日冕仪外掩体位置测量系统及位置测量方法与流程

本发明属于空间光学观测技术领域，涉及一种日冕仪外掩体位置变动测量系统及位置变动测量方法。

背景技术：

日冕是太阳大气的最外层结构，也是很多太阳物理现象的发生地，如日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,CME)，冕流和早期太阳风演化等，这也是影响近地空间环境和形成空间灾害性天气的主要推手。因此实时和长时间持续观测日冕可以开展诸多与日球层和磁层活动驱动源有关的研究，对于深入认识太阳活动等科学问题，以及空间环境监测和空间天气预报等实用问题都极为重要。

日冕的温度虽然很高，但密度非常底，辐射的光能量密度也非常微弱。通常在很靠近太阳的区域中，日冕的亮度也只有约10^-6B_⊙(B_⊙：日面中心亮度)，而距离太阳越远，日冕的亮度会迅速减弱。因此对微弱的日冕进行观测非常难。通常观测日冕有两种途径，一是当发生日全食时太阳光球层的光被月球挡住，可以观测到其周围暗弱的日冕；二是利用日冕仪直接观测太阳，其在望远镜光路中放置外掩体模拟日全食时的情况进行观测。由于日全食发生的机会非常少，且持续时间很短，日冕仪就成了对日冕进行研究的必要科学仪器。

实现对微弱的日冕光信号探测，外掩式日冕仪在成像物镜之前一定距离放置外掩体遮挡视场中心的太阳直射光。外掩体包括多个相对位置关系严格的遮挡板，利用衍射原理消除来自太阳光球的光，只允许日冕光通过透镜组成像。因此，其边缘残余的衍射光将在日冕仪内形成杂散光，成为影响日冕观测的背景噪声。如果外掩体不能调整到理想的位置，将降低日冕仪整体的杂散光抑制能力，严重的情况下甚至使日冕仪无法工作，尤其对于空间卫星搭载的日冕仪将使在轨性能大大降低。(2006年发射的STEREO卫星搭载的Cor2b日冕仪因为外掩体和内掩体相互偏离过大，严重影响了日冕仪的正常工作)。日冕仪外掩体的准确测量还没有有效的办法，原因是：为减小杂散光，掩体的表面均为黑色的，难以通过光探测进行非接触式测量；且掩体尺寸较小，无法在其上放置目标靶镜进行测量；而若采用测头接触式测量，将改变外掩体的质量分布，且后两种办法都无法实现位置变动测试与日冕仪杂散光测试同时进行，也就难以准确建立起外掩体和仪器杂散光之间的关联关系。因此，如何对外掩体这一影响日冕仪杂散光的关键部件进行非接触式测量，是需要解决的一个难题，这将影响日冕仪的整体杂散光抑制水平。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对日冕仪外掩体需要精密测量的需求，尤其是外掩体为黑色消光表面，难以进行非接触式直接测量的问题，提出一种日冕仪外掩体位置测量系统和位置测量方法，从而可提高日冕仪对杂散光的抑制能力，进而提高对日冕的观测质量。

本发明的技术方案为：日冕仪外掩体位置测量系统，日冕仪的物镜正前方安装有外掩体，外掩体与支撑杆连接，所述支撑杆通过二维平移和二维倾斜调节装置安装在日冕仪镜筒上，且支撑杆在镜筒截面内与镜筒轴垂直；还包括激光回馈干涉系统，激光回馈干涉系统测量光路和参考光路出光侧分别发射测量光和参考光，沿参考光路出光侧设置有参考光路反射镜，沿测量光路出光侧设置有测量光路反射镜。

支撑杆连接的二维平移装置可以在日冕仪入射孔径平面内分别沿平行于支撑杆方向和垂直于支撑杆方向调整所述外掩体位移；与所述支撑杆连接的二维倾斜装置可以分别以平行于支撑杆方向和垂直于支撑杆方向为转轴调整所述外掩体倾角。

日冕仪外掩体位移测量方法，包括以下步骤：

调整激光回馈干涉系统的位置，调整参考光路反射镜和测量光路反射镜，使参考光和测量光分别入射到支撑杆的两个侧面上，反射后使参考光和测量光沿原路返回形成激光回馈；

沿测量光入射方向调整支撑杆位置，激光回馈干涉系统测得测量光路长度改变量为Δl_x，所述外掩体位移变化值为Δl_x，每次改变支撑杆位置后，测量视场中外掩体边缘衍射光光强，直至外掩体边缘衍射光光强达到极小值；

