CCD離焦對現代日暈光度計測量結果影響分析*

劉順慶，劉 煜，宋騰飛，張雪飛，溫 驍

(中國科學院國家天文臺/云南天文臺，云南 昆明 650011)

在美國下一代大型太陽望遠鏡ATST選址中，人們研制出了具有現代意義上的首架日暈光度計(SBM)，它是對傳統埃文斯(Evans)目視日暈光度計的突破和創新，有效兼顧了光度計和日冕儀的特色［1－2］。云南天文臺于2009年底開發研制了國內首架現代日暈光度計，并利用它在2010年1月大理日環食和隨后其它許多太陽址點監測中采集到大量多波段日暈(太陽附近天空背景)數據［3］。國外現代日暈光度計中將鏡筒和CCD系統完整集成為一體，這雖然在一定程度上保障了設備穩定性，但同時也增加了單個元件的攜運體積和重量。考慮到我國西部太陽選址的野外踏勘階段將面臨不少高山險境，從人員安全保障方面考慮需要將選址設備設計得盡量小型化和靈活化。因此與國外現代日暈光度計不同的是，在設計上讓CCD系統可從主鏡筒后端被自由拆卸分離，這樣一方面減少了鏡筒長度和運輸中CCD被碰損的危險，另一方面也便于人工攜帶。

云南天文臺現代日暈光度計多波段數據采集系統于2010年底在昭通大山包和2011年初在昆明鳳凰山進行了多次測試分析，初步得到了較合理的白晝大氣條件比較結果［4］。但是在野外數據采集前，每次均需要人工安裝CCD，這將不可避免產生或多或少的CCD離焦現象。本文對這種系統測量誤差進行詳細分析，以充分掌握現代日暈光度計數據的可靠性。

1 云南天文臺現代日暈光度計的成像特點

云南天文臺日暈光度計的CCD相機采用的是SBIG公司的新一代ST402ME-c1產品，具有低噪音和低暗流等優點。CCD中測光系統使用的窄帶濾光片波段分別為藍、綠、紅和水汽帶。4個濾光片的具體參數分別為:藍波段λ 450 nm，綠波段λ 530 nm，紅波段λ 890 nm，水線λ 940 nm，它們的帶寬均為10 nm。該CCD的冷卻方式有電致冷和風扇兩種方式，能夠使CCD工作溫度保持比周圍環境低25°左右。

在每次野外觀測之前，需要將分裝在不同儀器箱內的CCD和主鏡筒組合安裝在一起。其中連接CCD和鏡筒的是一個口徑1.25英寸具有T型螺紋的突鼻旋筒(Nosepiece)(圖1)。該T形旋筒具有螺紋的一端旋入CCD正面窗口內邊緣，而另一端直接插入望遠鏡目鏡筒。在試驗階段對現代日暈光度計整體光學系統做過標定，包括在T形旋筒上做了插入深度的標志，確保焦平面基本在CCD感光面板附近。

由于現代日暈光度計的4個同時工作波段覆蓋了450～930 nm較寬波長范圍，整體光學系統僅使用了一塊普通消色差透鏡，因此現代日暈光度計各波段的成像焦平面實際不是理想重合。另一方面，在安裝過程中不同觀測者將T形旋筒插入的深度也存在差異。根據實踐考察，這種深度差異可達2～3 mm。目前尚沒有公開文獻討論過這種系統偏差對日暈測量的影響。試驗方案為:首先利用穩定的日照條件，通過手工改變T形旋筒深度(0～7 mm)快速(3～4 min內)采集一組不同成像距離處的日暈亮度數據。然后通過分析日暈強度變化和旋筒深度的關系就可以研究CCD的離焦對測量結果的影響。

現代日暈光度計多波段測光分析過程可參考文［4］，日面中心和太陽半徑的確定方法可參考文［5］。

圖1 日暈光度計所用的ST-402ME型CCD相機接口附件類型其中包括1.25英寸口徑的T型螺線物鏡旋筒(下文均簡稱為T形旋筒)。該圖來自SBIG官網 (http://ftp.sbig.com/products/402_new.htm)Fig.1 Optional Attachments for the ST-402ME.Note that the 1.25"nosepiece matched with t-threads is included.(From http://ftp.sbig.com/products/402_new.htm)

