林佳本，沈洋斌，朱曉明，鄧元勇，曾 真

(1. 中國科學(xué)院太陽活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2. 中國科學(xué)院國家天文臺(tái) ，北京 100012;3. 昆明理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

懷柔太陽觀測(cè)基地全日面磁場(chǎng)自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)*

林佳本1,2，沈洋斌1,3，朱曉明1,2，鄧元勇1,2，曾 真1,2

(1. 中國科學(xué)院太陽活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2. 中國科學(xué)院國家天文臺(tái) ，北京 100012;3. 昆明理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

介紹了懷柔太陽觀測(cè)基地設(shè)計(jì)完成的一套能夠自動(dòng)化快速獲取全日面矢量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的觀測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)升級(jí)了波帶和波片電機(jī)控制模塊、KD*P高壓調(diào)制電路以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在觀測(cè)軟件界面上點(diǎn)擊一鍵即可獲得全日面矢量磁場(chǎng)的3個(gè)分量L、Q、U，完成時(shí)間從原來的3～5 min減少到30 s；同時(shí)，該觀測(cè)系統(tǒng)還設(shè)有耀斑觀測(cè)模式，在該觀測(cè)模式下可以以最高48幀每秒的速度記錄磁場(chǎng)或單色像數(shù)據(jù)，與懷柔太陽觀測(cè)基地的高分辨Hα數(shù)據(jù)相結(jié)合可以形成日球上兩個(gè)層次的高分辨觀測(cè)資料。

太陽磁場(chǎng)；自動(dòng)化；觀測(cè)；耀斑

懷柔太陽觀測(cè)基地(Huairou Solar Observation Station)是中國科學(xué)院國家天文臺(tái)的重要觀測(cè)基地之一。它是在國際太陽物理界享有高知名度的太陽磁場(chǎng)和速度場(chǎng)觀測(cè)研究基地和學(xué)術(shù)研究中心，擁有世界一流的太陽多通道望遠(yuǎn)鏡，該儀器可進(jìn)行太陽光球和色球磁場(chǎng)及速度場(chǎng)觀測(cè)，觀測(cè)資料處于世界領(lǐng)先水平。太陽磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡和太陽多通道望遠(yuǎn)鏡的研制成功是我國實(shí)測(cè)太陽物理進(jìn)入世界先進(jìn)行列的標(biāo)志[1]。

懷柔太陽觀測(cè)基地的全日面磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡是國家空間天氣部門支持的重大課題，于2006年建成投入常規(guī)觀測(cè)，是目前國內(nèi)外少數(shù)幾架能夠獲得良好觀測(cè)數(shù)據(jù)的地基太陽磁場(chǎng)望遠(yuǎn)境之一，在我國的空間天氣預(yù)報(bào)工作中承擔(dān)重要任務(wù)，同時(shí)也為我國的太陽物理研究提供重要的科研數(shù)據(jù)。

懷柔太陽觀測(cè)基地已經(jīng)在Hα波段做了很多的高速耀斑觀測(cè)方法和軟件的研究[2]，但是在磁場(chǎng)方面，數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率始終受觀測(cè)終端的限制，沒有辦法獲得高時(shí)間分辨率的全日面磁場(chǎng)觀測(cè)資料。因?yàn)樽畛踉O(shè)計(jì)的常規(guī)觀測(cè)方法中，波帶、波片調(diào)節(jié)程序與磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集程序分別處于不同的計(jì)算機(jī)上，需要有觀測(cè)員在崗分步驟操作才能夠完成，常規(guī)觀測(cè)流程是：觀測(cè)員調(diào)節(jié)波帶位置及透過波片，然后在觀測(cè)軟件里面設(shè)定相應(yīng)的波帶、波片信息，最后再開始觀測(cè)。這種分立的工作模式，操作步驟較多，程序繁瑣，觀測(cè)速度慢、效率低，在高峰期間容易錯(cuò)過重要的觀測(cè)資料。

太陽物理研究表明太陽耀斑爆發(fā)能量的來源是太陽磁場(chǎng)[3]，隨著太陽物理研究的深入，對(duì)太陽磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)提出了越來越高的要求，通過觀測(cè)終端的升級(jí)改造可以獲得更高時(shí)空分辨率的觀測(cè)資料。另一方面，電子技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算機(jī)外設(shè)處理能力及采集速度等大大提升使得觀測(cè)自動(dòng)化成為可能。

