新型自准直外掩式日冕仪

丁悦，张红鑫，黄玉鹏，王泰升，许文斌

（1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）（2 中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

太阳活动以及日地空间环境是目前空间科学发展过程中一个非常重要的研究领域。太阳爆发活动常激起太阳风暴侵扰地球空间环境，给人类的航天、通信、导航定位、电网、物探等带来严重危害和巨大损失，造成所谓的空间灾害性天气事件，它的强弱影响到地球物理现象及人类活动［1-3］。过去，人们往往把观测到的各种日地空间环境扰动，如行星际激波、磁暴和极光等，几乎全部归因于太阳耀斑［4］。然而，经过近四十年对日冕物质抛射及其相关现象的观测与分析研究，人们越来越认识到日冕物质抛射（Coronal Mass Ejections， CMEs）所造成的日地空间环境扰动并不亚于太阳耀斑［5］。日冕仪作为观测日冕及日冕物质抛射现象的重要仪器，被用于研究太阳磁场对地球造成的影响，以及对影响地球及日地空间的灾害性空间天气进行预警。

国际上很早就开始了关于日冕仪的研究。1930年，LYOT B 发明了首个内掩式地基日冕仪［6］。1948年，EVANS J 对内掩式日冕仪进行结构优化，提出了外掩式日冕仪［7］。1963年，美国海军研究实验室发射了第一台天基日冕仪，并实现对日观测。之后，随着航天技术的进步，陆续发射了数颗卫星，这些卫星的有效载荷均包含日冕仪［8-11］。2020年最新发射的Solar Orbiter 卫星，搭载了METIS日冕仪和Solo HI日球成像仪，分别对日冕偏振成像和日冕成像［12-13］。近年来，我国有了许多日冕仪研制计划［14-17］，如“夸父”探测计划，太阳极轨射电望远镜计划及子午工程二期计划。其中，“夸父一号”卫星已于2022年10月9日发射升空。

但目前已有的日冕仪本身不具备对准太阳的功能，无法提供偏移量，需结合其他平台进行对准，本文完成了基于三圆盘外掩式日冕仪的对准系统设计，日冕仪指向精度达到0.11′。同时，日冕仪对杂散光抑制要求十分严格，本文提出一种新的检测方法，用于检测日冕仪杂散光抑制水平，并应用于三圆盘外掩式日冕仪进行实验，取得了较好的结果。

1 对准系统设计

根据日冕仪的工作原理，在日冕仪工作时，需利用外掩体遮拦太阳直射光。为使外掩体能够尽可能完全地遮挡住太阳直射光，不仅需要外掩体的大小合适，还需要外掩体尽可能地对准太阳。因此，设计了太阳对准系统，利用双胶合透镜对太阳成像，用探测器接收，以此判断外掩体与太阳是否对准。

太阳对准系统由镜筒部分和探测器部分组成，其光学系统结构如图1 所示，该系统入曈直径为40 mm，焦距为360 mm，视场为2°。镜筒长340 mm，前端设有螺纹调焦结构，镜筒后端接探测器，机械结构如图2 所示。探测器有效像素数为1 920×1 200，像元大小为5.86 μm。将对准系统镜筒固定在日冕仪腔体外侧，使镜筒前端面与外掩体平面重合，且对准系统光轴与日冕仪光轴平行，见图3。

图1 太阳对准系统光学系统结构Fig.1 Optical system structure of solar alignment system

图2 太阳对准系统机械结构Fig.2 Mechanical structure of solar alignment system

图3 太阳对准系统Fig.3 Solar alignment system

对太阳成像时，在镜筒前放置10−5衰减片，使太阳成像到探测器靶面，太阳像直径大小约占据探测器像元个数n=578。

经过实验，日冕仪的指向精度在两个像素，由式（1）计算得到日冕仪指向精度为0.11′。经过算法程序识别探测器所呈现圆形太阳像的圆心坐标，依据圆心坐标数据判断是否对准。

图4 为对准时指向精度程序界面图，太阳像圆心坐标显示为（0，0）。图5 为未对准时指向精度程序界面图，太阳像圆心坐标显示为（15，−15）。其中，向上和向右偏移，坐标为正。根据坐标及像元尺寸计算偏移量。经计算，太阳像如图5 所示时，日冕仪应向下，向右分别移动0.825′。

图4 对准时指向精度程序界面Fig.4 Program interface of pointing accuracy during alignment

图5 未对准时指向精度程序界面Fig.5 Program interface of pointing accuracy not aligned

由于日冕仪光轴与对准系统光轴之间还有一段距离，如图6 所示，太阳中心与两光轴之间产生一个角度偏差α。经式（2）计算，该角度为8.426×10−11°，可以忽略不计。

