NVST太阳光谱数据处理方法研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 蔡云芳
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| 答辩日期 | 2018-07-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 季凯帆 ; 徐稚 |
| 关键词 | 成像光谱仪 太阳光谱 数据处理 合成单色像 |
| 学位专业 | 天文技术与方法 |
| 其他题名 | Research on Data Processing Method of the NVST Solar Spectrum |
| 英文摘要 | 太阳是离我们最近的一颗恒星，其内部磁场的变化导致太阳活动现象的爆发，而太阳的活动现象与人类生活环境息息相关，因此对太阳进行实时监视、预报以及研究其内部的变化规律具有很重要的意义。除了高空间分辨率的太阳成像观测之外，高光谱分辨的观测也是太阳观测的重要手段。通过太阳光谱可以从物理本质上研究太阳大气活动的产生机制与演变规律，长时间、高空间和高光谱分辨的二维成像光谱观测是目前太阳光谱观测的主流，光栅光谱仪是一种实现二维光谱观测典型的成谱成像的仪器。 一米新真空太阳望远镜（New Vacuum Solar Telescope，NVST）是目前国内口径最大的太阳望远镜，配备了顶尖的高性能的终端设备，如多通道成像系统、多波段和大色散光谱观测系统等。目前，成像无论从观测到后续数据处理等方面处于较成熟阶段，而光谱的观测和数据处理还处于发展阶段。本论文是基NVST观测的光谱数据，系统性地研究观测过程中的误差源和误差机制，建立完整的高精度NVST光谱仪成谱成像数据处理方法和流程。主要研究内容包括以下五个方面：第一，对NVST 光谱数据做精细的预处理。通过分析发现NVST光谱数据的平场中存在多种随时间变化的不均匀性响应，导致传统的光谱数据平场方法在处理数据中“伪信号”的同时会引入大量的额外误差。基于此本文提出了平场的“各项分离”方法，将平场中不均匀的因素一一分离，然后对平场中时变的因素进行相应的矫正，之后再用于科学数据。这样可以对固定的不均匀性响应和一些时变的因素都能够很好地扣除，而且避免引入额外误差。经过以上平场方法的处理之后，我们计算了光谱数据中光球线和色球线多普勒速度的测量精度，发现在谱线Ha的多普勒测量精度可以达到100-200 m s-1，而光球线的测量精度大约在100 m s-1之内，从而可以通过NVST 光谱数据实现不同太阳大气层在同空间位置、同时刻物理特性的高精度测量。第二：对NVST二维扫描光谱数据进行处理，以提高合成单色像的空间分辨率。因为目前NVST 二维扫描光谱观测是没有任何稳像器的帮助下进行的，因此图像会存在很大的晃动现象，从而导致后续合成二维单色像发生相应的错位。鉴于此，本文提出一种基于狭缝监视像（TiO成像系统）计算光谱图像在空间方向和扫描方向的晃动偏移量，通过偏移量对光谱数据加以矫正、重新排序后再合成二维单色像。通过详细的分析和比较，矫正之后的单色像明显具有较高的空间分辨率。第三：对光谱数据的仪器轮廓进行测试和退卷积处理。仪器轮廓会降低光谱数据的空间分辨率和光谱分辨率，本文从NVST光谱数据本身出发，分别研究了多波段光谱仪在空间方向和色散方向上的平均点扩展函数（Point Spread Function，PSF）的计算方法。通过直接求导法和反复试错法两种都分别得到了光谱仪在空间方向上的平均PSF，而通过与标准太阳光谱FTS相匹配的方式得到色散方向上的平均PSF。之后对光谱数据在两个方向上进行退卷积。从结果可以看到空间方向上采用二维空间退卷积能够明显的提高合成单色像的空间分辨率，而色散方向上的退卷积使得一些波长相连或者深度较浅的谱线可以明显分辨了，说明光谱数据的分辨率也相应地提高了。第四：对二维合成单色像进行level1+的处理。平均PSF反映的是望远镜系统对光谱数据的平均影响，而大气湍流以及望远镜晃动的影响是是随机性的，若要完全消除它们的影响，需要对二维合成单色像进行进一步处理。鉴于目前NVST二维扫描光谱观测时，狭缝监视像和光谱数据并没有严格同步采集，我们首先通过狭缝监视像进行初步实验，分别采用了“De-stretching”方法和斑点重构的试验。然后将方法应用于光谱合成的二维单色像，尽管由于图像中存在明显的错位误差和时间误差，但是重构的结果也有了一定的效果。第五：对NVST 光谱数据进行降噪和压缩处理。通过分析光谱数据的特点，本文提出采用主成分分析（PCA）的方法对NVST 光谱数据进行降噪和压缩处理。从处理的结果分析显示，PCA 技术不仅能够在保留光谱信息的前提下降低图像的噪声，而且很大程度上减少了数据的存储空间，从而有助于NVST 常规观测光谱数据的网上发布。通过本文提出和采用的所有方法，可以对NVST光谱数据进行全面系统性的处理，充分挖掘NVST 光谱仪器的观测性能，提高光谱数据的利用价值。 |
| 学科主题 | 天文学 ; 太阳与太阳系 ; 太阳与太阳系其他学科 ; 计算机科学技术 ; 计算机应用 ; 计算机图象处理 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 158 |
| 源URL | [http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/25422]  |
| 专题 | 云南天文台_抚仙湖太阳观测站 |
| 作者单位 | 中国科学院云南天文台 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 蔡云芳. NVST太阳光谱数据处理方法研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2018. |
入库方式： OAI收割
来源：云南天文台
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