基于上述的分析，本文針對(duì)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)終端的自動(dòng)化開展研究。首先將波帶、波片電機(jī)控制模塊進(jìn)行升級(jí)、加入了通訊控制接口；然后將波帶位置自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集等功能集成到觀測(cè)終端系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)，減少人工干預(yù)，提高觀測(cè)效率；最后，設(shè)計(jì)了耀斑觀測(cè)模式，通過懷柔太陽觀測(cè)基地的智能化Hα耀斑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供報(bào)警信號(hào)修改觀測(cè)模式，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率。

1 系統(tǒng)硬件升級(jí)

本自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)懷柔太陽觀測(cè)基地的全日面磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的觀測(cè)終端系統(tǒng)。該望遠(yuǎn)鏡于2006年建成并投入常規(guī)觀測(cè)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1。其中觀測(cè)計(jì)算機(jī)到波帶、波片電機(jī)控制模塊和KD*P高壓調(diào)制電路是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的硬件部分。

1.1 圖像采集系統(tǒng)

主機(jī)：選用DELL T7500圖形工作站，該計(jì)算機(jī)裝載有兩顆主頻2.93 GHz的Intel至強(qiáng)5 670中央處理器，內(nèi)存12 GB。硬盤：由操作系統(tǒng)硬盤和2個(gè)*15 000 r/m高速磁盤做成RAID0磁盤陣列組成，其中磁盤陣列存儲(chǔ)速度能夠達(dá)到200 MB/s。

CCD：采用 Imperx 1M48 CCD，面陣1 004×1 004，7.4 μm×7.4 μm，像素灰度12 bits，最高幀速48幀/秒，每秒的數(shù)據(jù)量約為96 MB。

數(shù)據(jù)采集卡：Cereco XL-64 Dual數(shù)據(jù)采集卡。

1.2 波帶、波片調(diào)節(jié)系統(tǒng)

波帶、波片位置調(diào)節(jié)是太陽矢量磁場(chǎng)觀測(cè)中的重要環(huán)節(jié)。懷柔太陽觀測(cè)基地于2008年底設(shè)計(jì)完成了新的波帶、波片位置電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，見圖2，該系統(tǒng)最多可以同時(shí)控制10個(gè)步進(jìn)電機(jī)，并可以通過RS422接口與外圍設(shè)備進(jìn)行通訊——獲取電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制指令或反饋電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)位置。

圖1 望遠(yuǎn)鏡控制架構(gòu)

Fig.1 Block diagram of the control of the telescope

圖2 波帶及波片電機(jī)控制系統(tǒng)

Fig.2 Driving control system for adjusting wavebands and wave-plates

原有的常規(guī)觀測(cè)模式中，要獲得一幅全日面磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，需要對(duì)波片位置進(jìn)行控制——L、Q、U 3種波片，該波片位于濾光器前端機(jī)械結(jié)構(gòu)上，由步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)，觀測(cè)時(shí)需要觀測(cè)員依次調(diào)整到相應(yīng)的位置后再進(jìn)行觀測(cè)。以往完全的手動(dòng)觀測(cè)模式，存在兩個(gè)方面的問題，第一，手動(dòng)調(diào)節(jié)觀測(cè)的模式、波帶位置以及波片等的效率不高，而且原有的波帶、波片調(diào)節(jié)程序只能運(yùn)行在設(shè)備控制計(jì)算機(jī)上，觀測(cè)員在操作觀測(cè)計(jì)算機(jī)的同時(shí)還要操作設(shè)備控制計(jì)算機(jī)，步驟繁瑣，容易出錯(cuò)，大大影響了觀測(cè)效率。第二，容易出錯(cuò)，不同的計(jì)算機(jī)、程序調(diào)節(jié)之后，設(shè)定觀測(cè)模式等容易出現(xiàn)對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤。比如觀測(cè) L5，但是波帶位置可能在Q5上，出現(xiàn)這種情況觀測(cè)員就需要重新再調(diào)整，重新觀測(cè)。