式中，l是双胶合镜筒中心到外掩体中心的距离0.22 m，d是太阳中心到外掩体中心的距离1.496×1011m。

2 三圆盘型外掩式日冕仪

本实验基于三圆盘型外掩式日冕仪，日冕仪光学系统结构如图7 所示，该日冕仪共由12 片透镜组成，分为物镜组，场镜组和中继镜组，F数为4，焦距为38 mm，视场为±20°。物镜组是1 片双胶合透镜，将进入光学系统的日冕光第一次成像到视场光阑处；场镜组由1 片双胶合透镜和5 片单透镜组成，用来准直日冕光；中继镜组由5 片单透镜组成，将准直后的日冕光成像在像面CCD 上。图8 为该光学系统的MTF 曲线，可以看出在37 lp/mm 处，MTF 均大于0.6，满足日冕仪成像要求。图9 为光学系统的弥散斑点列图，最大弥散斑直径为12.864 μm 小于探测器像元尺寸（13.5 μm）。日冕仪的机械结构由腔体部分、镜筒部分、滤光轮以及CCD 相机构成，如图10 所示。

图7 日冕仪光学系统结构Fig.7 Optical system structure of coronagraph

图8 日冕仪传递函数曲线Fig.8 MTF curves of coronagraph

图9 日冕仪弥散斑点列图Fig.9 Spot diagrams of coronagraph

图10 日冕仪机械机构Fig.10 Mechanical structure of coronagraph

日冕仪视场为±20°。太阳半径R⊙=6.96×108m，日地距离AU=1.496×1011m。

经计算，日冕仪视场为±20°，对应于在1AU 处可观测范围达到78R⊙。在图11日冕亮度曲线中可以看出，78R⊙处的日冕亮度约为10−12量级。故日冕仪杂散光抑制水平需达到10−13量级。

图11 日冕亮度曲线［10-11］Fig.11 Coronal brightness curve［10-11］

日冕仪杂散光分析和抑制十分重要。日冕仪的杂散光主要来源可分为太阳直射光，边缘衍射杂散光和散射杂散光三种。日冕仪边缘衍射光又包括外掩体边缘衍射光、外窗口边缘衍射光和入射孔径边缘衍射光。其中，太阳直射光与外掩体边缘衍射光是对日冕仪成像质量影响较大的两类杂散光。

太阳直射光照射日冕仪时，一部分直射光被外掩体遮拦，无法进入日冕仪腔体；另一部分进入腔体的直射光经拒热镜聚焦反射出日冕仪系统。其中，拒热镜为球面反射镜，倾斜放置在腔体底部。外掩体边缘衍射光可以通过优化外掩体形状来抑制，外掩体形状有单圆盘，三圆盘，锯齿形，花瓣形等，图12 中给出了前三种外掩体示意图。其中，锯齿形外掩体加工难度大，单圆盘外掩体衍射光抑制能力弱。所以本文日冕仪采用三圆盘外掩体，外掩体圆盘之间的关系为后一个圆盘位于前一个圆盘的阴影下，这样可以对前一个圆盘的部分边缘衍射光进行抑制。相比于单圆盘，三圆盘外掩体可以实现对外掩体边缘衍射光的多级遮拦，以减小这种衍射光对日冕成像质量的影响。

图12 外掩体形状Fig.12 External occulter shape

根据均匀边界波衍射理论［18］，经数值计算可以得出单圆盘与三圆盘在入射孔径处的衍射光场强度对比，如图13 所示。三圆盘型外掩体的边缘衍射杂散光强度明显低于单圆盘型。

图13 单圆盘与三圆盘掩体在入射孔径处的场强Fig.13 Field intensity at the entrance pupil by single-disk and three-disk occulters

3 检测方法

日冕仪检测需要暗环境，且杂散光抑制水平要求很高，需要使用较强的光源进行照射。通常采用激光光源照射，但由于激光光源能量较大，经日冕仪杂散光抑制结构反射后会照亮测试环境，从而影响日冕仪杂散光的检测，如图14 所示。

图14 实验室环境光增亮Fig.14 Laboratory ambient light brightening

因此，本文提出黑洞检测法，在日冕仪视场内放置一黑色箱体，箱体内布满黑色吸光膜，能够吸收入射到箱体内部的光线，如图15 所示，以此解决测试环境被激光光源照亮的问题，从而检测杂散光抑制水平。其中，使用的黑色吸光膜是以色列ACKTAR 公司生产的Spectral Black™杂散光吸收膜，型号为SB-20×030-1，吸光膜反射率与波长关系如图16 所示，表1 给出了吸光膜的相关参数。在图16 红框部分可以看出，可见光范围内吸光膜的反射率很小，对光的吸收能力强，可以尽可能地减少实验过程中环境光的影响。

