多通道近红外太阳光谱仪观测数据集(2001-2015年)

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多通道近红外太阳光谱仪观测数据集(2001-2015年)

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多通道近红外太阳光谱仪观测数据集(2001-2015年)

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            数据来源:CSCD中国科学引文数据库

多通道近红外太阳光谱仪观测数据集(20012015年)

杨哲睿1 ,杜秋生1 ,黎辉1 ,高娜1,刘梁1*

1. 中国科学院紫金山天文台,南京  210008

*  通讯作者(Email: LiangLiu@pmo.ac.cn)

:太阳光谱的观测与研究能够得到太阳大气中与观测谱线对应层次的等离子体物质的视向速度、温度、密度等物理参数,不同波段的光谱对应太阳大气的不同层次、多个波段太阳光谱的同步观测,对太阳大气模型的建立和对已有模型的验证有重要意义。紫金山天文台多通道近红外太阳光谱仪,在三个波段,即Hα(6563Å)、CaII 8542Å和HeI 10830Å,同时对太阳及其活动现象进行光谱观测,并获得缝前的Hα单色像。通过该光谱仪的观测,我们可以得到三条谱线的中心、线翼及附近连续谱的强度、谱线轮廓、速度等信息。目前已积累了从2001年到现在的Hα、CaII 8542Å和 HeI 10830Å三个波段的光谱数据和光谱仪缝前Hα单色像数据。

关键词:多通道近红外太阳光谱仪;Hα单色像;光谱数据;IDL

Data archive of the multi-channel infrared solar spectrograph2001–2015

Yang Zherui, Du Qiusheng, Li Hui, Gao Na, Liu Liang

Abstract: The observation and study of solar spectrum can help us to know the physical parameters, such as the plasma velocity, electron temperatures, electron density, etc., of the line formation layers of solar atmosphere, because different spectral lines are formed in different layers of the solar atmosphere. Simultaneous observations in multiple lines are important for us to establish and testify atmospheric models. The Multi-channel Infrared Solar Spectrograph (MISS) at Purple Mountain Observatory records slit-jaw Hα monochromatic images and obtains spectral data in the three spectral lines, namely, the Hα (6563Å) line, the CaII 8542Å line and the HeI 10830Å line. From MISS observation data, we can get information about the intensity at the line center, line wings and nearby continuum of the three lines, as well as line profiles and plasma velocity. We have collected the observation data of MISS in the period from 2001 up to now.

Keywords: MISS; slit-jaw Hα images; spectral data; IDL

数据库(集)基本信息简介

数据库(集)中文名称

多通道近红外太阳光谱仪数据集

数据库(集)英文名称

Data Archive of the Multi-channel Infrared Solar Spectrograph (DAMISS)

通讯作者

刘梁(LiangLiu@pmo.ac.cn)

数据作者

杨哲睿、杜秋生、黎辉、高娜、刘梁

数据时间范围

2001~2015年

空间区域

太阳的全日面区域

空间分辨率

太阳坐标0.375角秒

数据量

199 000 MB

数据格式

.fit, .raw, .img, .tif, .png

数据服务系统网址

http://www.pmo.csdb.cn/spectrum/index.php

基金项目

中国科学院天文委员会或天文财政专项支持项目(2015),“紫金山天文台太阳光谱仪的观测与维护”

数据库(集)组成

数据集中包含缝前Hα单色像和Hα(6563Å)、CaII 8542Å和 HeI 10830Å三个波段太阳光谱数据。缝前Hα单色像时间范围从2001~2005年、2010~2015年;Hα(6563Å)波段数据为2001~2015年;CaII 8542Å波段数据为2001~2004年、2006~2015年;HeI 10830Å波段数据为2001~2004年、2012~2014年。所有数据分日存放

引  言

太阳活动的辐射会激发大气中原子的能级跃迁,发出许多特定波段的光子。多波段的太阳光谱研究,能够得到不同层次的太阳大气的各项物理参数。观测太阳活动,对太阳上的日饵、暗条和太阳活动区中的耀斑爆发进行连续跟踪观测,这对研究太阳活动的爆发机制有重要意义[1]

