AIA）的双反结构，见图1。

图1 典型极紫外成像望远镜光学结构Fig. 1 Typical optical structure of a EUV telescope

此种结构可以实现高空间分辨率成像，反射镜加工、监测相对容易，系统调校简单，而且可以通过在反射镜不同位置镀不同多层膜，结合过滤片实现不同波段的成像，如SDO/AIA利用1台望远镜结构实现2个极紫外波段的成像，SOHO/EIT用1台望远镜实现4个极紫外波段成像。但这种成像方式采用过滤片和极紫外多层膜反射镜实现分光，只能实现高空间分辨率，而无法达到高光谱分辨率，光谱分辨率一般在0.5 nm左右。

2.2 典型狭缝式光谱仪结构及特点

典型的狭缝式极紫外光谱仪结构如图2所示[1]。

图2 EIS光谱仪结构Fig. 2 Structure of EIS spectrograph

采用狭缝限制视场后，利用光栅可实现高分辨率光谱分辨。通过狭缝的扫描可以实现全日面的高空间分辨率成像。但因为极紫外辐射通量低，每幅图像需要一定的电荷积分时间，加上扫描机构的运动时间，完成全日面的扫描常常需要数小时以上。故这种结构的光谱仪其空间分辨率和全日面的时间分辨率是一对矛盾。

2.3 传统结构造成的观测限制

光谱仪可以研究日面源区和低日冕活动区域相关的等离子体参数，结合成像望远镜数据，可以得到太阳活动伴随的等离子体运动的三维信息。然而传统的极紫外成像望远镜和狭缝式极紫外光谱仪在观测中的不足之处，制约了对CME和耀斑等太阳活动的高精度观测及对其机理的研究。

1）对CME的观测只能通过白光日冕仪完成。而目前在轨的白光日冕仪的挡板遮挡了约2个太阳半径的视场，无法看到CME在内日冕的加速过程（图3[13]）。且由于视场的不重叠，无法将可见光看到的CME同极紫外看到的源区直接联系。

图3 SOHO卫星的极紫外成像仪（EIT）观测到的耀斑和随后白光日冕仪（LASCO）观测到的晕状CMEFig. 3 A flare observed by SOHO/EIT and the subsequent halo CME observed by LASCO

2）缺少太阳全日面的视向速度信息，难以识别CME的触发过程。对于太阳边缘之上的暗条上升，可以通过极紫外图像判断；但对于日面上的暗条而言，图像观测很难识别。此外，Hinode卫星EIS光谱仪的观测也表明，大耀斑爆发之前，活动区会出现较大的速度展宽[14]。这是CME与耀斑爆发的一个非常明显的前兆特征，然而，EIS光谱仪是通过扫描的方式得到二维光谱，时间分辨率太低，因而捕捉不到。

3）利用传统的狭缝式光谱仪观测存在两个缺陷：一是狭缝的存在限制了仪器的视场——只有狭缝恰好在爆发源区位置时才能得到有效的观测；二是对于太阳活动区域的观测依赖于狭缝的扫描，由于曝光积分时间的限制，完成全日面扫描需数h甚至数十h时间，不能得到高时间分辨率的信息。其后果是：视场中的速度分布并不具备同时性。虽然EIS光谱仪除了窄狭缝的光谱成像外，还提供了宽“狭缝”的空间成像，时间分辨率有所提高，但上述缺陷依然存在[15]。如图4[15]所示，对同一活动区较大视场的空间成像可以观测活动区的形态变化，但不能得到各区域的光谱信息；狭缝成像可以实现光谱分辨，但只能靠扫描得到整个活动区的信息，时间上不同步。

图4 EIS观测视场示意Fig. 4 The field-of-view of EIS

以上限制使得CME的源区特征和触发过程很难被观测到，影响了对CME触发机制及初始加速阶段的研究，严重制约了太阳物理的发展。

3 极紫外无狭缝光谱成像技术

虽然目前多个太阳观测卫星都同时搭载极紫外成像望远镜和狭缝式光谱仪，但目前的探测方法依然不能实现同一视场内太阳活动过程的瞬时形态和速度的同时成像。因此各国科学家一直尝试在仪器设计上实现同时对太阳大视场的高空间分辨率和光谱分辨率成像。