沿参考光入射方向调整支撑杆位置，沿参考光入射方向调整支撑杆位置，激光回馈干涉系统测得参考光路长度改变量为Δl_y，所述外掩体位移变化值为-Δl_y，每次改变支撑杆位置后，测量视场中外掩体边缘衍射光光强，直至外掩体边缘衍射光光强达到极小值。

优选为：参考光和测量光分别入射到支撑杆相互垂直的两个侧面上。

优选为：改变日冕仪所处环境温度或振动测试条件，通过激光回馈干涉系统获取外掩体的位置变动信息。

日冕仪外掩体倾角测量方法，包括以下步骤：

调整激光回馈干涉系统的位置，调整参考光路反射镜和测量光路反射镜，使参考光和测量光分别入射在外掩体的盘面上，反射后使参考光和测量光沿原路返回形成激光回馈，记录参考光和反射光在外掩体盘面上形成的两个测量点之间的距离D；

使参考光和测量光在外掩体盘面上的两个测量光点沿支撑杆延长线的方向，沿外掩体盘面垂直于支撑杆的为转轴调整外掩体的倾角，由激光回馈干涉系统测量倾斜后测量光路相对于参考光路的长度变化为Δl_x，计算倾斜角：Δθ_x＝arctan(Δl_x/D)；每次改变外掩体的倾角，测量日冕仪视场中外掩体边缘的衍射光强，直至边缘衍射光光强达到极小值；

使参考光和测量光在外掩体盘面上的两个测量光点沿垂直于支撑杆的方向，以平行于支撑杆方向(即支撑杆所在平面内)为转轴调整外掩体的倾角，由激光回馈干涉系统测量倾斜后测量光路相对于参考光路的长度变化为Δl_y，计算倾斜角：Δθ_y＝arctan(Δl_y/D)；每次改变外掩体的倾角，测量日冕仪视场中外掩体边缘的衍射光强，直至边缘衍射光光强达到极小值。

优选为：改变日冕仪所处的环境温度或振动测试条件，通过激光回馈干涉系统获取外掩体的倾角变动信息。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种外掩体位置测量系统，适用于外掩式日冕仪。通过激光回馈干涉系统，实现对发黑表面的外掩体位置变动进行非接触式直接测量。

(2)本发明提供了一种外掩体理想中心位置的调整方法，借助二维平移装置可调整外掩体在入射孔径平面内两个维度上的位置，或者采用二维倾斜调节装置调整外掩体盘面的俯仰角和偏摆角。通过激光回馈干涉系统中参考光路和测量光路长度的改变，可测量外掩体的二维位移大小，或由位移差推算二维倾角大小。同时在日冕仪视场中，外掩体在两个维度上位移到不同位置，或者在两个维度上倾斜一定角度后，外掩体边缘衍射光的光强会随之改变。对上述位置参数不断调整，判断外掩体在何处时，边缘衍射光最小，即确定调整到其理想中心位置。以上对外掩体的定位方法，可进一步降低日冕仪的杂散光水平，提高观测质量。

(3)本发明进一步还提供了一种当外掩体偏离理想中心位置后引起日冕仪杂散光增大的量化分析方法。日冕仪装调、运输或运行过程中，外掩体会受到环境温度、振动条件等多方面的影响，造成外掩体位置的变动，其偏离理想中心位置越大，引起日冕仪杂散光越大，严重影响日冕观测。由于受支撑杆的限制，这种位置变动表现为外掩体的微小位移和角度倾斜。通过调整激光回馈干涉系统的参考光路和测量光路，可定量测试当日冕仪所处的环境温度或振动测试条件发生变化时，外掩体的位置变动信息。这有助于研究外界环境因素对外掩体位置变化的影响。

附图说明

图1为外掩式日冕仪结构示意图。

图2为激光回馈干涉系统结构示意图。

图3为日冕仪外掩体位置测量系统结构及光路示意图。

图4为日冕仪外掩体绕垂直于支撑杆方向倾斜后倾角测量示意图。

图5为日冕仪外掩体绕垂直于支撑杆方向倾斜后倾角计算示意图。

图6为日冕仪外掩体绕平行于支撑杆方向倾斜后倾角测量示意图。

图7为日冕仪外掩体绕平行于支撑杆方向倾斜后倾角计算示意图。

其中：1-日冕仪，2-外掩体，3-支撑杆，4-物镜，5-内掩体，6-场镜，7-中继镜组，8-像面，10-激光回馈干涉系统，11-测量光路反射镜，12-参考光路反射镜，13-测量光入射点，14-参考光入射点，21-激光器，22-分光镜，23-声光调制器，24-分光镜，25-待测表面，26-参考表面，27-光电探测器，28-信号放大处理器，29-计数显示单元