紫金山天文台的多通道光谱仪始建于1976年。从1986年开始经过逐步的更新和改进,从而建成了现在的多通道近红外太阳光谱仪(MISS),在Hα(6563Å)、CaII 8542Å和 HeI 10830Å三个波段,同时对太阳及其活动现象进行光谱观测。日常观测时间持续进行太阳Hα缝前单色像的观测,通过其图像监控太阳的主要活动。一旦有太阳耀斑发生,就开始对三个波段进行同步观测。将观测到的原始数据进行平场和暗场的扣除之后即得到太阳光谱数据,用fit格式进行保存。数据集已经积累了从2001年至2015年所发生耀斑时段的三条谱线的光谱数据和缝前Hα单色像数据[2]

1  数据采集和处理方法

紫金山天文台使用Apogee公司的AP7p科学CCD(2010年改用XenICs红外相机观测)进行多波段太阳光谱的观测,同时,我们用TM-860商用CCD(2010年改用ImperX CCD,2014年改用CoolSnap CCD)进行缝前Hα单色像的照相观测,实现了光谱的全面数字化[3]。在观测中,通过缝前单色像来监控太阳耀斑等运动。继而进行Hα(6563Å)、CaII 8542 Å和 HeI 10830Å三个波段的同步观测,并得到原始数据。在正常数据观测后进行暗场观测,得到观测时的环境影响。而太阳光谱仪定期采集一次平场数据,得到CCD靶面不均匀性对图像的影响。最后将正常观测的原始数据进行暗场数据的扣除和平场数据的校正,即得到最终的光谱数据。

1.1  太阳缝前Hα单色像数据

太阳光为全色光,包含了各种波段的光线,其中波长6563Å的是Hα波段。经由Hα滤光器滤光后形成的太阳像即为太阳的Hα单色像。

多通道近红外太阳光谱仪在光谱观测中由一条缝取光。由一面具有中缝的反射镜面对太阳光,镜面可以反射太阳的Hα波段光。镜后放置光栅,利用单缝衍射原理进行光谱采集,而镜前有CCD相机直接记录反射镜反射的完整镜头的Hα波段太阳表面图像,这个完整镜头图像仅为太阳整个表面的一部分。在缝前由CCD相机直接拍摄的缝前太阳像就是缝前Hα单色像。在观测中单缝光谱观测先不执行,由观测员对缝前Hα单色像进行持续的观测,并缓慢调节镜头的方向观测太阳表面各处。当缝前Hα单色像图像出现明显亮点时,说明很可能有耀斑等太阳活动的发生,开始进行太阳光谱的观测,数据的记录频率约为0.5s一次至3s一次,数据格式为img、raw、tif。缝前Hα单色像主要用于确定太阳光谱观测数据的太阳坐标。由于缝前像只是太阳的局部像,其确切的位置坐标需要通过跟校正过的其他望远镜当日的全日面太阳白光像或者全日面太阳Hα单色像叠加、比对来确定。

太阳缝前Hα单色像数据为图像文件,时间范围是2001~2005年、2010~2015年,2006~2009年因设备原因没有保存数据。2001~2005年文件名的组成为:Ha+yyyymmdd_hhmmss.img,其中yyyy代表年份,mmdd代表日期的月和日,hhmmss表示时分秒。2011~2013年文件名的组成为:Ha+yyyymmdd_hhmmss.raw。2014年至今的文件名的组成为yyyymmdd_hhmmss.tif。例如Ha20130514_004110.raw即为2013年5月14日0点41分10秒观测到的图像文件。缝前Hα单色像的清晰度在2002年3月20日(不含)之后为192×143个像元;在2002年3月20日(含)之前为143×143个像元。

1.2  多波段光谱数据

开始光谱观测时,通过调整定天镜的第二镜移动太阳像在狭缝上的位置,使得缝前单色像的亮点移至观测缝上,此处多为太阳耀斑等太阳活动发生处。通过狭缝的光经过准直镜准直和光栅色散后,不同波长的光被分光形成一条水平方向波长渐变的光谱带。而太阳活动容易激发Hα谱线(波长6563 Å),以及激发Ca、He离子跃迁分别产生波长8542 Å、10830Å的谱线(1Å=1×10−10 m)。因此,在光谱带6563 Å、8542 Å、10830Å处放置CCD相机观测,得到Hα、CaII 8542Å和HeI 10830Å三个波段的原始数据,格式为fit。2012年之后HeI 10830Å波段的观测由于置换了设备,将谱线直接拍摄为png格式的文件。

