日冕及其觀測演示實驗

宋 琦，徐路耀，閆 晗，駱 怡，許知涯，鐘 澤，劉維新

(山東大學(威海)空間科學與物理學院空間科學研究院，山東 威海264209)

日冕是很多太陽物理現象的發生地，也是影響近地空間環境和驅動日地空間災害性天氣的主要推手.如日冕物質拋射(Coronal mass ejection，CME)是太陽表面最劇烈的大尺度爆發過程之一，特別是CME朝向地球傳播時，將會引起地磁暴、電離層暴以及極光等地球物理效應[1].深入分析日冕演化和爆發過程對太陽物理研究和空間天氣預報都至關重要.對日冕的空間觀測研究始于20世紀70年代，多個衛星平臺攜帶的日冕儀得到了很多重大發現[2－3].目前，各國正在多方面開展日冕和日冕觀測儀器的相關研究，其中STEREO雙子衛星就是為了得到日冕的三維結構而特殊設計的，預期的研究成果將能解開日冕加熱、CME爆發等諸多難題[4－5].

在我國，對太陽的深空探測還處于起步階段，太陽物理專業人才培養也需要從教學環節就重視.由于太陽表面的物理現象在實驗室中無法重現，因此相關課程的教學還主要基于課本的理論知識，實驗教學手段非常有限.雖然有衛星圖像可展示，但學生對獲得數據的探測過程并不了解，包括日冕儀的工作原理等，尤其是如何由2D圖像得到3D立體結構的技術[6].進一步拓展課堂教學思路，使學生更直觀認識日冕結構，了解衛星數據重建的方法，成為專業課開展演示實驗教學的主要目的.

本文提出一種可直觀展示日冕形態及其3D觀測方法的教學演示系統，可用于太陽物理和空間探測技術等課程.該系統基于STEREO雙子衛星的運動方式，包括2個模擬的外掩式日冕儀、自動控制系統以及一整套3D重建算法.利用該演示系統可以在課堂上讓學生更好地理解日冕的基本形態、空間日冕儀獲得圖像數據的工作原理和過程，并學會對日冕觀測數據的初步處理方法，從而使太陽物理課程教學能夠“落地”，加入部分可實際操作的實驗及研究內容.

1 演示實驗系統設計原理

日冕及其觀測演示實驗系統主要包括4部分：模擬的太陽光源(包括不同形態結構的日冕)、雙外掩式日冕儀、雙子衛星繞太陽軌道的自動運行系統、日冕立體結構3D重建程序.為了最大限度模擬實際情況，各部分的相對大小比例都參照太陽和空間日冕儀的參量.同時為了降低系統成本，元器件都盡可能在滿足使用要求的前提下選擇用常見的產品部件.

系統的原理框圖和設計圖如圖1所示.其中模擬太陽光源采用LED等作為中心發光體，外加直徑約為12cm的球形白色半透明玻璃罩，以模擬光球部分.與光球發光相比，日冕的光非常弱，形狀也隨稀薄等離子體拋射而時刻發生變化.演示系統中采用透光度較強的軟塑料條來模擬日冕中的線狀結構，即冕流.塑料條本身不能發光，在中心光源的照射下可以形成反射光，部分光通過塑料條根部導入，也可以形成發光.這與實際的日冕發光主要是散射光球光和部分等離子體發光相一致.在日冕儀的探測周期內，日冕的形態變化很小，可以認為是準靜態的，因此該設計可基本滿足實驗要求.

圖1 演示實驗系統

日冕探測需要專門的儀器，即日冕儀.STEROE雙子衛星上每個都搭載了白光日冕儀，其中COR－2是外掩式日冕儀[3].同樣的情況，實驗過程中需要在模擬太陽的強光背景下對模擬日冕的弱光進行探測，因此設計模擬日冕儀為外掩式，由攝像頭改造而成.在攝像頭前的特定位置放置黑色圓形遮光片作為外掩體，其大小與距離關系正好滿足遮擋模擬太陽的光球部分，而使日冕部分能夠聚焦成像.攝像頭選取可手動調焦的攝像頭，視場能夠覆蓋日冕部分.由于遮光片處于離焦位置，不可避免會產生減暈，將其外邊緣做得盡量尖銳以減少對光球邊緣部分的日冕成像的影響.雙日冕儀的實物如圖2所示.

圖2 模擬的雙外掩式日冕儀

為模擬STEREO雙子衛星的工作模式，演示實驗系統需要驅動2個日冕儀沿圓形軌道(衛星軌道接近圓周)以一定的角速度差運行.為此設計了由計算機控制2個步進電機，再各自通過齒輪減速，帶動雙軸轉動.步進電機的輸出由渦輪蝸桿結構提供，可增大輸出力矩.雙軸結構各由水平桿連接2個模擬日冕儀的支桿，從而帶動其在水平面內圍繞居中中心的模擬太陽沿圓周運動.合理選擇減速齒輪的傳動比以及步進電機的轉速，可以模擬STEREO雙子衛星的運行，兩日冕儀的相對角速度會很小.完成的裝置實物如圖3所示.

圖3 雙日冕儀自動控制裝置

演示實驗系統的裝配為：下平面板為直徑約1m的圓形底板，其上固定2套步進電機、控制器及驅動電源等.在底板中心固定雙層中心軸，由齒輪連接雙軸與步進電機輸出軸，實現步進電機控制中心軸轉動.在圓板四周裝有4根柱形支架，以支撐直徑為1m的圓形頂板.頂板上裝有2根模擬日冕的支桿，其通過水平桿與雙軸連接，可實現雙日冕儀的單獨控制.演示實驗系統在計算機控制下實現自動運行，并實時捕獲模擬日冕的圖像，輸入計算機進行3D重建，完成數據處理.

