光纤阵列太阳光学望远镜观测控制系统的研究与太阳活动区冕环的检测
文献类型：学位论文
| 作者 | 宋智明
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| 答辩日期 | 2020-07-01 |
| 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 | 屈中权 |
| 关键词 | 太阳磁场 光电导行 二维积分视场扫描 冕环检测 环宽统计 |
| 学位专业 | 天文技术与方法 |
| 其他题名 | Study on observational control system of Fiber Arrayed Solar Optical Telescope (FASOT) and detection of solar coronal loops |
| 英文摘要 | 太阳是距离地球最近的一颗恒星，其为地球生物的生存提供了必不可少的光和热，同时，太阳也是唯一一颗可以近距离观测和研究的恒星。目前，人类已经通过各种仪器和手段对太阳展开了大量的研究。在这些研究中，太阳磁场的研究是一项必不可少的课题，因为无论是空间灾害性天气，还是太阳的光球层，色球层和日冕层的各种特征结构的形成和活动现象的发生都与太阳磁场息息相关，因此对太阳磁场从光球到色球再到日冕进行全方位高精度地立体诊断具有重要意义。然而，日冕的辐射强度很弱，而且是光学薄的，为了对其矢量磁场进行较为可靠的测量,常规的方法是以观测和反演手段获得的光球磁场为边界条件，外推出日冕磁场，这些外推方法包括势场外推方法和无力场外推方法。但是，这些常规外推方法本身存在较多问题，从而使得外推出来的日冕磁场在位形上与日冕中磁场最直观的表象冕环具有较大的差别。为了克服这种缺点，已有学者将日冕中的真实冕环作为约束条件，来优化日冕磁场外推算法，以获得更加真实的日冕磁场，从而实现太阳大气磁场的全方位高精度地立体诊断，因此对日冕图像中的冕环进行高效检测是获得更真实的日冕磁场的前提条件。此外，在众多的太阳相关的研究课题中，日冕加热问题一直是困扰太阳物理学家的难题，针对这个问题，太阳物理学家们提出了各种日冕加热机制和模型，并用各种手段验证这些机制和模型的有效性，但是至今没有统一的定论，而在这些机制和模型中，冕环扮演着重要作用，特别地，对冕环的长度，生命周期，横切面宽度，温度和密度等参数的研究和分析对于判断日冕的加热机制和确定合理的日冕加热模型是很重要的，因此对冕环及其参数进行大样本的分析具有重要意义。光纤阵列太阳光学望远镜（FASOT）是一台具备较高科学和观测目标及特殊结构的新型专用太阳磁场望远镜，其主要的科学目标是实时高精度的太阳光球和色球矢量磁场的测量（主攻色球矢量磁场的测量），因为其较为特殊的光机结构，所以为了满足其科学目标，需要配备特定的观测控制系统。此外，FASOT未来的科学数据是高精度的太阳光球和色球矢量磁场，而为了基于这些科学数据外推出更加真实的日冕磁场，实现太阳磁场的全方位高精度的立体诊断，利用基于冕环约束的日冕磁场外推算法是很有必要的，而这种算法的首要前提是检测出日冕图像中的冕环。然而，日冕图像中包含着大量的冕环，且这些冕环之间没有清晰的边界，传统的人工视觉检测和图像处理方法很难检测到它们，而且基于人工视觉的主观冕环检测方法不适合于大规模高精度的冕环检测，因此开发一种高效的自动冕环检测算法是很有意义的，其不仅可以为FASOT未来的科学数据提供进一步地应用支持，而且对于大样本的冕环研究，特别是日冕加热问题中冕环参数的大样本统计研究具有重要意义。鉴于以上原因，本文开展了以下研究工作：（1） 为FASOT特殊的光机结构设计了特定的观测控制系统，并在FASOT原理样机FASOT-1B中验证该系统的有效性。该系统集光电导行，二维积分视场扫描，光谱仪光栅旋转，偏振校正轮切换，偏振调制和数据采集控制为一体，可以为FASOT的偏振观测和扩大观测视场提供了控制服务。特别地，对于该观测控制系统中的二维积分视场扫描控制，本论文首次提出使用光电导行闭环反馈控制来引导机架控制系统，并带动引导光学和后端仪器一起运动的方式实现，并在扫描过程中引入卡尔曼滤波器，以减小扫描过程中因为外界随机干扰对扫描闭环反馈控制量（导行系统采集的太阳像重心坐标）的影响，从而提高扫描的稳定性；（2） 提出了一种基于匹配滤波器和像元连通及方向近似的冕环自动检测和提取算法，并将该算法与现存的算法，特别是目前性能表现最优的（Oriented Coronal CUrved Loop Tracing，OCCULT）算法和其改进版本OCCULT-2进行了对比，以说明所提出的算法具有较优的性能，从而能够为未来FASOT的科学数据的进一步应用提供有效的技术支持；（3） 基于所提出的冕环检测和提取算法，对（Atmospheric Imaging Assembly /Solar Dynamics Observatory，AIA/SDO）和（High-resolution Coronal Imager，Hi-C）两个仪器中的193 Å波段采集的图像中的冕环进行了自动检测，横切面轮廓宽度计算和宽度统计分析，从而验证了基于OCCULT算法的冕环宽度统计结果因为丢失了精细结构冕环的样本而导致统计结果不完备，并获得了AIA/SDO分辨率不足以分辨大部分冕环，而Hi-C的分辨率可以分辨绝大多数冕环的结论，而这种结论对于太阳物理学家建立合理的日冕加热模型是有帮助的。 |
| 学科主题 | 天文学 ; 太阳与太阳系 ; 太阳物理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 127 |
| 源URL | [http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/25480]  |
| 专题 | 云南天文台_光纤阵列太阳光学望远镜研究组 |
| 作者单位 | 中国科学院云南天文台 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 宋智明. 光纤阵列太阳光学望远镜观测控制系统的研究与太阳活动区冕环的检测[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：云南天文台
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