现代日晕光度计多波段测光系统初步测试结果分析*

刘顺庆，段 辑，张雪飞，温 骁，屈中权，刘 煜

(1.中国科学院国家天文台/云南天文台，云南 昆明 650011;2.云南省昭通市昭阳区气象局，云南 昭通 657000)

为配合下一代大型地面太阳观测设备的发展，国内太阳物理界一致认为有必要尽快在天文资源相对比较优秀的西部［1］开展针对太阳物理观测的选址工作。地面大型仪器的发展和天文选址工作是因果相联的逻辑关系。下一代大型太阳望远镜的超强分辨本领让人们对获取太阳多个大气层次的高分辨物理信息充满期待。如果早日实现从太阳光球底层一直延伸到外日冕的全面观测，人们有望彻底解决太阳物理和恒星演化研究中的关键问题。另一方面，要实现大型太阳望远镜极高的空间和时间分辨率，它们就必须安放在更加优秀的台址上。只有寻找到能够满足多项苛刻条件的太阳观测址点，大型太阳设备的成功研制才能成为现实。

目前，在执行选址任务前期迅速研发一批合格的高精度选址仪器成为当前的工作的重点。现代日晕光度计是国际上大型太阳望远镜选址的标准数字化设备，它已取代历史上沿用了50多年的传统型的Evans日晕光度计［2］，因为后者过分依赖数据采集者的主观目测效果，存在不能自动记录、操作繁琐、波段单一和精确度问题。2010年上半年完成了第一架现代日晕光度计的设计和生产，并投入到野外址点数据采集测试，对仪器的杂散光水平和光学质量进行了详细分析［3］。2010年下半年完成了现代日晕光度计的多波段系统研制。本文介绍了利用该测光系统初步获取的资料特征，并讨论它的可靠性。

1 现代日晕光度计的多波段测光系统

日晕光度计多色测光系统由减光片、成像系统、多色滤光片装置和MaxIM DL软件控制系统组成。测光系统采用的波段分别为蓝、绿、红和水汽带。4个滤光片的具体参数分别为:蓝波段λ 450nm，带宽10nm;绿波段λ 530nm，带宽10nm;红波段λ 890nm，带宽10nm;水线λ 940nm，带宽10nm。为与SBIG 402ME CCD相机兼容，它们的生产尺寸均设计为直径21.5 mm，厚度1.5 mm。这些滤光片替换了CCD相机原滤光片转轮上的宽带滤光片和无色透片。作为典型例子，图1显示了在水线940nm波段处的滤光片透过带轮廓，显示了这些窄带滤光片的良好技术指标。根据设计，这批滤光片的镀膜也能够经受长期的太阳光辐射。

图1 日晕光度计的水线940nm透过带轮廓实验室检测结果Fig.1 The test result of the filter transmission profile around 940nm for the Sky Brightness Monitor

观测时，可使用天文常用软件MaxIM DL Pro 5分别设置这4个波段的曝光时间、曝光间隔、数据采集序列和数据存储路径，之后即可对太阳日面和太阳圆面附近的地球大气散射光进行自动循环测光采集。另外，在每日数据采集之前和之后分别做了暗场和平场数据的测量。各波段数据曝光时间需要考虑日面中心成像时的亮度居于CCD有效数据读出范围的中段，以充分利用CCD相机在这段范围的信号响应的高线性特征。由于大气瑞利散射作用在短波处的显著特性，通常蓝波段曝光时间设置较长，而红波段曝光时间很短。

相比Evans日晕光度计，由于现代日晕光度计采用了4个波段同时的宽视场测光和成像，这带来了丰富的址点大气信息。在这些多波段测光资料的基础上，除了能够得到时间序列的天空背景亮度(即日晕)相关参数之外，还可以计算获得大气消光指数、积分水汽总量、水汽吸收指数、气溶胶指数等指标及其随时间演化的信息［4］。根据日晕光度计的宽视场成像特点，还可以实时记录太阳周围的云量变化特征。总之，现代日晕光度计获得的这些参量十分有助于全面掌握一个址点的白天大气参数基本特征和演化规律。

2 昭通大山包观测结果分析

根据气象统计资料，每年冬季是滇东北的昭通大山包地区一年当中相对干燥和日照充裕的季节，非常适合野外科学考察活动。详细的大山包地区的天文气象条件另文介绍。

2010年12月17～19日，我们携带初次安装四波段测光系统的日晕光度计对大山包进行日晕多色数据采集试验。18日天气良好，天空无云，获得了长时间观测的机会，从早上8:30开始观测，一直持续到下午3:30，共连续积累7 h数据。由于条件的限制，监测点只能临时设在旅馆建筑物的楼顶，在其西部100 m处存在土堆遮拦，这导致当日下午3:30左右就观测不到太阳数据，比较遗憾。但这不影响后期的模型检验与数据分析。