光谱观测的原始数据还包含有平场、暗场的影响,分别代表观测用的CCD、环境对观测结果的影响。平场数据反映了观测用的CCD的靶面的不均匀性,一般隔一段时间采集一次。而暗场跟观测时的条件有关,如观测时的环境温度、湿度、观测暗房的亮度等,因此正常观测和平场观测时都会伴随相对应的暗场观测。光谱数据的处理需要经过平场校正和暗场的扣除。校正平场和扣除暗场用到的处理软件是由黎辉研究员编写的基于交互式数据语言(IDL)应用程序Flaten.pro[4],其源代码链接:http://www.pmo.csdb.cn/spectrum/program/Flaten.pro。程序包含了暗场数据扣除和CCD的平场校正,并扣除观测数据中的散射光成分等。正常观测数据、平场观测数据命名为字母F后跟谱线名称和观测时间,两者用观测时间区分,暗场观测数据的命名为字母D后跟谱线名称和观测时间。大部分数据为fit格式。小部分正常观测数据为png格式,不用进行平暗场处理。Flaten.pro程序能处理fit格式数据,程序由IDL命令行“程序名+谱线名”启动,依次输入正常观测数据、正常观测的暗场数据、平场观测数据、平场观测的暗场数据。程序先将正常观测数据、平场观测数据分别减去其对应的暗场数据,将两者结果作比,再与扣除暗场后的平均平场相乘,即得到矫正后的光谱数据。

处理完成的光谱数据中包含了2001~2015年的Hα光谱数据;2001~2004年、2006~2015年CaII 8542Å的光谱数据;2001~2004年、2012~2014年的HeI 10830Å的光谱数据。2005年的CaII 8542Å、2005~2011年的HeI 10830Å数据因设备原因中断。文件名直接反应观测的基本信息,文件的命名采用了“DF”+“谱线名称”+“年月日”+“时分秒(世界时)”+“.”+“文件名后缀”的格式。例如DFHa20031012_034040.fit文件是2003年10月12日世界时3点40分40秒生成的Hα光谱观测数据。“DF”表示已做平场暗场处理。Hα(6563Å)、CaII 8542Å数据为fit格式。HeI 10830Å数据在2001~2004年为fit格式,在2012~2014年为png格式。

2  数据样本描述

2.1  太阳缝前Hα单色像数据样本

缝前Hα单色像数据为图像文件,格式包含raw、img、tif。2002年之后的图片含有192×143个像元,之前为143×143个像元。命名规则主要为“Ha”+“yyyymmdd”+“_”+“hhmmss”+“.”+“后缀名”,“yyyymmdd”为日期,“hhmmss”为世界时,“Ha”有时会去掉。部分图片命名用“siltA|slitB|slitC|Image”+“序号”的形式。图1为2014年12月22日缝前Hα单色像图片20141222_043751.tif。

1  20141222日世界时4:37:51的缝前单色像

2.2  多波段光谱数据样本

多波段光谱数据中Hα (6563 Å)、CaII 8542 Å波段的全部数据和HeI 10830Å波段在2005年之前的数据是分别将三个波段的临近谱线数据转化而成的图像数据,格式为fit。文件名的命名采用了“谱线代称”+“年月日”+“_”+“时分秒(世界时)”+“.”+“文件名后缀”的格式。Hα(6563 Å)线的谱线代称为“Ha”,CaII 8542 Å线和HeI 10830Å线的谱线代称分别为“Ca”“He”。文件分成头文件和图像数据两部分,文件的头部信息记录观测的状态参数,数据部分为512´127的二维数组,记录512´127像素的光谱图片的像元亮度值。多通道近红外太阳光谱仪(MISS)对HeI 10830Å、CaII 8542 Å和Hα(6563Å)的谱线在波长方向的像元色散分别为0.04776Å、0.05113Å和0.05453Å,即为图像上代表波长的横坐标每个单位的波长跨度为0.04776Å、0.05113Å和0.05453Å。每个像元在狭缝方向的空间分辨率为0.375角秒,也就是频谱图纵坐标每个像元长度是太阳坐标的0.375角秒。