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种日冕仪外掩体位置测量系统，该系统包括外掩体式日冕仪和激光回馈干涉系统；同时，还提供了一种日冕仪外掩体位置测量方法，具体包括位移测量和角度测量，一方面，可辅助定位日冕仪外掩体的理想中心位置；另一方面，可研究外界环境对外掩体位置变化的影响。

图1为日冕仪结构示意图。本发明所述的日冕仪均为外掩式日冕仪。沿太阳光入射光路方向，日冕仪1包括依此排列在镜筒内的外掩体2、物镜4、内掩体5、场镜6、中继镜组7和像面8。

日冕仪1的工作原理为：冕仪1的外掩体2放置在成像物镜4之前一定距离，用来遮挡太阳直射光。通常外掩体2包括多个相对位置关系严格的遮光盘，利用衍射原理消除来自太阳光球的光。外掩体2通过支撑杆3安装在镜筒上，测试阶段，支撑杆通过二维平移装置和二维倾斜调节装置安装在日冕仪镜筒上，可以调整外掩体2的相对位置和角度，其中二维角度平移装置和二位倾斜调节装置分别用于在相互垂直的两个维度上调整外掩体2的位置和角度，例如，本实施例中是在日冕仪入射孔径平面内沿平行于支撑杆方向和垂直于支撑杆方向上分别平移或倾斜共四个维度上调整外掩体2的位置和角度。日冕光通过外掩体2和日冕仪镜筒之间的入射窗口后入射到物镜4上，成像后达到场镜6。在场镜6中心位置前放置具有确定大小的内掩体5，其与外掩体2通过物镜4成共轭关系，可以遮挡外掩体2的遮光盘边缘的衍射光，进一步降低系统杂散光。经场镜6后，日冕光由中继镜组7二次成像到像面8上，通过放置的成像探测器如CCD或CMOS相机接收日冕图像。

进行日冕观测时，日冕仪1的杂散光来源于多个环节，其中各元件的衍射光是有传播规律可循的，可以通过共轭遮挡的方法抑制。而外掩体2的边缘衍射光是日冕仪1杂散光的重要来源之一，也是很多其他杂散光的源头。降低外掩体2的边缘衍射光首先要使其调整到理想中心位置，保证与其内掩体5的严格共轭关系。因此在测试阶段，需要精密测量外掩体2相对于成像中心轴的位置变动和倾角变动。外掩体2为黑色消光表面，且尺寸较小，难以进行非接触式测量或者通过放置目标靶镜测量。

图2为激光回馈干涉系统结构示意图。激光回馈干涉系统沿传播光路包括激光器21、分光镜22、声光调制器23、分光镜24，还包括对光信号进行转换的光电探测器27、对光电探测器27转换后的电信号进行放大处理的信号放大处理器28，以及根据信号放大处理器28反馈的电信号进行转换计算，将电信号的变化转换为位移变化的计数显示单元29。

其中，激光器21其输出光经过两个声光调制器23之后，不同移频分量的光在经过分光镜24后分别进入测量光路和参考光路，其中由分光镜24透射后到达待测表面25形成测量光路，由分光镜24反射后到达参考表面26形成参考光路。待测表面25和参考表面26各自的反射光原路返回形成激光回馈，再次经过声光调制器23后返回激光器21。适当选择两个声光调制器23的中心频率和空间角度(不同的衍射级次)，可使得测量光路的回馈光和参考光路的回馈光经过一个来回之后分别产生确定的不同大小的频移量，它们同时回馈进激光器21，调制输出激光的功率。选用的激光器21为Nd:YAG微片激光器，当移频频率与激光器的驰豫振荡频率重合时，对回馈光信号有增益放大效应，可以响应10^-6量级的微弱回馈光。调制后的激光经分光镜22后由光电探测器分别探测测量光和参考光的调制频率分别为2Ω和Ω的两个载频信号，并通过信号放大处理电路28进行同步解调，即可同时得到测量光路和参考光路中各自对应的待测表面25和参考表面26之间的位置变动量，在计数显示单元29中给出测量结果。