图2是18日大山包观测相关的一些数据和分析结果，其中图2(a)是蓝波段天空背景亮度随时间演化的观测结果(点)与球形大气模型的比较(实线)。可以看出在长达7 h的时间内，观测与理论值基本符合得较好，表明当时该地区有不错的大气日晕稳定性。图2(c)是积分可降水汽总量，随时间呈增长趋势。值得一提的是，在水汽量轮廓线上接近当地13时出现了一处明显跳跃，这其实是不应当出现的现象。造成该现象的直接原因是在观测过程中调整了红波段的曝光时间，从0.07 s提高到0.10 s。由于CCD读数与曝光时间之间的非理想线性关系，在后期数据处理中很难完全处理掉由于曝光不均造成的计算结果的跳跃。图2(d)显示的是太阳日面中心亮度自然对数与大气质量的线性关系。其实每条直线由两条重叠的直线组成，由于大山包大气条件相当稳定，各波段上午与下午的数据几乎重叠得很好。利用该观测结果就可以将大气质量为零时的日面中心强度得出，这为下一步计算随时间演化的各波段大气消光提供常数条件。图2(e)是根据日晕观测和球形大气模型拟合归算的太阳方向的大气质量(以天顶方向为单位质量)。图2(f)是各波段的大气消光指数变化。可以看出消光指数基本随时间而略有增长，表明大气层中的气溶胶含量随时间略有增加。图3(a)是将瑞利散射造成的大气消光从总大气消光指数中扣除后得到的与波长无关部分的消光指数。理论上虽然这部分结果应与波长无关，但图3(a)中仍然显示出各波段之间的较明显差异(0.01～0.03)，这种差异可能代表仪器的系统偏差［4］。图3(b)是反映瑞利散射强度的α值参数随时间变化情况。α值是从各波段的日面中心亮度按指数衰减规律归算得到。其时间轮廓上也存在明显的由于观测过程中曝光时间设置造成的归算数值突变。若不考虑这种突变，可以看出α值在观测过程中基本平稳，甚至在下午略有增加，再次说明大山包大气条件比较稳定。图3(c)的水汽吸收消光指数轮廓存在类似α值的陡降现象。若不考虑陡降，则表明大山包下午的水汽吸收呈上升趋势，这与图2(c)的结果相符，其原因可能与周围水库受太阳照射导致水汽蒸发增加有关。图3(d)是反映可见光波段观测的日晕强度随离太阳距离的变化指数。其中蓝和绿两个波段的指数较平稳，表示这短波段的天空背景亮度径向变化缓慢。图3(e)是反映大气消光的另一个指数γ的时间演化。γ值是从天空背景亮度按波长指数衰减规律归算而得，其轮廓随时间先递减后上升，比较类似于α值的变化规律。但是归算的γ值存在严重的大量负数。造成这种现象的原因很可能是日晕亮度的测量误差造成。因为在观测过程中出现了成像亮度严重不均的现象，具体主要表现是日面重影叠加严重和ND4减光片支架环的衍射光圈仅亮一半，这是从来没有发生过的现象。仔细检查了可见光3个波段在12～14时的天空背景亮度数据。图3(f)中数据显示，蓝、绿、红波段的强度分布完全与正常的瑞利散射规律相反，因此直接造成γ值为负。这种异常强度的出现，是与大山包优良的大气条件不符，应该暗示着日晕光度测量出现了某些问题。

图2 昭通大山包多波段资料分析结果(a)蓝波段定标后天空背景亮度演化，其中实线是根据球形大气模型得到的拟合曲线;(b)理论太阳天顶距变化;(c)大气积分水汽，从上至下分别为积分水汽含量、水线与红线强度比、归算到天顶的积分水汽含量;(d)太阳日心亮度对数与大气质量的关系，从上至下分别为红线、绿线和蓝线的观测;(e)大气质量演化;(f)大气消光指数，从上至下分别为蓝线、绿线、水线和红线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.

图3 昭通大山包多波段资料分析结果(a)总大气消光减去理论瑞利散射消光，从上至下分别是绿线、红线和蓝线;(b)大气消光与波长的关系指数随时间变化曲线;(c)由水汽吸收线贡献的消光部分;(d)天空背景亮度的径向分布变化，从上至下分别是红线、绿线和蓝线;(e)天空背景亮度与波长的关系指数随时间变化;(f)天空背景亮度随时间演化曲线，从上至下分别为红线、绿线和蓝线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.

从大山包科考结束后，立即将这架日晕光度计运至南京进行光学检测。检测结果表明问题出在所使用的新CCD相机的靶面与日晕光度计光路不完全同心。将校正后的设备于2011年2月在昆明凤凰山做了进一步的系列试验。