以2002年11月10日的数据Ha20021110_031135.fit为例,该数据为2002年11月10日,世界时间3时11分35秒,Hα谱线的图像数据。其头文件信息如下:

该文件头左侧是参数,右侧是参数值。该文件头信息代表数据处理时间为2003年10月6日星期一11:38:39;数据为整型数据组成的2维方阵,第一维大小为512,第二维大小为127;观测设备为太阳光谱仪,拍摄设备为CCD相机,观测站为紫金山观测站,观测日期为2003年10月6日,时间为世界时间(比北京时间晚8小时)3点11分35秒。

图像数据为127行、512列的整型二维数据,代表CCD相机在Hα谱线处拍摄的光谱图像元为512×127,元素值代表在相应像素位置的光强度。由于数据过大,不全部列举,表1仅列举第10行、前100列的数据。

1  Ha20021110_031135.fit10行前100列的数据

3  数据质量控制和评估

缝前Hα单色像观测数据需要明锐清晰,因此对相机有一定的要求。在验证的时候,调整Hα缝前单色像位置和角度,将其和当日太阳观测卫星观测到的太阳全日面白光像(如SOHO卫星的迈克耳孙多普勒成像仪﹝MDI﹞的观测)进行重叠。如果单色像上的黑子等特征和MDI太阳全日面白光像上对应部分的明显特征块能重合,则判断缝前Hα单色像有效。

观测设备的故障可能导致光谱数据的失效,因此通过IDL程序DISPLAY_OBS将光谱数据绘图成为光谱图像,由观测员观察清晰度判断观测设备的正常与否和光谱数据的有效性。

4  数据价值

太阳近红外多波段光谱仪能进行Hα(6563 Å)、CaII 8542Å和 HeI 10830Å三条谱线的同步观测,观测时段内平均9 s记录一次光谱图像数据。HeI 10830Å是太阳色球顶部过渡区下层的近红外谱线[5],红外观测严重受限于红外CCD技术,国际上相应的观测比较少。国外尚无上述三个波段同步进行的光谱观测,而国内也只有南京大学的太阳塔能进行这三个波段同步观测[6]。紫金山天文台的太阳近红外光谱仪和南京大学太阳塔的光谱观测各有所长,前者为定点观测,观测范围小,但时间分辨率高,能够用于研究太阳活动的短时标演化等;而后者时间分辨率低,但观测的空间范围大,能够研究大范围的太阳活动;两者可相互补充。

不同波段的谱线形成于太阳大气的不同层次、多波段太阳光谱的同步观测数据,能够得出同一时间不同层次太阳大气的物理状态,对太阳大气模型的建立和对已有模型的验证都有重要意义[7]

5  数据使用方法和建议

采集的多波段太阳光谱数据可以通过IDL程序或其他语言编写的程序来进行谱线的显示和研究[8]。例如IDL程序DISPLAY_OBS[9],程序的源代码链接为http://www.pmo.csdb.cn/spectrum/program/display_obs.pro,可绘图显示fit和img格式数据。png格式数据可作为图片直接打开显示。Hα (6563 Å)线数据DFHa20031012_031116.fit图像显示如图2。CaII 8542 Å线数据DFCa20031012_031145.fit图像显示如图3。HeI 10830Å线数据DFHe20031012_031146.fit图像显示如图4。

2  20031012日世界时03:11:166563 Å)谱线图

3  20031012日世界时03:14:45CaII 8542 Å谱线图

4  20031012日世界时03:11:46HeI 10830Å谱线图

在太阳活动的研究中需要了解采集的光谱数据的太阳坐标位置。太阳坐标位置的确定主要是用我们观测到的缝前Hα单色像与太阳观测卫星观测到的相近时刻的太阳全日面白光像比对,通过黑子等特征物把我们的缝前单色像叠加到白光像的对应区域,由于全日面白光像是经过校正的,两者叠加后就能得到缝前单色像对应的具体坐标。两者的叠加通过缝前单色像的平移和旋转来实现。缝前单色像和MDI全日面白光像的叠加程序mdi_slit[10]的源代码链接:http://www.pmo.csdb.cn/spectrum/program/mdi_slit.pro。缝前单色像Ha20021109_191236.img图像见图5,坐标为像素。MDI全日面白光像见图6,横竖坐标为太阳坐标。

