CMOS图像传感器在太阳磁场观测中的应用研究

磁场是太阳物理的第1观测量,当前太阳磁场观测研究正迈向大视场、高时空分辨率、高偏振测量精度以及空间观测的时代.中国首颗太阳观测卫星-先进天基太阳天文台(ASO-S)也配置了具有高时空分辨率、高磁场灵敏度的全日面矢量磁像仪(FMG)载荷,针对FMG载荷的需求,讨论了大面阵、高帧频互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器应用于太阳磁场观测的可行性.首先,基于滤光器型太阳磁像仪观测的原理,比较分析了目前CMOS图像传感器(可用的或是可选的两种快门模式)的特点,指出全局快门类型更适合FMG;其次搭建了CMOS传感器实验室测试系统,测量了CMOS图像传感器的像素增益及其分布规律;最后在怀柔太阳观测基地的全日面太阳望远镜上开展了实测验证,获得预期成果.在这些研究基础上,形成了FMG载荷探测器选型方向.

基于EMCCD的成像系统的构建

为了探索对较暗目标进行成像的新方法,我们在TI公司生产的带有增益寄存器的EMCCD(Electron Multiply CCD)芯片基础上,构建了一套成像系统,主要用于对此芯片进行性能测试,为将来构建天文观测用相机做准备。本文主要介绍了EMCCD的结构特点、工作原理,并且详细介绍实验室采用TI公司的EMCCD搭建的成像系统,以及在此系统基础上对EMCCD进行地评测。

太阳极紫外光谱探测的历史与展望

围绕国际一流科学目标,发展顶级探测设备是中国太阳物理位列国际先进行列的立足点。70多年的空间太阳探测历程中,极紫外波段探测发挥了极其重要的作用,极紫外观测设备也几乎成为了太阳探测卫星的必备载荷之一。中国在极紫外探测,尤其是光谱探测方面的基础非常薄弱,导致相关科学研究几乎全部依赖国外数据,从而严重制约了中国太阳物理学科的发展。本文根据太阳极紫外探测的特点,系统分析了国外光谱探测的历史、现状以及未来发展趋势,并归纳了三类主要探测方式,即全日面积分光谱探测、低速光谱成像探测、快速光谱成像探测的当前水平,包括其技术方案及取得的部分科学成果。在此基础上,提出中国太阳极紫外光谱探测“三步走”的发展思路,并对每一步的科学目标、指标需求和候选探测方案提出建议。同时,展望了在太阳极紫外成像探测方面开展创新性尝试的思路。

用于天文成像探测的IRFPA性能参数测试

天体的红外成像探测在天文学领域中有其特殊和重要的作用,高性能红外探测器是红外天文观测的关键器件,因此红外焦平面阵列探测器性能参数的测试评价对于红外天文观测具有非常重要的意义。针对天文应用的特殊性,通过分析红外焦平面阵列(Infrared focal plane array,IRFPA)探测器的特点,给出了增益、读出噪声、线性和暗流等性能参数的测试原理和方法,建立了测试平台,该测试平台可实现1~14μm波长范围的IRFPA探测器性能参数测试;完成了一台采用国产3~5μm HgCdTe芯片研制的IRFPA探测器性能参数的测试。测试结果表明,该IRFPA探测器的线性度非常好,可以达到99.9%以上,但读出噪声和暗电流较大,与国外为天文观测研制的高性能探测器相比尚有很大的差距。

面阵傅里叶变换太阳光谱仪高速采集系统设计与实现

同时或准同时多谱线太阳成像观测可以获得太阳大气三维磁场和热力学参数,是未来太阳观测焦面终端设备的重点发展方向。傅里叶光谱仪具有宽波段、高灵敏度、高光谱分辨率的优势,但因受限于高帧频、大面阵探测器制约,尚未用于太阳光谱成像常规观测。随着CMOS图像传感器技术迅猛发展,在可见光和近红外波段,探测器面阵大小和帧频相比传统CCD探测器有了质的提升,使得面阵傅里叶太阳光谱仪研制成为可能。通过引入高帧频面阵CMOS图像传感器,针对面阵傅里叶变换太阳光谱仪科学需求,设计了一套高速数据采集软硬件系统,实现了面阵傅里叶太阳光谱仪10 kHz高速触发,万帧/秒快速采集,0.5 GB·s^(-1)大数据量连续、实时存储等功能。在此基础上,依托国家天文台怀柔太阳观测基地现有的IFS-125HR傅里叶变换光谱仪,搭建可见光实验系统,以可见光色球谱线(Hα656.3 nm)及其附近光球谱线为目标波长,开展面源太阳光谱探测。分别以实验室钨灯和太阳为光源,进行等光程差间隔采样,成功获得了面阵干涉图,首次反演得到面源窄带连续谱以及656.3 nm附近太阳色球和光球线。采用交叉定标方式,将得到的太阳光谱与美国国立太阳天文台NSO傅里叶变换光谱仪获得的标准光谱在同等分辨率下进行比较,结果基本一致,验证了新研制的面阵傅里叶太阳光谱仪高速数据采集系统性能及面阵傅里叶变换太阳光谱仪在太阳观测中的可行性。该研究为后续可见光宽波段面阵傅里叶太阳光谱仪的研制奠定了技术基础,同时为“用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统”(AIMS)后续从线源扩展到面源观测积累了宝贵经验。

宽波段傅里叶变换太阳光谱仪等光程差采样系统设计

太阳成像光谱探测是诊断太阳大气磁场和热力学参数的主要手段.傅里叶变换太阳光谱仪(Fourier Transform Solar Spectrometer, FTSS)具有宽波段的优势,是当前中红外高分辨率太阳光谱探测的最佳选择.FTSS通过采集目标辐射等光程差干涉图,反演获得光谱图,等光程差采样的间隔决定了反演光谱波长范围.因此从FTSS宽波段光谱观测对不同等光程差采样间隔需求出发,基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)技术,采用全数字分频、倍频方案,设计了一套宽波段FTSS等光程差采样系统.采用分布式余数补偿方法,有效解决了在参考激光干涉信号倍频过程中,输出采样信号在输出信号周期间误差累积问题,并降低了输出采样信号的误差及非均匀性;经功能仿真及实验测试,系统在200 Hz–50 kHz频率范围内,频率误差δ <0.04%,可有效满足FTSS的300 nm–25μm宽波段的光谱观测数据采集需求,为后续可见和红外波段FTSS的研制奠定了技术基础.