現代日暈光度計多波段測光系統初步測試結果分析*

劉順慶，段 輯，張雪飛，溫 驍，屈中權，劉 煜

(1.中國科學院國家天文臺/云南天文臺，云南 昆明 650011;2.云南省昭通市昭陽區氣象局，云南 昭通 657000)

為配合下一代大型地面太陽觀測設備的發展，國內太陽物理界一致認為有必要盡快在天文資源相對比較優秀的西部［1］開展針對太陽物理觀測的選址工作。地面大型儀器的發展和天文選址工作是因果相聯的邏輯關系。下一代大型太陽望遠鏡的超強分辨本領讓人們對獲取太陽多個大氣層次的高分辨物理信息充滿期待。如果早日實現從太陽光球底層一直延伸到外日冕的全面觀測，人們有望徹底解決太陽物理和恒星演化研究中的關鍵問題。另一方面，要實現大型太陽望遠鏡極高的空間和時間分辨率，它們就必須安放在更加優秀的臺址上。只有尋找到能夠滿足多項苛刻條件的太陽觀測址點，大型太陽設備的成功研制才能成為現實。

目前，在執行選址任務前期迅速研發一批合格的高精度選址儀器成為當前的工作的重點。現代日暈光度計是國際上大型太陽望遠鏡選址的標準數字化設備，它已取代歷史上沿用了50多年的傳統型的Evans日暈光度計［2］，因為后者過分依賴數據采集者的主觀目測效果，存在不能自動記錄、操作繁瑣、波段單一和精確度問題。2010年上半年完成了第一架現代日暈光度計的設計和生產，并投入到野外址點數據采集測試，對儀器的雜散光水平和光學質量進行了詳細分析［3］。2010年下半年完成了現代日暈光度計的多波段系統研制。本文介紹了利用該測光系統初步獲取的資料特征，并討論它的可靠性。

1 現代日暈光度計的多波段測光系統

日暈光度計多色測光系統由減光片、成像系統、多色濾光片裝置和MaxIM DL軟件控制系統組成。測光系統采用的波段分別為藍、綠、紅和水汽帶。4個濾光片的具體參數分別為:藍波段λ 450nm，帶寬10nm;綠波段λ 530nm，帶寬10nm;紅波段λ 890nm，帶寬10nm;水線λ 940nm，帶寬10nm。為與SBIG 402ME CCD相機兼容，它們的生產尺寸均設計為直徑21.5 mm，厚度1.5 mm。這些濾光片替換了CCD相機原濾光片轉輪上的寬帶濾光片和無色透片。作為典型例子，圖1顯示了在水線940nm波段處的濾光片透過帶輪廓，顯示了這些窄帶濾光片的良好技術指標。根據設計，這批濾光片的鍍膜也能夠經受長期的太陽光輻射。

圖1 日暈光度計的水線940nm透過帶輪廓實驗室檢測結果Fig.1 The test result of the filter transmission profile around 940nm for the Sky Brightness Monitor

觀測時，可使用天文常用軟件MaxIM DL Pro 5分別設置這4個波段的曝光時間、曝光間隔、數據采集序列和數據存儲路徑，之后即可對太陽日面和太陽圓面附近的地球大氣散射光進行自動循環測光采集。另外，在每日數據采集之前和之后分別做了暗場和平場數據的測量。各波段數據曝光時間需要考慮日面中心成像時的亮度居于CCD有效數據讀出范圍的中段，以充分利用CCD相機在這段范圍的信號響應的高線性特征。由于大氣瑞利散射作用在短波處的顯著特性，通常藍波段曝光時間設置較長，而紅波段曝光時間很短。

相比Evans日暈光度計，由于現代日暈光度計采用了4個波段同時的寬視場測光和成像，這帶來了豐富的址點大氣信息。在這些多波段測光資料的基礎上，除了能夠得到時間序列的天空背景亮度(即日暈)相關參數之外，還可以計算獲得大氣消光指數、積分水汽總量、水汽吸收指數、氣溶膠指數等指標及其隨時間演化的信息［4］。根據日暈光度計的寬視場成像特點，還可以實時記錄太陽周圍的云量變化特征。總之，現代日暈光度計獲得的這些參量十分有助于全面掌握一個址點的白天大氣參數基本特征和演化規律。