根据图2的光路图，测量光路和参考光路的回馈光所经过的部分光路是共路的，可以补偿空气扰动等造成的共模漂移，减小系统的空程，从而在一定程度上消除外部环境对激光回馈干涉系统的干扰。该系统的测量误差可以达到几十纳米，由于可以响应10^-6量级弱光，因此可用于表面经过发黑处理的日冕仪外掩体2测试。

基于图1中的日冕仪1和图2中的激光回馈干涉系统，本发明提供了一种日冕仪外掩体位置测量系统。

图3为日冕仪外掩体位置测量系统示意图，日冕仪1沿测量光路入光侧设置有外掩体2，外掩体2通过支撑杆3安装在日冕仪1镜筒上，且支撑杆3在镜筒截面内与镜筒轴垂直；还包括激光回馈干涉系统10，激光回馈干涉系统10的测量光路和参考光路出光侧分别发射测量光和参考光，沿参考光路出光侧设置有参考光路反射镜12，沿测量光路出光侧设置有测量光路反射镜11；支撑杆3通过二维平移装置安装在日冕仪1镜筒上。

通过二维平移装置可控制支撑杆在平面范围内沿两个相互垂直的自由度运动，使外掩体2沿x，y两个维度位移，其中x维度为垂直支撑杆的方向，y维度为垂直支撑杆的方向。

为了更精准的测量，将参考光路反射镜12和测量光路反射镜11的位置设置在可使测量光和参考光光路相互垂直的位置，且分别平行于二维平移装置的两个移动方向；相应的，支撑杆13需要具有相互垂直的两个侧面，且两侧面分别垂直于二维平移装置的两个移动方向；使参考光和测量光分别入射到这两个侧面上，例如，支撑杆13可选用长方体，测量光入射到长方体的一个侧面上，参考光入射到长方体的端面上。

基于以上日冕仪外掩体位置测量装置，本发明进一步提供一种日冕仪外掩体位移测量方法，原理如图3所示，包括以下步骤：

进行日冕仪测试实验时，照射光可采用模拟光源。

调整激光回馈干涉系统10的位置，调整参考光路反射镜和测量光路反射镜，使参考光和测量光分别入射到支撑杆的两个侧面上，反射后使参考光和测量光沿原光路返回形成激光回馈；具体的说，为了简化后续的调整步骤，首先将日冕仪位置调整到日冕仪的视场中心位置附近，并以这个位置作为初始参考位置；

沿测量光入射方向调整支撑杆3位置，设这一方向为x方向，激光回馈干涉系统10可测得测量光路长度改变量为位移变化值为Δl_x，对应的外掩体位移变化值为Δl_x，每次改变支撑杆3位置后，测量视场中外掩体2边缘衍射光光强，直至外掩体2边缘衍射光光强达到极小值；此时，视为已将支撑杆3在测量光入射方向(即x方向)的位置调整到最佳；其中Δl_x为相对初始参考位置外掩体2沿x方向的位移；

为了使外掩体2边缘衍射光达到最弱，以上调整过程中，若调整后的衍射光光强大于调整前衍射光的光强，则下一步向相反的方向调整外掩体2的位置；若调整后衍射光光强小于调整前衍射光的光强，则下一步继续向相同的方向调整外掩体2的位置；重复上述过程，直至衍射光光强在x方向达到极小值。

沿参考光入射方向调整支撑杆3位置，设这一方向为y方向，激光回馈干涉系统10激光回馈干涉系统可测得参考光路长度改变量为Δl_y，则外掩体的实际位移变化值为-Δl_y，每次改变支撑杆3位置后，测量视场中外掩体2边缘衍射光光强，直至外掩体2边缘衍射光光强达到极小值；此时，视为已将支撑杆3在参考光入射方向(即y方向)的位置调整到最佳；其中-Δl_x为外掩体2相对初始参考位置沿y方向的位移。由于激光回馈干涉系统的测量位移的计算方式为：位移Δl＝Δl_m-Δl_r，其中，Δl_m为测量光路的光程(折射率n＝1时即为长度)改变量，Δl_r为参考光路的光程(折射率n＝1时即为长度)改变量。因此，为便于计算，此处直接将外掩体沿参考光方向的位移记为-Δl_y。

其调整原理与x向调整原理相同，不再赘述。

测试外掩体2边缘衍射光强弱的方法有多种，例如，采用光电传感系统，将外掩体2边缘衍射光信号转换为电信号，根据转换后电信号的强弱来判断边缘衍射光的强弱；也可以采用安装CCD或CMOS相机，辨识衍射光图像的方式来判断光信号的强弱。此时，需要在像面8的位置处安装CCD或CMOS相机，用于接收日冕仪1视场中的光信号，再将各像素的电信号传递至处理器，处理器对图像进行二值化处理后，根据光信号图片的灰度值判断外掩体2边缘衍射光信号的强弱。