3.1 多波段全日面无狭缝成像技术

20世纪70年代，在Skylab上搭载的一种无狭缝光谱成像仪（见图5[16]），可以同时实现对多条谱线的全日面成像。仪器结构中去除了限制视场的狭缝。太阳光线直接入射到曲面光栅，经光栅分光后成像到曲面胶片上。因为没有狭缝限制，全日面的信息可以同时成像。仪器可以在宽谱段范围内达到很高的分辨率，观测谱段17.1～63 nm，光谱分辨率达2.7 pm，空间分辨率最高可达3 arcsec。

图5 Skylab无狭缝光谱成像仪光学结构Fig. 5 Optical structure of slitless spectrograph onboard Skylab

但太阳极紫外发射谱线密集，相邻谱线的图像容易重叠在一起，造成仪器分辨能力下降，如图6可见，He 30.4 nm和Fe 28.4 nm两条谱线的太阳图像重叠在一起[16]。

图6 Skylab无狭缝光谱成像仪S082A得到的图像Fig. 6 Image obtained by slitless spectrometer S082A onboard Skylab

3.2 一维高分辨率无狭缝多谱段成像技术

2001年以后，俄罗斯Coronas卫星上搭载的极紫外光栅光谱仪SPIRIT（见图7[17]）投入运行，利用掠入射方式实现了对全日面的观测。光路中去掉了限制视场的狭缝，入射太阳光线经过反射镜反射后直接入射到曲面光栅，经分光的光线聚焦到曲面胶片上。太阳在像面上的高度覆盖每个波长，即在各光谱分辨率下，对整个日面成像，合理选择光谱分辨率和空间分辨率，可以得到所有波长下的日面图像（见图8[17]）。

图7 SPIRIT极紫外光栅光谱仪光学结构Fig. 7 Optical structure of the SPIRIT EUV grating spectrometer

图8 SPIRIT得到的全日面光谱图像Fig. 8 Full-disk image obtained by SPIRIT

这种设计可以同时对全日面的多条谱线进行光谱和时间的高分辨率成像，但它只能实现一维方向的高空间分辨率，另一维对图像进行了压缩以防止图像重合，因而不能实现高空间分辨率。从这样的图像中不能得到太阳活动的等离子体速度场信息，因而无法获取太阳爆发的速度和角度。

3.3 多级衍射光谱成像技术原理

2006年美国研制的多级太阳EUV光谱成像仪（MOSES）（见图9[18]）随火箭升空，经过不到5 min的飞行，得到27幅图像，首次发现过渡区爆发现象在30.4 nm波段的响应，成功反演了全日面的速度场分布。这种设计可以同时实现大视场内的空间和光谱高分辨率成像，此次火箭观测到的现象是利用传统成像仪和狭缝光谱仪都很难发现的，试验结果验证了这种无狭缝成像光谱仪的潜力和可行性（见图10）[18]。

图9 多级太阳极紫外光谱成像仪光路Fig. 9 Optical layout of multi-stage solar EUV spectrometer

图10 多级太阳极紫外光谱成像仪图像Fig. 10 Image obtained by multi-stage solar EUV spectrometer

这次火箭搭载的仪器用作多级衍射光谱成像思想的实验验证，仪器较笨重，其光学设计不适合空间应用。但多级衍射光谱成像这一设计思想能同时实现大视场内太阳活动的空间高分辨率和光谱高分辨率成像，科学价值极大，美国和欧洲的一些科学家正在积极争取实现在卫星上的应用。我国科学家提出的“夸父计划”就包含由英国Harra教授提出的一种在美国MOSES火箭试验基础上改进的空间应用方案（见图11）。面光栅的方式，将仪器体积大大压缩，适合空间应用。该方案扩展了美国MOSES的视场，由20 arcmin×10 arcmin增加到25 arcmin×25 arcmin，有望能够观测更大范围的太阳活动现象。