2 昭通大山包觀測結果分析

根據氣象統計資料，每年冬季是滇東北的昭通大山包地區一年當中相對干燥和日照充裕的季節，非常適合野外科學考察活動。詳細的大山包地區的天文氣象條件另文介紹。

2010年12月17～19日，我們攜帶初次安裝四波段測光系統的日暈光度計對大山包進行日暈多色數據采集試驗。18日天氣良好，天空無云，獲得了長時間觀測的機會，從早上8:30開始觀測，一直持續到下午3:30，共連續積累7 h數據。由于條件的限制，監測點只能臨時設在旅館建筑物的樓頂，在其西部100 m處存在土堆遮攔，這導致當日下午3:30左右就觀測不到太陽數據，比較遺憾。但這不影響后期的模型檢驗與數據分析。

圖2是18日大山包觀測相關的一些數據和分析結果，其中圖2(a)是藍波段天空背景亮度隨時間演化的觀測結果(點)與球形大氣模型的比較(實線)。可以看出在長達7 h的時間內，觀測與理論值基本符合得較好，表明當時該地區有不錯的大氣日暈穩定性。圖2(c)是積分可降水汽總量，隨時間呈增長趨勢。值得一提的是，在水汽量輪廓線上接近當地13時出現了一處明顯跳躍，這其實是不應當出現的現象。造成該現象的直接原因是在觀測過程中調整了紅波段的曝光時間，從0.07 s提高到0.10 s。由于CCD讀數與曝光時間之間的非理想線性關系，在后期數據處理中很難完全處理掉由于曝光不均造成的計算結果的跳躍。圖2(d)顯示的是太陽日面中心亮度自然對數與大氣質量的線性關系。其實每條直線由兩條重疊的直線組成，由于大山包大氣條件相當穩定，各波段上午與下午的數據幾乎重疊得很好。利用該觀測結果就可以將大氣質量為零時的日面中心強度得出，這為下一步計算隨時間演化的各波段大氣消光提供常數條件。圖2(e)是根據日暈觀測和球形大氣模型擬合歸算的太陽方向的大氣質量(以天頂方向為單位質量)。圖2(f)是各波段的大氣消光指數變化。可以看出消光指數基本隨時間而略有增長，表明大氣層中的氣溶膠含量隨時間略有增加。圖3(a)是將瑞利散射造成的大氣消光從總大氣消光指數中扣除后得到的與波長無關部分的消光指數。理論上雖然這部分結果應與波長無關，但圖3(a)中仍然顯示出各波段之間的較明顯差異(0.01～0.03)，這種差異可能代表儀器的系統偏差［4］。圖3(b)是反映瑞利散射強度的α值參數隨時間變化情況。α值是從各波段的日面中心亮度按指數衰減規律歸算得到。其時間輪廓上也存在明顯的由于觀測過程中曝光時間設置造成的歸算數值突變。若不考慮這種突變，可以看出α值在觀測過程中基本平穩，甚至在下午略有增加，再次說明大山包大氣條件比較穩定。圖3(c)的水汽吸收消光指數輪廓存在類似α值的陡降現象。若不考慮陡降，則表明大山包下午的水汽吸收呈上升趨勢，這與圖2(c)的結果相符，其原因可能與周圍水庫受太陽照射導致水汽蒸發增加有關。圖3(d)是反映可見光波段觀測的日暈強度隨離太陽距離的變化指數。其中藍和綠兩個波段的指數較平穩，表示這短波段的天空背景亮度徑向變化緩慢。圖3(e)是反映大氣消光的另一個指數γ的時間演化。γ值是從天空背景亮度按波長指數衰減規律歸算而得，其輪廓隨時間先遞減后上升，比較類似于α值的變化規律。但是歸算的γ值存在嚴重的大量負數。造成這種現象的原因很可能是日暈亮度的測量誤差造成。因為在觀測過程中出現了成像亮度嚴重不均的現象，具體主要表現是日面重影疊加嚴重和ND4減光片支架環的衍射光圈僅亮一半，這是從來沒有發生過的現象。仔細檢查了可見光3個波段在12～14時的天空背景亮度數據。圖3(f)中數據顯示，藍、綠、紅波段的強度分布完全與正常的瑞利散射規律相反，因此直接造成γ值為負。這種異常強度的出現，是與大山包優良的大氣條件不符，應該暗示著日暈光度測量出現了某些問題。