2 新疆奇臺縣試驗結果

2011年6月12日，攜帶日暈光度計在新疆奇臺縣氣象局內進行數據采集試驗。奇臺位于準噶爾盆地東南部，地勢開闊，年均晴日數多。觀測當日晴空少云，風向風速穩定，為試驗提供了相對穩定的天空背景亮度條件。

圖2給出了試驗前和試驗過程中采集的樣本數據及分析結果。圖2(a)顯示了試驗前15 min內各波段天空背景亮度變化情況(該數據對應于表1中的序列1)。該序列各波段日暈強度的本身變化在1.7%左右浮動(表1)。由于觀測點的海拔僅為788 m，日暈強度較高，達到70個單位(日面中心亮度百萬分之一)左右。但是各波段的時間緩慢變化仍然顯示了該地該時的大氣穩定性。尤其是日暈強度隨波長分布的特征參數γ指數比較穩定，從另一個定量的角度表明試驗前的觀測條件是比較穩定的(圖2(b))。

在隨后的286 s內等間距地改變CCD的T形旋筒在鏡筒內深度，完成從最深到最淺、又到最深的過程。將該過程連續重復了兩次，旋筒最大探入深度差異為7 mm。比較結果顯示在圖2(c)～(f)中(它們對應于表1中的序列2)。可見離焦過程中的日暈亮度在短時標內的變化幅度明顯比正常觀測序列(圖2(a))大，而且在藍帶和綠帶數據里能夠看出明顯的周期性變化規律。圖中各波段的日面中心亮度均用灰色粗線表示。理論上，CCD日像中心亮度急速達到最強的時候應該是它正處于焦平面的位置，此時日暈測量值相對日面中心亮度就應該達到最弱;反之，當日面中心亮度愈弱則暗示CCD感光面板距離焦平面愈遠，此時日暈測量相對值就會愈強。對日面中心亮度和日暈測量值做了相關分析，相關系數C結果列于表1最右欄。從表1可以看到，代表正常觀測時的序列1總體上沒有顯示出明顯的相關性。而離焦試驗的序列2在短波段(藍和綠)顯示了較明顯的相關性，相關系數分別為－0.815和－0.627。在序列2中未能發現長波段的明顯相關性。作者認為這或許是在試驗過程中天空背景亮度自身發生了某種波動。

因此在隨后的離焦試驗中盡量縮短試驗時間，將序列2中的連續重復兩次改成一次，同時減小T形旋筒步長，使得試驗能夠在200 s左右取得更精確的數據。

圖2 2011年6月12日新疆奇臺數據分析結果(a)CCD離焦試驗前4個波段定標天空背景亮度演化，其中實線、點線、虛線和點虛線分別代表藍、綠、紅和水汽吸收波段;(b)顯示了離焦試驗前日暈亮度的波長關系指數的穩定演化;(c)～(f)分別表示各波段在離焦試驗過程中的強度變化，其中灰色粗線代表各波段的日面中心亮度輪廓(注意:為對比顯示方便，它們均乘了一個適當因子。以下圖形均相同)，黑線類型與(a)中含義一致。日暈亮度的單位為日面中心的百萬分之一Fig.2 The analysis results for Qitai，Xinjiang measured in June 12，2011.(a)The temporal variations of sky brightness of the four bands just before the CCD defocusing test.The solid，dotted，dashed，and dotted-dashed curves are for the blue，green，red，and water-vapoar absorption bands，respectively.(b)The wavelengthdependence index γ of the scattered sky brightness vs.time showing stable air conditions.(c)－(f)Sky brightness measured during the defocusing test for each of the four bands.The thick grey lines represent the normalized temporal variations of the solar-center intensity，the black lines have the similar meanings as in(a).The Y axis is in units of one millionth of solar-center intensity.