5  200211919:12:36缝前单色像

太阳观测卫星观测到的全日面白光像

调整程序中的参数,进行移动、旋转,将单色像图像在全日面白光像上定位、重叠。结果如图7所示。白线为全日面白光像的等值线。单色像的暗处(黑子)和全日面像的黑子的等值线重叠,完成了单色像的坐标定位。X轴和Y轴即为光谱数据的太阳坐标。

利用全日面上的黑子对缝前单色像进行定位,确定当日观测点的太阳坐标

致  谢

本文在撰写过程中,得到了紫金山天文台杨戟台长的悉心指导和中国科学院计算机网络信息中心科学数据中心的大力支持,在此表示衷心感谢。

数据作者分工职责

杨哲睿(1987—),男,江苏省南京市人,硕士,助理工程师,研究方向为计算机科学与技术。主要承担工作为数据库网站开发、数据服务器搭建和升级、数据发布和共享、数据材料撰写。

杜秋生(1978—),男,河南省平顶山市人,硕士,助理研究员,研究方向为天体物理,主要承担工作为数据观测,数据处理分析。

黎辉(1966—),男,四川省南充市人,博士,研究员,研究方向为太阳高能物理,主要承担工作为观测设备建设,数据生成、数据处理程序编写,数据研究应用。

高娜(1985—),女,甘肃省白银市人,中国科学院紫金山天文台,硕士,工程师,研究方向为计算机科学与技术。主要承担工作为重点数据库项目申请。

刘梁(1970—),男,江苏省淮安市人,中国科学院紫金山天文台,博士,正高级工程师,研究方向为计算机科学与技术。主要承担工作为重点数据库项目申请、规划、执行。

参考文献

[1]  Weiqun Gan, Youping Li, Hui Li, et al. A Solar Flare Scenario Based on Multi-wavelength Observations[J]. Proceedings of the International Astronomical Union, 2004, 223: 623~624.

[2]  Hui Li, Jianqi You, Qiusheng Du, et al. Multi-wavelength Observation Results of the C5.6 Limb Flare of 1 August 2003[J]. Solar Physics, 2005, 225(1): 75~90.

[3]  Hui Li, Jianqi You, Qindi Wu, et al. Updated Infrared Solar Spectrograph at Purple Mountain Observatory[J]. Chin. Phys. Lett, 2002, 19(5): 742~744.

[4]  黎辉. IDL程序Flaten.pro[Z/OL]. 2003. http://www.pmo.csdb.cn/spectrum/program/Flaten.pro.

[5]  Mingde Ding, Hui Li, Cheng Fang. On the Formation of the HeI 10830 Å Line in a Flaring Atmosphere[J]. Astron. Astrophys, 2005, 432(2): 699~704.

[6]  方成, 黄佑然. 南京大学太阳塔及多波段太阳光谱仪[J].天文学报, 1983, 24(3): 189~195.

[7]  Hui Li, Jianping Li, Cheng Fang, et al. A Multi-wavelength Study of the 3B/X1.2 Flare Observed on 2003 October 26[J]. Chin. J. Astron. Astrophys., 2005, 5(6): 645~664.

[8]  Hui Li, Jianqi You, Xingfeng Yu, et al. Multi-wavelength Observations of a Flare Spray and CME of 1 October 2001[J]. Astron. Astrophys., 2002, 391(4): 741~748.

[9]  黎辉. IDL程序DISPLAY_OBS.pro[Z/OL]. 2006. http://www.pmo.csdb.cn/spectrum/program/display_obs.pro.

[10]  黎辉. IDL程序mdi_slit.pro[Z/OL]. 2003. http://www.pmo.csdb.cn/spectrum/program/mdi_slit.pro.

引用数据

(1)  杨哲睿, 杜秋生, 黎辉, 高娜, 刘梁. 多通道近红外太阳光谱仪观测数据集(2001~2015年)[DB/OL]. Science Data Bank. DOI: 10.11922/sciencedb.590.23.

 

引文格式:杨哲睿, 杜秋生, 黎辉, 高娜, 刘梁. 多通道近红外太阳光谱仪观测数据集(2001~2015年)[J/OL]. 中国科学数据, 2016,1(2). DOI: 10.11922/csdata.590.2015.0019.

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