新的波帶、波片電機(jī)控制系統(tǒng)的通訊協(xié)議完全自主定義，可以通過串口編程將該單元的控制、監(jiān)測(cè)功能集成到觀測(cè)程序中，從而實(shí)現(xiàn)觀測(cè)過程的自動(dòng)化。

1.3 新KD*P高壓調(diào)制系統(tǒng)

KD*P電光調(diào)制器是用來測(cè)量太陽磁場(chǎng)的一種必要的物理光學(xué)器件, 它需要饋入交變高壓,以實(shí)現(xiàn)其光學(xué)滯后量的調(diào)制。懷柔太陽觀測(cè)基地的磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的KD*P電光調(diào)制器要求高壓電源能夠輸出頻率0.1～100 Hz和幅值±(500 V～1 400 V)的可調(diào)矩形波信號(hào)。

原有高壓系統(tǒng)由于上升沿時(shí)間比很長(zhǎng)，觀測(cè)過程中都需要曝光兩幀圖像取后一幀圖像作為有效數(shù)據(jù)來用，這樣觀測(cè)一組256幀圖像疊加的數(shù)據(jù)，額外增加了一倍的時(shí)間，大大影響了系統(tǒng)的觀測(cè)效率。

新設(shè)計(jì)完成的KD*P高壓系統(tǒng)完全達(dá)到了光學(xué)系統(tǒng)對(duì)KD*P高壓調(diào)制系統(tǒng)要求指標(biāo)，輸出1 000 V高壓脈沖序列的時(shí)候，上升沿小于2 μs；電壓紋波小于2 V。使用該高壓調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)，完全是曝光一幀圖像采集一幀，沒有任何時(shí)間和數(shù)據(jù)浪費(fèi)。

通過上述的硬件系統(tǒng)的升級(jí)、改造，懷柔太陽觀測(cè)基地的全日面磁場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)具備了進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)的硬件能力。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

一臺(tái)地基望遠(yuǎn)鏡的硬件系統(tǒng)全部完成并投入使用之后，其優(yōu)勢(shì)除了數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期積累之外，就是可以通過新的觀測(cè)思路和精心設(shè)計(jì)的觀測(cè)終端進(jìn)行靈活的特殊目標(biāo)觀測(cè)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過自動(dòng)化手段，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率。同時(shí)，通過與懷柔太陽觀測(cè)基地的智能化Hα耀斑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相配合，獲取與太陽耀斑密切相關(guān)的光球磁場(chǎng)或單色像數(shù)據(jù)。

2.1 自動(dòng)化觀測(cè)

在觀測(cè)軟件中通過對(duì)計(jì)算機(jī)串口編程，實(shí)現(xiàn)與波帶、波片電機(jī)控制系統(tǒng)的通訊，按照觀測(cè)需要調(diào)節(jié)波帶位置、波片位置，設(shè)定觀測(cè)模式，自動(dòng)數(shù)據(jù)存盤。另外，還可以設(shè)定波帶偏移量，在線心兩側(cè)任意位置測(cè)量磁場(chǎng)信息。軟件工作界面見圖3。

圖3 自動(dòng)化磁場(chǎng)觀測(cè)軟件界面(2013年1月22日)
Fig.3 Software interface for automatic observation of the solar magnetic field (—a snapshot in January 22, 2013)

啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件之后，首先要點(diǎn)擊“初始化”按鈕，完成對(duì)數(shù)據(jù)采集相關(guān)的硬件設(shè)備的加載、初始設(shè)置等，例如圖像采集卡、CCD、數(shù)字IO卡、串口等。完成之后，在左側(cè)的顯示窗口中就能夠看到來自CCD的實(shí)時(shí)圖像。通過左側(cè)的“增益”、“底值”兩個(gè)滾動(dòng)條可以對(duì)CCD的增益、底值進(jìn)行調(diào)節(jié)，“疊加幀數(shù)”和“曝光時(shí)間”兩個(gè)文本框可以輸入需要參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)觀測(cè)的疊加幀數(shù)和CCD的曝光時(shí)間控制，“更新參數(shù)”按鈕可以將這些基本參數(shù)更新并寫入配置文件。圖3最下面的一排按鈕是對(duì)波帶進(jìn)行調(diào)節(jié)的按鈕，可是實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的偏帶觀測(cè)。系統(tǒng)軟件功能模塊簡(jiǎn)述如下。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集線程