圖2 昭通大山包多波段資料分析結果(a)藍波段定標后天空背景亮度演化，其中實線是根據球形大氣模型得到的擬合曲線;(b)理論太陽天頂距變化;(c)大氣積分水汽，從上至下分別為積分水汽含量、水線與紅線強度比、歸算到天頂的積分水汽含量;(d)太陽日心亮度對數與大氣質量的關系，從上至下分別為紅線、綠線和藍線的觀測;(e)大氣質量演化;(f)大氣消光指數，從上至下分別為藍線、綠線、水線和紅線Fig.2 The first set of results of the multi-wavelength data analysis for Mt.Dashanbao，Zhaotong.(a)The temporal evolution of sky brightness measured at the blue channel.The solid line is the based on the curved-atmosphere model.(b)The theoretical variation of solar zenith angle.(c)The calculated Precipitable Water Vapor Content(PWVC).The curves from the top to bottom are for the PWVC，the intensity ratio of the water channel to red，and the PWVC normalized to unit air mass，respectively.(d)The logarithmic solar disk center intensity vs.air mass.The curves from the top to bottom are for the red，green，and blue bands，respectively.(e)The calculated temporal evolution of air mass.(f)The computed atmospheric extinction coefficients.The curves from the top to bottom are for the blue，green，water，and red channels，respectively.

圖3 昭通大山包多波段資料分析結果(a)總大氣消光減去理論瑞利散射消光，從上至下分別是綠線、紅線和藍線;(b)大氣消光與波長的關系指數隨時間變化曲線;(c)由水汽吸收線貢獻的消光部分;(d)天空背景亮度的徑向分布變化，從上至下分別是紅線、綠線和藍線;(e)天空背景亮度與波長的關系指數隨時間變化;(f)天空背景亮度隨時間演化曲線，從上至下分別為紅線、綠線和藍線Fig.3 The second set of results of the multi-wavelength data analysis for Mt.Dashanbao，Zhaotong.(a)The total atmospheric extinction coefficients minus the Rayleigh scattering contribution.The curves from the top to bottom are for the green，red，and blue channels，respectively.(b)The temporal variation of the wavelength dependence of extinction is shown by the plot of α vs.time.(c)The extinction coefficient due to absorption by water-vapor spectral lines.(d)The radial-variation coefficient of the sky brightness at each band.The curves from the top to bottom are for the red，green，and blue bands，respectively.(e)The temporal evolution of wavelength-variation coefficient γ of the scattered sky brightness.(f)The measured sky brightness.The curves from the top to bottom are for the red，green，and blue bands，respectively.

從大山包科考結束后，立即將這架日暈光度計運至南京進行光學檢測。檢測結果表明問題出在所使用的新CCD相機的靶面與日暈光度計光路不完全同心。將校正后的設備于2011年2月在昆明鳳凰山做了進一步的系列試驗。

3 其它址點觀測結果分析

為檢驗光學校正后的日暈光度計工作性能，使用它在昆明鳳凰山進行了多次日暈測量工作。2011年2月昆明地區天氣晴好，風速小。由于也恰值春節期間，城市人口和車輛明顯減少，大氣透明度相對較高。這些客觀條件保障了能夠滿足儀器全天連續采集有效日暈數據的需要。類似大山包的觀測，將部分鳳凰山觀測結果(2011年2月9日)顯示在圖4和圖5中。圖4(a)的點分布是藍波段的觀測，實線是根據大氣模型在擬合上午數據的基礎上得到的全天理論值。比較分析得知，下午鳳凰山的日暈亮度明顯高于標準寧靜大氣模型，表示大氣中塵埃(氣溶膠)成分有所增加。這點也反映在圖4(d)中，上午和下午的大氣數據不能重合，不如大山包數據理想，畢竟鳳凰山還是太靠近昆明市區。比較關注的是圖5(b)α和圖5(e)γ兩個參量的計算結果。由于在觀測過程中沒有改變曝光時間長短，所以α值再沒有出現類似大山包結果中的陡降現象。該值在整天的觀測中穩中略降，顯示這段時期的鳳凰山區域大氣的相對穩定性特征。γ值在整天的觀測中也呈現穩中有降的特點，而且絕大部分γ值都處于正值范圍，證實了設備質量的提高。圖5(f)顯示的是藍、綠和紅波段的觀測擬合結果，這3個波段的分布完全符合瑞利散射物理規律。