图11 夸父MOSES光路图Fig. 11 Optical layout of “KuaFu” MOSES

极紫外多级衍射成像技术已经美国火箭试验验证，是目前可以实现对全日面区域日冕活动形态、速度高分辨率成像的最佳方案。因为极紫外波段的特殊性，以及仪器面向卫星遥感应用，不可能像可见光波段或者其他地面设备一样实现很多衍射级的同时成像。因此，极紫外多级成像的实现只能利用有限级次图像，依靠反演获得光谱信息。该成像仪是借鉴X射线CT机设计思想，在极紫外波段，采用对全视场多个衍射级同时成像的方式来设计，即同一时间把一定光谱带宽的信息记录到一个二维的图像上，可以把这个过程看成是从某一个角度将数据立方体投影到一个面上；然后再利用反演得到空间分辨图像和光谱信息。以三级衍射成像的原理来说明，如图12所示，CCD记录的是一个个二维的投影信息，通过3个投影信息反演出原始的三维数据。

图12 多级衍射光谱成像实现原理示意图Fig. 12 Schematic diagram of the multi-order diffraction spectrometer

无狭缝多级光谱成像仪的光学系统由色散光栅和多个探测器组成，入射的太阳极紫外辐射经光栅色散后由3个级次的探测器接收，经过色散的图像由其中2个探测器接收，未发生色散的图像由零级位置的探测器接收。零级图像可以直接获得高分辨率空间信息，光谱信息可以由3个级次图像的反演获取。因此，此类多级光谱成像仪器相当于一台传统极紫外成像仪附加了额外的光谱信息。

通过不同角度的二维投影反演原始的三维数据，显然需要经过一个病态反演的过程[19]。因为空间信息已经可以从0级图像中准确地得到，所以数据反演就是为了能够较为准确地反演出光谱信息。对于同一空间区域，其光谱信息的差异将集中体现在色散方向上，因此，为了便于分析，在数据重建时可以在配准三个维度的空间信息后，固定一个非色散的空间维，取出发生色散的空间维进行反演，这样就可以把一个二维反演三维的问题简化为一个若干次的一维反演二维的问题。对一个二维目标的成像过程相当于对这个二维目标在3个级次上进行了3次不同方向的投影，而数据处理的目的就是通过这3个一维投影反演出二维目标[20-21]。

4 技术发展与展望

普通的成像仪依靠过滤片和镜面多层膜结构来过滤入射的极紫外辐射，不能得到高光谱分辨率的谱线信息；而狭缝式极紫外光谱成像仪不能同时得到太阳活动现象的二维空间分布。这大大影响了对太阳活动演化特征的观测和研究。无狭缝多级光谱成像仪的光学系统与传统光谱仪的最大不同点是其去除了限制视场的狭缝，使得其能够同时得到太阳活动现象中等离子体的形态、强度和速度信息，除可以获得传统成像仪的结果外，还可以获得新的科学成果，弥补现有观测手段的不足，对推进和提升太阳物理研究和空间天气预报的水平有重要意义。

从国际上发展的3种无狭缝太阳极紫外光谱成像仪器来看，多级衍射成像方式可以突破现有仪器不能同时得到全日面太阳活动形态、强度和速度信息的限制，取得较好的预期成果：

1）得到全日面光谱图像。可确保不错过太阳爆发，可观测多种尺度的爆发及其伴随现象，研究太阳活动形态和强度的演化以及各种活动现象之间的关系。

2）得到高光谱分辨率数据。可用于反演观测低日冕的等离子体视向速度，获得全日面的速度分布，与同时得到的空间分辨图像结合，可以识别太阳活动现象对应的物质运动，尤其是CME触发阶段源区的速度演化。

3）得到高时间分辨率数据。因为没有狭缝和运动部件，可以实现对大视场的太阳活动区域高时间分辨率成像，有利于捕捉日面活动的快速变化。

实现大视场高空间分辨率和光谱分辨率同时成像，对观测快速变化的太阳活动现象有重大意义，对于加深对太阳爆发现象触发机制的理解、建立空间天气预报模型都有重要的科研价值。同时，目前国内的空间天气预警预报大多依赖国外SDO等卫星的太阳极紫外成像数据，不利于我国自主探测技术的进步与科研活动的可持续性发展。因此空间太阳极紫外无狭缝光谱成像技术研究对于我国实施太阳极紫外观测，实现自主监测和预警有重要意义。