1、051211019太阳观测数据及其分析第 6 组刘鹏组长 陈枫2007.111 实验目的通过对太阳塔数据的处理，了解天体物理中成像、成谱的基本过程和知识，同时针对像和谱的定量研究，了解天体物理的研究方法、过程等。具体而言：掌握计算机对天文数据进行成像成谱的工作用计算机对复杂数据进行统计分析利用各种资源（图书、网络等）找参考资料和相关工具2 实验要求(1) 实验手册上第一、第二次实验中实验步骤所要求的内容(2) 对得到的数据进行可能的研究、分析。比如谱的拟合、速度场分析，各个隐含量的计算。(3)深入了解三维成像光谱观测，阐述清楚三维结构(4)对实验步骤进行讨论，找出误差来源，大小，以及对最后结果
2、的影响*(5)理论上分析三维光谱成像原理3 实验步骤在本次观测太阳的实验中，主要有八大观测步骤（1）利用 CCD 成像光谱观测系统，获得和 8542 谱线的 两维图像数HCay据 120*260（2）得到 和 8542 谱线的平均谱线轮廓（3）利用太阳光谱图（附件 1） ，证认和 8542 的两条谱线粗略算出色Ca散度 和 ；证任多条谱线，用最小二0乘法获得精确色散度 和中心像元所对应的波长 0（4）建立一个纵坐标为剩余强度的谱线轮廓，（5）利用 CCD 成像光谱系统，进行扫描观测，获得扫描方向-狭缝方向 -色散方向的扫描数据（CUBE）（6）得到两张不同波长的日面活动区的单色像（7）得到日面
3、扫描区域相对视向速度场（8）得到某个固定狭缝方向的扫描方向色散方向图，和某个扫描方向的狭缝色散方向图4 实验原理光谱仪的线色散度: CCD 观测成像系统所采集的数据，在色散方向的相邻两个像元所对应的波长间隔。在狭缝方向色散方向两维数据文件里，可以得到一组平均谱线轮廓值，其中 j 为狭缝方向像元1/Njpk数的标记，k 为色散像元数的标记。利用这组数据可以做出谱线轮廓。利用太阳光谱图可以证认 和H8542 中的个谱线的波长。利用公式Ca，利用两组数据可以粗0jjn略得到色散度 和零点象元 ；利用多0组数据可以根据最小二乘法得到色散度和零点象元 ,然后可以得到中心像元0。013c由于光谱仪、CCD
4、 摄像机、以及太阳连续辐射的背景的影响，谱线基线不是一条水平线，因此观测轮廓应该作以连续谱强度为单位的归一化处理，得到光谱强度为，其中， 为第 i 个像元的辐射0iiFi强度， 为对应的连续辐射强度i三维数据结构（CUBE）如实习书 图1P2.1 所示，其中垂直于 X 轴的一个切面是光谱图，垂直于 Y 轴的一个切面是Y光谱图， ，而垂直于 的一个切面是X扫描观测区域的单色像。不同位置的光谱和速度场: 在一个和 8542 线扫描观测数据 Cube 中，HCa选取位置（X1，Y1） ，就可以得到一条光谱 S1,在位置（ X2，Y2）上有光谱 S2这样就可以得到 30 112 条谱线。我们可以计算出
5、每条光谱线轮廓的重心 。线重p心指的是如图 2.3 所示的剩余强度（轮廓阴影的部分）的重心，其表达式为 2121CpId把某一位置谱线线心作为参考线心 ，rp计算所有其他谱线的线心相对于参考线心的位移， irp就可以得到这个区域的相对线心位移。我们有 速度关系DoervC其中 C 为光速，且设红移速度为正，则我们可以得到扫描区域的速度场。5 实验仪器南京大学太阳塔 CCD 成像光谱观测系统。多波段光谱仪。6 实验观测数据及其分析 H（1） 两维图像数据（120*260）y（2）平均谱线轮廓从 30 张图像中，选取第一张，做其平均谱线轮廓，对 120 条狭缝做平均得到。（3）证认谱线，粗略算出色
6、散度 0,6.nAnA，根据书上公式 0jj粗略得到 00.5,65.A（4 ）证认谱线，用最小二乘法获得色散度 2,854.3nAnA，根据书上公式 0jj粗略得到 000.17368,52.6A（4）证认谱线，用最小二乘法获得色散度 &c利用找到的 6 条线心的像元数和相应波长，根据最小二乘法可以精确得到色散度 &c即 00 00.1946,8527.,138542.cAA（5）剩余强度谱线轮廓同理 氢。（6）获得扫描数据 Cube（7）日面活动区单色像（n1=172,n2=147）（8）日面扫描区域相对速度场（9）固定狭缝方向（120）的 图和固x定扫描方向（20）的 图y7 谱的拟合利