該線程根據(jù)用戶的控制指令完成對(duì)相應(yīng)的觀測(cè)內(nèi)容的觀測(cè)。

(1)接收用戶控制指令。

啟動(dòng)軟件操作界面上有4個(gè)按鈕可以啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集線程[4]，“L”、“Q”、“U”、“3IN1”，其中前面3個(gè)是分別對(duì)L、Q、U 3個(gè)分量進(jìn)行觀測(cè)的按鈕，最后一個(gè)則是一次完成前面3個(gè)按鈕的功能——順次完成對(duì)L、Q、U 3個(gè)分量的觀測(cè)。

(2)根據(jù)指令反饋信號(hào)，控制數(shù)據(jù)采集進(jìn)程。

點(diǎn)擊啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集線程之后，首先通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)線程發(fā)送相應(yīng)的控制指令給對(duì)應(yīng)的電機(jī)，然后監(jiān)控電機(jī)位置，電機(jī)到達(dá)指定的位置之后反饋信號(hào)通過串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)，隨后再啟動(dòng)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)疊加、采集程序，每完成一個(gè)分量之后自動(dòng)將數(shù)據(jù)結(jié)果存盤并在右側(cè)的結(jié)果顯示窗口中顯示測(cè)量數(shù)，便于觀測(cè)員觀察數(shù)據(jù)采集的結(jié)果正確與否。

(3)數(shù)據(jù)采集過程保證KD*P反轉(zhuǎn)與CCD曝光的同步。

在磁場(chǎng)觀測(cè)中一個(gè)重要的過程就是KD*P反轉(zhuǎn)要和CCD曝光同步配合，左旋和右旋分別進(jìn)行疊加積分，才能夠保證最后獲得的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)有足夠的靈敏度[5-6]。

要實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量需要進(jìn)行積分計(jì)算，而且要保證左旋光和右旋光的分別進(jìn)行積分，然后才能根據(jù)Stokes公式計(jì)算獲得太陽磁場(chǎng)，通常情況下要實(shí)現(xiàn)10高斯的測(cè)量精度，積分的數(shù)據(jù)幀數(shù)需要達(dá)到256幀以上[7-8]。磁場(chǎng)計(jì)算公式經(jīng)簡(jiǎn)化后如下：

Mag=K*(I+-I-)/(I++I-)

(1)

式中，Mag為太陽磁場(chǎng)；K為望遠(yuǎn)鏡磁場(chǎng)測(cè)量的定標(biāo)系數(shù)；I+和I-分別表示左旋光積分值和右旋光積分值。

因此，要保證磁場(chǎng)測(cè)量精度就必須要保證數(shù)據(jù)采集和KD*P高壓信號(hào)的同步[8]。在本系統(tǒng)中，通過CCD自身提供的Strobe信號(hào)和數(shù)字IO卡輸出的數(shù)據(jù)采集結(jié)束信號(hào)經(jīng)由74HC74進(jìn)行同步形成KD

*P高壓的反轉(zhuǎn)同步信號(hào)[9]，如圖4。

2.1.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)線程

該線程通過串口發(fā)送電機(jī)驅(qū)動(dòng)指令并監(jiān)控電機(jī)的位置信息。

(1)發(fā)送電機(jī)驅(qū)動(dòng)指令

通過發(fā)送指令串“RUL0x”、“RUQ0x”、“RUU0x”，0x是波片電機(jī)號(hào)，前面是指令字符。波帶電機(jī)的調(diào)節(jié)通過指令“RUA0x”或“RUR0x”，控制電機(jī)走絕對(duì)位置和相對(duì)位置。

(2)監(jiān)測(cè)電機(jī)位置

位置監(jiān)控程序，在等間隔時(shí)間內(nèi)通過串口發(fā)送“QRP0x”指令給電機(jī)控制電路，電機(jī)到達(dá)指定位置后，反饋相應(yīng)的信息給主控程序，然后進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)觀測(cè)流程。

圖4 KD*P反轉(zhuǎn)與CCD數(shù)據(jù)采集同步電路

Fig.4 Synchronization circuit for reversing states of the KD*P crystal and collecting data from the CCD