圖4 昆明鳳凰山多波段資料分析結果(a)藍波段定標后天空背景亮度演化，其中實線是根據球形大氣模型得到的擬合曲線;(b)理論太陽天頂距變化;(c)大氣積分水汽，從上至下分別為積分水汽含量、水線與紅線強度比、歸算到天頂的積分水汽含量;(d)太陽日心亮度對數與大氣質量的關系，從上至下分別為紅線、綠線和藍線的觀測;(e)大氣質量演化;(f)大氣消光指數，從上至下分別為藍線、綠線、水線和紅線Fig.4 The first set of results of the multi-wavelength data analysis for Fenghuang Mountain Kunming.(a)The temporal evolution of sky brightness at the blue channel.The solid line is the fit based on the curved-atmosphere model.(b)The theoretical variation of solar zenith angle with time.(c)The curves from the top to bottom are for the PWVC，the intensity ratio of the water channel to the red channel，and the PWVC normalized to unit air mass，respectively.(d)The logarithmic solar disk center intensity vs.air mass.The curves from the top to bottom are for the red，green，and blue bands，respectively.(e)The calculated temporal evolution of air mass.(f)The computed atmospheric extinction coefficients.The curves from the top to bottom are for the blue，green，water，and red channels，respectively.

圖5 昆明鳳凰山多波段資料分析結果(a)總大氣消光減去理論瑞利散射消光，從上至下分別是綠線、紅線和藍線;(b)大氣消光與波長的關系指數隨時間變化曲線;(c)由水汽吸收線貢獻的消光部分;(d)天空背景亮度的徑向分布變化，從上至下分別是紅線、綠線和藍線;(e)天空背景亮度與波長的關系指數隨時間變化;(f)擬合天空背景亮度隨時間演化曲線，從上至下分別為藍線、綠線和紅線Fig.5 The second set of results of the multi-wavelength data analysis for Fenghuang Mountain，Kunming.(a)The total extinction coefficients minus the Rayleigh scattering contribution.The curves from the top to bottom are for the green，red，and blue channels，respectively.(b)The temporal variation of the wavelength dependence of the extinction is shown by the plot of α vs.time.(c)The extinction coefficient due to absorption by water-vapor spectral lines.(d)The radial-variation coefficient of the sky brightness at each band.The curves from the top to bottom are for the red，green，and blue bands，respectively.(e)The temporal evolution of wavelength-variation coefficient γ of the scattered sky brightness.(f)The fitted sky brightness.The curves from the top to bottom are for the blue，green，and red bands，respectively.

2011年2～3月份，使用另一架同一批次的日暈光度計對麗江高美古址點進行了連續近20天的監測工作。高美古是日冕儀址點的重要監測候選點，具備很好的天文視寧度條件［5－6］。數據分析結果未再出現任何異常情況，并且利用高美古優良的觀測條件確定了日暈光度計在各個波段的設備散射光水平(另文介紹)。

4 結論

將具備多波段測光功能的日暈光度計首先應用于昭通大山包的日暈測量試驗，得到了當日該地的系統大氣參數。在參數計算過程時，發現一些參數存在數值跳躍和偏離瑞利散射規律的現象，這是與當時大山包穩定的大氣和良好的透明度條件不符的。經仔細分析，發現前者是觀測過程中改變曝光時間導致，而后者是CCD相機靶面與光路不協調導致。在總結觀測經驗和改進儀器系統的基礎上，又對昆明鳳凰山和麗江高美古兩地進行了系統測試，結果均比較理想，沒有再發現任何明顯不合理之處。需要說明的是，本文的數據均是采集于2010年底至2011年初這段云南旱季少雨期。觀測結果還表明，鳳凰山和大山包氣溶膠含量在一天當中沒有明顯增長，表明這兩個地點當時都有較好的大氣成分穩定性，而高美古在觀測期間往往正午之后瑞利散射效應減弱，氣溶膠含量明顯增強。這3個地點之間所測定標日暈強度有明顯差異，在踏勘的時間段內大山包的平均日暈強度處于10～20個百萬分之一日面中心亮度，高美古能夠達到10個單位以內，而鳳凰山一般高達40～50個單位。

通過使用日暈光度計的多色測光系統對不同址點進行測試，獲取了各地的大氣參量。測試結果能夠客觀反映不同址點某一時段的日暈和大氣特征。日暈光度計測光系統能夠用于太陽設備西部選址工作中。

致謝:感謝倪厚坤和章海鷹一直以來的技術支持和熱情幫助。

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