表1 吸光膜相关参数Table 1 Absorbent film parameters

图15 黑洞示意图Fig.15 Schematic diagram of black hole

图16 吸光膜反射率与波长关系Fig.16 Relation between reflectance of absorbent film and wavelength

杂散光检测时应使日冕仪视场范围内无其它光源照射，则进入日冕仪像面的光全部为杂散光。日冕仪在工作过程中的背景是纯黑的宇宙背景。在地面空间有限的实验室中，利用激光光源模拟太阳，其发出的光以及经拒热镜反射出日冕仪的光会在实验室中经历多次吸收、散射，最终到达相机表面，从而影响杂散光抑制水平检测。而吸光能力强的黑洞可以在一定程度上减少距离有限以及散射光的影响，故黑洞在日冕仪像面位置处的亮度代表的就是日冕仪的杂散光亮度。图17、图18 分别给出了在宇宙空间和实验室中检测杂散光的光路示意图。

图17 在宇宙空间检测光路示意图Fig.17 Schematic diagram of light paths detected in space

图18 在实验室检测光路示意图Fig.18 Schematic diagram of light path detected in the laboratory

该方法降低了对测试环境的要求，简化了检测流程，同时能够获得较为准确的检测结果。在超净间暗室中搭建杂散光检测系统，尽可能减小环境光对检测系统的影响。利用发散角为32′的激光光源模拟太阳，将激光光源与日冕仪同轴放置，此时入射孔径位于外掩体的阴影之下。由于用平行光管扩束会降低光源能量，且用相同激光光源扫描日冕仪整个视场时，各处激光均被拒热镜反射出腔体，使用两个光源与使用多个光源结果一致。因此，在实验过程中采用两个完全相同的激光光源，分别照射日冕仪视场中心和边缘，以此来模拟太阳直射光照射。经日冕仪光学系统成像后，由CCD 相机接收图像，实验装置如图19 所示。

图19 实验装置Fig.19 Photos of experimental set-up

4 实验

4.1 外掩体边缘衍射光对比

在暗室中，利用激光光源照射日冕仪，放置单圆盘外掩体，用CCD 相机接收图像。保持激光器不动，将单圆盘外掩体替换成三圆盘外掩体，保持两次成像参数一致，用相同CCD 相机接收图像，实验结果如图20所示。结果表明：三圆盘外掩体边缘衍射杂散光低于单圆盘外掩体边缘衍射杂散光，实验结果与仿真结果吻合。

图20 单圆盘与三圆盘衍射实验图Fig.20 Single-disk and three-disk diffraction experiment

4.2 杂散光检测

日冕仪系统杂散光抑制水平的评价标准由系统杂散光亮度与太阳直射光亮度的比值来表示，所使用的探测器对光强的响应有良好的线性关系，因此亮度之比即像面图像相同位置处的灰度值之比。

首先，用日冕仪拍摄太阳直射光图像，见图21（a）。将外掩体与内掩体拆除，保持激光光源与日冕仪同轴放置。在探测器前放置衰减倍率K=2.5×10−11衰减片，打开激光光源，使其在探测器上成像，像的半径大小约占据探测器13 个像素，即0.176 mm。根据日冕仪焦距和太阳光发散角求得真实太阳经日冕仪成像后的半径大小，计算公式为

图21 总杂散光检测实验Fig.21 Total stray light detection experiment

式中，r为太阳像半径，f为日冕仪系统焦距，f=38 mm，θ为太阳光发散角一半，θ=16′。经式（3）计算得到太阳像半径为0.179 mm，故此时激光光源可以等效为太阳。在软件中读出太阳像中多点的灰度值大小并取平均，记为I1=2 507。

利用日冕仪拍摄系统杂散光图像，见图21（b）。重新安装上外掩体和内掩体，保持激光光源与日冕仪同轴放置。在日冕仪视场内放置黑洞，调节相机位置，对黑洞清晰成像，日冕仪拍摄黑洞位置。在软件中读出其多点的灰度值并取平均，记为I2=71。

根据日冕仪杂散光评价标准，日冕仪的杂散光计算公式为

最后，经式（4）计算，日冕仪的杂散光抑制水平为7.08×10−13，满足设计要求。

5 结论

本文设计了太阳对准系统，并应用到三圆盘外掩式日冕仪上进行试验。结果表明，日冕仪的指向精度达到0.11′。实验验证了日冕仪三圆盘外掩体与单圆盘外掩体边缘衍射杂散光强度对比，三圆盘外掩体具有更强的衍射光抑制能力。同时，利用黑洞检测法对日冕仪总杂散光进行测量，获得较为准确的检测结果，结果达到10−13量级，符合设计要求。