3 其它址点观测结果分析

为检验光学校正后的日晕光度计工作性能，使用它在昆明凤凰山进行了多次日晕测量工作。2011年2月昆明地区天气晴好，风速小。由于也恰值春节期间，城市人口和车辆明显减少，大气透明度相对较高。这些客观条件保障了能够满足仪器全天连续采集有效日晕数据的需要。类似大山包的观测，将部分凤凰山观测结果(2011年2月9日)显示在图4和图5中。图4(a)的点分布是蓝波段的观测，实线是根据大气模型在拟合上午数据的基础上得到的全天理论值。比较分析得知，下午凤凰山的日晕亮度明显高于标准宁静大气模型，表示大气中尘埃(气溶胶)成分有所增加。这点也反映在图4(d)中，上午和下午的大气数据不能重合，不如大山包数据理想，毕竟凤凰山还是太靠近昆明市区。比较关注的是图5(b)α和图5(e)γ两个参量的计算结果。由于在观测过程中没有改变曝光时间长短，所以α值再没有出现类似大山包结果中的陡降现象。该值在整天的观测中稳中略降，显示这段时期的凤凰山区域大气的相对稳定性特征。γ值在整天的观测中也呈现稳中有降的特点，而且绝大部分γ值都处于正值范围，证实了设备质量的提高。图5(f)显示的是蓝、绿和红波段的观测拟合结果，这3个波段的分布完全符合瑞利散射物理规律。

图4 昆明凤凰山多波段资料分析结果(a)蓝波段定标后天空背景亮度演化，其中实线是根据球形大气模型得到的拟合曲线;(b)理论太阳天顶距变化;(c)大气积分水汽，从上至下分别为积分水汽含量、水线与红线强度比、归算到天顶的积分水汽含量;(d)太阳日心亮度对数与大气质量的关系，从上至下分别为红线、绿线和蓝线的观测;(e)大气质量演化;(f)大气消光指数，从上至下分别为蓝线、绿线、水线和红线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.

图5 昆明凤凰山多波段资料分析结果(a)总大气消光减去理论瑞利散射消光，从上至下分别是绿线、红线和蓝线;(b)大气消光与波长的关系指数随时间变化曲线;(c)由水汽吸收线贡献的消光部分;(d)天空背景亮度的径向分布变化，从上至下分别是红线、绿线和蓝线;(e)天空背景亮度与波长的关系指数随时间变化;(f)拟合天空背景亮度随时间演化曲线，从上至下分别为蓝线、绿线和红线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晕光度计对丽江高美古址点进行了连续近20天的监测工作。高美古是日冕仪址点的重要监测候选点，具备很好的天文视宁度条件［5－6］。数据分析结果未再出现任何异常情况，并且利用高美古优良的观测条件确定了日晕光度计在各个波段的设备散射光水平(另文介绍)。

4 结论

将具备多波段测光功能的日晕光度计首先应用于昭通大山包的日晕测量试验，得到了当日该地的系统大气参数。在参数计算过程时，发现一些参数存在数值跳跃和偏离瑞利散射规律的现象，这是与当时大山包稳定的大气和良好的透明度条件不符的。经仔细分析，发现前者是观测过程中改变曝光时间导致，而后者是CCD相机靶面与光路不协调导致。在总结观测经验和改进仪器系统的基础上，又对昆明凤凰山和丽江高美古两地进行了系统测试，结果均比较理想，没有再发现任何明显不合理之处。需要说明的是，本文的数据均是采集于2010年底至2011年初这段云南旱季少雨期。观测结果还表明，凤凰山和大山包气溶胶含量在一天当中没有明显增长，表明这两个地点当时都有较好的大气成分稳定性，而高美古在观测期间往往正午之后瑞利散射效应减弱，气溶胶含量明显增强。这3个地点之间所测定标日晕强度有明显差异，在踏勘的时间段内大山包的平均日晕强度处于10～20个百万分之一日面中心亮度，高美古能够达到10个单位以内，而凤凰山一般高达40～50个单位。

通过使用日晕光度计的多色测光系统对不同址点进行测试，获取了各地的大气参量。测试结果能够客观反映不同址点某一时段的日晕和大气特征。日晕光度计测光系统能够用于太阳设备西部选址工作中。

致谢:感谢倪厚坤和章海鹰一直以来的技术支持和热情帮助。

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［3］刘念平，刘煜，申远灯，等.日晕测量与日晕光度计外缘杂散光抑制试验 ［J］.天文学报，2011，52(2):160－170.Liu Nianping，Liu Yu，Shen Yuandeng，et al.Measurement of Sky Brightness and Suppression of Scattering in Sky Brightness Monitor［J］.Acta Astronomica Sinica，2011，52(2):160－170.

［4］Penn M J，Lin H，Schmidt A M，et al.Extinction and Sky Brightness at Two Solar Observatories［J］.Solar Physics，2004，220(1):107－120.

［5］钱铜铃，邱春蓉，岑学奋，等.云南天文台丽江高美古和昆明的大气视宁度研究 ［J］.天文学报，2001，42(1):101－111.Qian Tongling，Qiu Chunrong，Cen Xuefen，et al.A Study of the Astronomical Seeings at Two Sites of Kunning and Lijiang ［J］.Acta Astronomica Sinica，2001，42(1):101－111.

［6］郭锐，杨磊，翟东升，等.丽江高美古2号点的大气视宁度观测 ［J］.天文研究与技术——国家天文台台刊，2008，5(4):398－403.Guo Rui，Yang Lei，Zhai Dongsheng，et al.The Observation of Seeing at the NO.2 Site in Gaomeigu ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2008，5(4):398－403.