2 系統運行及實驗設計

根據設計的演示系統，可確定實驗步驟為：

1)點亮模擬太陽光源，觀察光球部分發光引起日冕發光的方式，并根據實物初步了解日冕的結構、分布等外部形態，包括拋射狀、環狀等，更直觀認識太陽外層大氣日冕的常見結構.

2)設置步進電機控制器，讀入單日冕儀運動控制程序，模擬STEREO－A衛星攜帶日冕儀在繞太陽軌道上運動，直觀感受空間日冕儀的工作狀態.同時了解外掩式日冕儀的工作原理，初步理解日冕儀在軌運行的實際情況，以及對日冕進行觀測的工作機制.

3)調整步進電機控制器，讀入雙日冕儀運動控制程序，模擬STEREO雙子衛星攜帶日冕儀在軌運行，并設定拍攝間隔將模擬日冕儀獲得的圖像數據經USB接口傳輸至計算機.攝像頭讀取程序在Matlab平臺上運行，模擬衛星獲取日冕圖像流程，展示日冕儀的觀測過程.

4)給整個演示實驗系統蓋上遮光罩，模擬空間觀測環境，設置步進電機進入雙日冕儀運行模式，設定日冕儀自動拍攝時間和保存路徑.模擬拍攝完成后，在Matlab平臺上運行日冕3D重建程序，得到模擬日冕的三維結構圖，并與其實際形態相比較，進行誤差分析.

該模擬實驗系統一方面可以在課堂上展示日冕及其探測的相關知識，也可以作為課后實驗由學生自己動手設置衛星運行參量，編制重建算法.建議通過該演示實驗可實現如下教學任務：

1)模擬太陽表面的各種日冕結構形態，讓學生直觀認識太陽外層大氣日冕常見結構，以及日冕發光的物理原因，從而產生對太陽物理和空間觀測的學習興趣.

2)根據實物學習日冕儀的構造和遮擋太陽光球拍攝光強很微弱的日冕的工作原理.外掩式日冕儀作為觀測太陽的一類重要科學儀器，已經搭載多個衛星平臺.通過演示實驗學生可實際操作觀察日冕儀在強光背景下獲得弱光信號的方法.

3)由模擬太陽探測衛星在軌運行模式學習空間觀測技術的相關內容，包括對STEREO雙子衛星軌道的初步認識，利用2個日冕儀進行觀測得到不同角度的日冕圖像的差異，以及將獲取的數據輸入到計算機完成3D重建的方法.

該演示系統的部分實驗內容可根據課堂教學進度和實驗室條件選作，尤其是對日冕空間結構實現3D重建的算法還處于研究階段，可作為研究生課程的實驗內容，使課堂學習與研究熱點能對接起來，提高學生的學習興趣.

3 數據處理及實驗效果

為了讓學生能夠更清楚如何對空間探測衛星的觀測數據進行處理，獲得日冕得空間結構，在圖像處理算法基礎上[7]，設計了反演算法進行數據處理，其具體方法為：

1)在同一時刻獲取模擬日冕的2幅圖像數據，并對圖像進行預處理，包括對齊圖像、去除背景和噪聲等干擾信號，得到日冕的二維圖像信息.

2)基于SIFT算法對2幅圖片中的特征點進行匹配，得到部分特征點在2幅圖中被認為實際是日冕結構的同一個點.

3)根據原圖對圖像進行分割處理，將日冕的前景分離，并使用數字圖像處理中相關算法找出模擬日冕條狀結構的骨架.

4)建立基于三角法的坐標變換關系，將特征匹配得到的點和分割出來的點進行坐標變換，得到日冕各點的三維坐標.

5)在空間坐標系中重畫日冕結構，并將其結果與實驗中的實際測量值相比較，進行誤差分析以評價重建精度.

圖4中為模擬日冕的重建結果(紅線標出)與實測值(白線標出)的比較.從中可以看出，二者符合得很好，重建數據誤差在實驗誤差范圍內.

圖4 日冕三維重建數據結構

4 結束語

針對空間物理和空間技術專業的本科生和研究生專業課教學，設計了日冕及其觀測的演示實驗系統，通過模擬在軌的STEREO雙子衛星觀測情況，實現由日冕二維圖像數據反演獲得三維空間結構的整個觀測流程.通過該演示實驗，學生可以直觀地了解日冕的形態，學習日冕儀的工作機制和空間探測衛星的工作模式，并掌握3D重建算法的核心思想.在進一步的研究工作中，還需要優化實驗系統的硬件設計，尤其是模擬太陽和模擬日冕的結構，使其更能夠反映實際情況.對于日冕3D重建算法還需要進一步改進，擴展算法的適用范圍，使其能夠處理環形的日冕結構.

[1]Raymond J C.Imaging the Sun’s eruptions in three dimensions[J].Science，2004，305(5680)：49－50.

[2]尤建圻.空間日冕觀測進展[J].天文學進展，1999，17(4)：299－308.

[3]曾昭憲，彭國義，魏雅利.天基日冕儀發展現狀[C]//第22屆全國空間探測學術討論會論文集.2009.

[4]Howard R A，Moses J D，Vourlidas A，et al.Sun Earth connection coronal and heliospheric investigation(SECCHI)[J].Space Sci.Rev.，2008，136(1/4)：67－115.

[5]張雪飛，劉煜，申遠燈，等.STEREO衛星的CME觀測研究進展[J].天文學進展，2012，30(2)：159－171.

[6]Aschwanden M J.4－D modeling of CME expansion and EUV dimming observed with STEREO/EUVI[J].Ann.Geophys.，2009，27(8)：3275－3286.

[7]楊帆，王志陶，張華.精通圖像處理經典算法[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.