2.2 耀斑觀測(cè)模式

懷柔太陽觀測(cè)基地最近設(shè)計(jì)完成了一套智能化Hα耀斑爆發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，將使用該耀斑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的判別結(jié)果，啟動(dòng)高速磁場(chǎng)數(shù)據(jù)或單色像數(shù)據(jù)記錄程序，實(shí)現(xiàn)高速Hα和磁場(chǎng)的同時(shí)觀測(cè)，這樣的資料能夠?yàn)樘栁锢硌芯刻峁└醒芯績(jī)r(jià)值的研究樣本。

3 結(jié) 論

通過對(duì)波帶、波片電機(jī)控制系統(tǒng)、KD*P高壓調(diào)制系統(tǒng)等的升級(jí)工作提高了其性能指標(biāo)并加入了通訊接口，采用自動(dòng)控制技術(shù)，將各個(gè)分立工作的模塊集成到觀測(cè)軟件中，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)參數(shù)的一鍵自動(dòng)化觀測(cè)，減少觀測(cè)過程中的人工干預(yù)，觀測(cè)一組矢量磁場(chǎng)的時(shí)間從3～5 min縮短到30 s，觀測(cè)效率提高了近十倍，而且觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定不會(huì)出錯(cuò)；同時(shí)，系統(tǒng)中加入了耀斑觀測(cè)模式，可以以系統(tǒng)最優(yōu)的速度進(jìn)行縱向磁場(chǎng)或者是單色像觀測(cè)，獲取耀斑爆發(fā)前后的高時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)與Hα數(shù)據(jù)相結(jié)合，能夠形成從光球到色球的兩個(gè)層次的高時(shí)間分辨率的資料，為太陽物理研究提供更多更優(yōu)的觀測(cè)資料。

上述工作的完成，一方面為第二十四太陽周峰年做好觀測(cè)終端系統(tǒng)的準(zhǔn)備；另一方面也為空間太陽望遠(yuǎn)鏡以及無人值守臺(tái)站等的觀測(cè)終端研制積累了技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。

致謝：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試過程中得到了昆明理工大學(xué)天文信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和懷柔太陽觀測(cè)基地汪國平觀測(cè)員的大力協(xié)助，在此深表感謝。

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DesignoftheanAutomaticObservationSystemforFull-DiskSolarMagnetogramsintheHSOS

Lin Jiaben1,2, Shen Yangbin1,3, Zhu Xiaoming1,2, Deng Yuanyong1,2, Zeng Zhen1,2

(1. Key Laboratory of Solar Activity, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012,China, Email: 13693225507@163.com;2. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China; 3. Key Lab of Applications of Computer Technology of the Yunnan Province, University of Science and Technology of Kunming, Kunming 650500, China)

This paper introduces an automatic observation system for fast obtaining full-disk solar magnetograms in the HSOS (Huairou Solar Observation Station). This new system improves the capabilities of the driving control module for adjusting wavebands and wave-plates, the voltage-modulating circuit for changing states of the KD*P crystal, and the data-acquisition software. With these improvements, an observer can click a mouse to automatically retrieve the three parameters (L,Q,U) for a vector magnetogram, with the time cost reduced from the previous 3 to 5 minutes to about 30 seconds now. In addition, a flare-observation mode of the system can be automatically triggered by an Hα flare. In this mode solar magnetic-field or monochromatic data can be recorded at the maximum speed of the CCD, about 48f/s. These allow observers in the HSOS to have simultaneous high-resolution data of two layers of the solar atmosphere.

Solar magnetic field; Automatic control; Observation; Flare

CN53-1189/PISSN1672-7673

TP23

A

1672-7673(2013)04-0392-05

國家自然科學(xué)基金 (10903015, 11178005, 11221063)；中科院知識(shí)創(chuàng)新重大方向性項(xiàng)目 (KJCX2-YW-T04, KJCX2-EW-T07) 和國家天文臺(tái)青年人才基金資助.

2012-12-05;修定日期：2013-01-28

林佳本，男，高級(jí)工程師. 研究方向：自動(dòng)控制、圖像處理. Email: 13693225507@163.com