需要说明的是，支撑杆3在测量光方向和参考光方向的位置调整先后顺序不做规定，只需要保证每次调整后，外掩体2边缘衍射光光强均达到最弱即可。当两个方向上外掩体2边缘衍射光光强均达到最弱时，视为已经将外掩体2调整到理想中心位置。

为了更精准的测量，支撑杆3采用长方体，参考光和测量光分别入射到支撑杆3相互垂直的两个面上，分别为对应图3所示的测量光入射点13和参考光入射点14。

由于日冕仪1工作时，会受到外界环境温度、振动条件等的影响而使外掩体2发生位置变动。引起这种位置变动的因素有很多，例如：仪器测试，运输或卫星发射过程中等，因此，有必要研究环境因素对日冕仪外掩体2位置变动的影响程度。

改变日冕仪1所处环境温度或振动测试条件，如本实施例中，将日冕仪1安装在振动台上，以模拟日冕仪1所受的环境振动，通过激光回馈干涉系统获取外掩体位置变动信息，并测量位置变动后引起日冕仪杂散光的增加量。

理想情况下，外掩体应该严格处于日冕仪光路的中心轴线上，并且盘面严格垂直该轴线，否则会引起系统杂散光的增大。所以需要对两个维度上的平移位置和倾角变动都进行测试。对调整外掩体的倾角到正确的位置，也可以采用如位置调整的方法，即找到一个使边缘衍射光最小的极值点。更进一步，在外界环境温度、振动条件变化时，日冕仪外掩体2在发生位移变动的同时还还会伴随外掩体2盘面的倾角变动。因此，为解决该技术问题，本发明进一步研究外掩体倾角的测量方法，具体为对日冕仪外掩体2的二维倾角测量方法，包括以下步骤：

如图4至图7所示，参考光和测量光均入射到外掩体2的盘面上，反射后使参考光和测量光沿原光路返回形成激光回馈，记录参考光和反射光在外掩体盘面上形成的两个测量点13、14之间的距离D；

使参考光和测量光分别形成的两个测量光点13、14沿支撑杆延长线的方向，以沿外掩体盘面垂直于支撑杆方向(图4中x方向)为转轴通过二维角度调整装置调整外掩体的倾角，如图4(b)、图5(b)所示。由激光回馈干涉系统10测量倾斜后测量光路相对于参考光路的位移为Δl_x，计算倾斜角：Δθ_x＝arctan(Δl_x/D)；每次改变外掩体2的倾角，测量日冕仪视场中外掩体2边缘的衍射光强，直至边缘衍射光强达到极小值；

如图6所示，使参考光和测量光分别形成的两个测量光点13、14沿垂直于支撑杆的方向，以平行于支撑杆方向(图6中y方向)为转轴通过二维角度调整装置调整外掩体的倾角，如图6(b)、图7(b)所示。由激光回馈干涉系统10测量倾斜后测量光路相对于参考光路的位移为Δl_y，计算倾斜角：Δθ_y＝arctan(Δl_y/D)；每次改变外掩体2的倾角，测量日冕仪视场中外掩体2边缘的衍射光强，直至边缘衍射光强达到极小值。

受环境因素的影响，与外掩体2二维位移变动测量类同，改变日冕仪1所处的环境温度或振动测试条件，通过激光回馈干涉系统获取外掩体2的倾角变动信息。

根据测得的外掩体2沿两个方向的倾角变动，再结合日冕仪1杂散光分析模型，可估算由外掩体2遮光盘倾斜所引起的边缘衍射光的大小。

总之，采用本实施方式提供的方法，对外掩体2的测试可分为两部分：一是通过外掩体2位移的测量方法，找到外掩体2的理想位置，就是严格居于日冕仪光路中心并且盘面严格垂直轴线，通过改变使外掩体微位移或倾斜，同时监测外掩体边缘衍射光的大小，找到衍射光最小的极值点即为调整到理想中心位置；二是当调整外掩体2到理想位置后，在环境因素影响下，主要是温度变化，振动干扰等，测量外掩体会偏离理想位置多大，对应的会使日冕仪的杂散光增加多少，测量该偏离量已经对应的杂散光增加量可以在日冕设计、测试和运行阶段加以考虑，通过技术手段尽量避免或减小这些因素的影响。