表1 CCD離焦測試結果列表Table 1 Results of each CCD defocusing experiment

3 寧夏石嘴山市試驗結果

2011年6月24日，在寧夏石嘴山又進行了多次CCD離焦試驗。測試點位于星海湖湖心一座小島，海拔為1100 m，湖面積20 km2，平均深度6 m。

圖3顯示了第1組數據(08:47～08:50;表1中的序列3)的分析結果。除水汽波段，其它各波段的日心亮度輪廓接近V型，與相應的日暈強度輪廓形成明顯反相關聯系，證實了之前的理論預測。也許是測量該組數據時太陽剛升起不久，湖面水汽蒸發不穩定，導致水汽吸收帶輪廓的V型不太明顯，因此該波段測量結果的相關系數較弱。

圖4和圖5分別顯示了第2組(09:27～09:30;表1的序列4)和第3組數據(11:34～11:38;表1的序列5)的分析結果。這兩次結果總體均好于第1組數據，各波段日心輪廓呈現很明顯V型。相關性分析結果表明第3組最接近－100%的理想值狀態(圖5;表1的序列5，參見最右欄相關系數)。

表1列出了這3組數據的日暈平均絕對偏差量A、日暈平均絕對偏差量A的相對值B、日暈和日面中心亮度相關系數C。第3組的A值明顯比其它兩組數據偏高，這是與當地浮塵規律密切相關的。正午前后風速加大導致空氣從賀蘭山脈外攜帶的浮塵增加，日暈亮度具有間歇性加強的特點。因此第3組數據中的A值和B值應該有周圍環境(浮塵)的部分貢獻，其真實值應當小許多。

圖3 2011年6月24日寧夏石嘴山的第1組數據分析結果(a)～(d)分別表示各波段日暈和日面中心在離焦試驗過程中的強度變化Fig.3 The results based on the first set of data for Shizuishan，Ningxia measured in June 24，2011.(a)－(d)Sky brightness and solar-center intensity curves measured during the defocusing test for the four bands.

圖4 2011年6月24日寧夏石嘴山的第2組數據分析結果(a)～(d)分別表示各波段日暈和日面中心在離焦試驗過程中的強度變化Fig.4 The results based on the second set of data for Shizuishan，Ningxia measured in June 24，2011.(a)－(d)Sky brightness and solar-center intensity curves measured during the defocusing test for the four bands.

圖5 2011年6月24日寧夏石嘴山的第3組數據分析結果(a)～(d)分別表示各波段日暈和日面中心在離焦試驗過程中的強度變化Fig.5 The results based on the third set of data for Shizuishan，Ningxia measured in June 24，2011.(a)－(d)Sky brightness and solar-center intensity curves measured during the defocusing test for the four bands.

4 結論與討論

通過2011年6月在新疆和寧夏兩個太陽址點進行的現代日暈光度計CCD離焦試驗，取得了5組比對數據序列(表1)。其中序列1為正常準焦狀況下的數據，得到日暈平均絕對偏差量與日暈平均強度的比值B基本在1.7%左右，該值可視為日暈本身亮度隨機變化。其它序列2～5為CCD離焦狀態下的資料。在離焦過程中采集的數據證實了理論上的日暈和日面中心亮度的強相關性。

經過同權重統計分析得到各波段的B值為4.60% ±3.09%(藍)、3.56% ±0.81%(綠)、3.90%±2.02%(紅)和2.93% ±1.36%(水線)。若扣除日暈本身亮度隨機變化量1.7%，那么得到由于現代日暈光度計的CCD顯著離焦造成的相對測量誤差應在6%以內。將各波段的統計結果匯總在表2中，包括日暈和日面中心強度的相關系數C值。表2顯示，當波長由短變長時，各波段對應的相關系數C分別為－92.56% ±5.82%，－86.73% ±12.01%，－69.28% ±27.11%，－44.85% ±41.98%。因此這些相關系數C似乎與觀測波段相關，即波段越短，日暈強度與日心強度的負相關性越好，其物理原因有待進一步研究。

通常優良太陽臺址的日暈參數為5～20亮度單位(百萬分之一日面中心強度)，根據表1的結果，其對應的CCD嚴重離焦時引入的系統誤差為0.3～1.2亮度單位，這個量與現代日暈光度計設備內部散射光水平幾乎一個量級(將付另文撰寫)。何況在正常情況下，即觀測者基本按照T形物鏡旋筒刻線標志安裝CCD設備時，日暈測量的相對誤差一般遠小于6%。因此在試驗的基礎上，作者認為這種系統誤差對優良址點的測量影響非常小，基本可以忽略。

表2 CCD離焦試驗的各波帶統計平均結果Table 2 Statistical results of the CCD defocusing experiments for each wavelength band

致謝:感謝新疆奇臺縣和寧夏石嘴山市氣象局專家的熱情幫助。

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