7、用 GaussFit 函数做氢和钙的平均谱线拟合（1） 氢的平均谱线拟合 （2） 钙的拟合可以看到，高斯拟合基本符合谱线的形状，但是还不是很精确的与之完全符合。8 速度场分析H从图中可以看出，H 的速度大部分都在5000m/s -5000m/s 左右，极少部分在几万米每秒。Ca从图中可以看出，Ca 的速度大部分都在-50000m/s 左右，极少极少部分在十万米每秒（可能为宇宙线） 。9 深入了解三维成像光谱观测及其阐述清楚三维结构三维（CCD）成像光谱观测系统由 CCD 摄像机、图像处理器、计算机、录像机、监视器以及扫描系统组成。如实习书第四页图 1.3。CCDA 和 CCDB 是两个放在光谱
8、仪和 8542 线焦平面上 CCD 照相机。HCaCCD 照相机的型号为 sensys，CCD 芯片是Kodak 公司生产的 KaF0400，像元数为 768512，每个像元大小为 ，则 CCD9的大小约为 。6.m4.CCDA 和 CCDB 采集来自光谱仪的高色散的狭缝图像，即 y（狭缝方向）- 波长（色散方向）的图像，经图像处理器，以两个字节的数字格式记录于计算机。沿狭缝方向的像元数 512 个，空间分辨率为，总可观测空间尺度为 3.6 角/0.42pixel分。沿波长方向 和 8542 的线色HCa度分别为 0.02503 埃/象元和 0.05907 埃/ 像元，可检测的波长范围分别为
9、19 埃和 45埃。由于图像处理器的模数转换（A/D ）是12bits 的采样，由每个像元的数据为unsigned int 类型数据（0-4095） ，观测数据存放在二字节的数据流里。在一个文件内，可以单独地存放 和 8542 线资料。HCa也可以存放两中谱线资料。由于计算机内存空间的限制，每个文件不能包含bits 的数据，观测者可以按768512要求选择像元数目。为了深入了解 CCD 成像系统的扫描观测，见实习书第 11 页图 2.1 的示意图。光谱仪的狭缝是固定不动的，扫描观测是通过由步进马达转动 M5 镜，是太阳均匀扫过狭缝来完成。当狭缝在太阳像的位置 P1， （）计算机采集 CCD 的
10、输出，给出一幅如书 11 页图 1.5 那样的光谱数据。记录这组数据为P1，表示在扫描位置 P1 的一幅 二维y光谱图。当采集结束，把这幅 二维光y谱图的数据存入计算机内存中以后，计算机给出一个命令，驱动马达转动 M5 镜，是太阳像在垂直于狭缝方向移动一段距离（对应2）至 P2 位置，再采集第二组数据，记为 P2。依次类推，在最终的扫描位置，记录为 PN。这样就可以建立起一组（X，Y， ） 的三维数据集.类似于实验一，我们可以得到任何扫描位置（Xi） ，任何狭缝位置（Yi）的光谱图。设 的数据结构为 像元，y1206扫描方向 X 为 30 步（N=30） ，由此可建立起像图 2.1 那样的三维
11、数据，天文学家习惯称它为 Cube。垂直于 X 轴的一个切面是光谱图，垂直于 Y 轴的一个切面是y光谱图，而垂直于的一个切面是扫描观测区域的单色像。 10 对实验步骤的讨论（1）做平均谱线轮廓的步骤中，我只是对30 张中的第一张图像的 120 条狭缝的太阳光谱作了一个平均，并没有对所有的图像做一个平均，可能对所有的图像做平均，然后再对这 30 个平均谱线作平均会得到更好的平均谱线轮廓。（2）精确证认谱线的时候，我只是选取了平均光谱上的 5 或者 6 个吸收线对应的像元数并找出其相应的波长数，然后用最小二乘法得到色散度和零点波长。而根据最小二乘法的原则，所选取的组数应该很多在可以得到精确的结果，
12、因此在证认谱线上可能会有一些误差，但误差对最后的结果影响不大。（3）做剩余强度的时候，在作连续谱过程中，只是对平均谱线作了一元线性回归（利用最小二乘法算出直线的斜率和截距） ，即只是用一条直线近似地当作连续谱线，并没有做二元、三元的线性回归，而且只利用了第一张图的数据。因此可能得到的剩余强度谱线不是很精准，但被本次试验由于太阳光谱的吸收线较为明显，用一元线性回归对光谱线的归一误差不会很大。（4）做相对速度场的步骤中，对计算剩余强度的重心得积分公式作了近似，把积分换为求和，因为波长方向像元数单位间隔为 1，对于离散型数据利用求和会简单一些。做一个三重循环，先将重心求出，再得到相对线心位移，参考线心选为其中一条谱线的中心象元处的波长。而没有使用书上的积分公式，可能会对结果有一些误差，但对于这样密集的点来说，用求和代替积分还是可行的。误差不会有多少。其他的误差也可能是由当时太阳可能爆发耀斑或者日珥，或者有宇宙线刚好打在望远镜上，可能出现有的点强度值很大，这也是结果出现小的异常的原因。11 理论上分析三维光谱成像原理
