懷柔太陽觀測基地全日面磁場自動化觀測系統(tǒng)*

林佳本，沈洋斌，朱曉明，鄧元勇，曾 真

(1. 中國科學(xué)院太陽活動重點實驗室，北京 100012；2. 中國科學(xué)院國家天文臺 ，北京 100012;3. 昆明理工大學(xué) 計算機重點實驗室，云南 昆明 650500)

懷柔太陽觀測基地全日面磁場自動化觀測系統(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)院太陽活動重點實驗室，北京 100012；2. 中國科學(xué)院國家天文臺 ，北京 100012;3. 昆明理工大學(xué) 計算機重點實驗室，云南 昆明 650500)

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

太陽磁場；自動化；觀測；耀斑

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

懷柔太陽觀測基地的全日面磁場望遠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，是目前國內(nèi)外少數(shù)幾架能夠獲得良好觀測數(shù)據(jù)的地基太陽磁場望遠境之一，在我國的空間天氣預(yù)報工作中承擔重要任務(wù)，同時也為我國的太陽物理研究提供重要的科研數(shù)據(jù)。

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

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[3]，隨著太陽物理研究的深入，對太陽磁場觀測數(shù)據(jù)提出了越來越高的要求，通過觀測終端的升級改造可以獲得更高時空分辨率的觀測資料。另一方面，電子技術(shù)的發(fā)展、計算機外設(shè)處理能力及采集速度等大大提升使得觀測自動化成為可能。

基于上述的分析，本文針對望遠鏡觀測終端的自動化開展研究。首先將波帶、波片電機控制模塊進行升級、加入了通訊控制接口；然后將波帶位置自動控制、數(shù)據(jù)自動化采集等功能集成到觀測終端系統(tǒng)中實現(xiàn)自動化觀測，減少人工干預(yù)，提高觀測效率；最后，設(shè)計了耀斑觀測模式，通過懷柔太陽觀測基地的智能化Hα耀斑監(jiān)測系統(tǒng)提供報警信號修改觀測模式，提高觀測數(shù)據(jù)的時間分辨率。

1 系統(tǒng)硬件升級

本自動化觀測系統(tǒng)是針對懷柔太陽觀測基地的全日面磁場望遠鏡設(shè)計的觀測終端系統(tǒng)。該望遠鏡于2006年建成并投入常規(guī)觀測，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1。其中觀測計算機到波帶、波片電機控制模塊和KD*P高壓調(diào)制電路是本系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的硬件部分。

1.1 圖像采集系統(tǒng)

主機：選用DELL T7500圖形工作站，該計算機裝載有兩顆主頻2.93 GHz的Intel至強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*15 000 r/m高速磁盤做成RAID0磁盤陣列組成，其中磁盤陣列存儲速度能夠達到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)是太陽矢量磁場觀測中的重要環(huán)節(jié)。懷柔太陽觀測基地于2008年底設(shè)計完成了新的波帶、波片位置電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，見圖2，該系統(tǒng)最多可以同時控制10個步進電機，并可以通過RS422接口與外圍設(shè)備進行通訊——獲取電機運轉(zhuǎn)控制指令或反饋電機運轉(zhuǎn)位置。

圖1 望遠鏡控制架構(gòu)

Fig.1 Block diagram of the control of the telescope

圖2 波帶及波片電機控制系統(tǒng)

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

原有的常規(guī)觀測模式中，要獲得一幅全日面磁場數(shù)據(jù)，需要對波片位置進行控制——L、Q、U 3種波片，該波片位于濾光器前端機械結(jié)構(gòu)上，由步進電機拖動，觀測時需要觀測員依次調(diào)整到相應(yīng)的位置后再進行觀測。以往完全的手動觀測模式，存在兩個方面的問題，第一，手動調(diào)節(jié)觀測的模式、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)程序只能運行在設(shè)備控制計算機上，觀測員在操作觀測計算機的同時還要操作設(shè)備控制計算機，步驟繁瑣，容易出錯，大大影響了觀測效率。第二，容易出錯，不同的計算機、程序調(diào)節(jié)之后，設(shè)定觀測模式等容易出現(xiàn)對應(yīng)錯誤。比如觀測 L5，但是波帶位置可能在Q5上，出現(xiàn)這種情況觀測員就需要重新再調(diào)整，重新觀測。

新的波帶、波片電機控制系統(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)測功能集成到觀測程序中，從而實現(xiàn)觀測過程的自動化。

1.3 新KD*P高壓調(diào)制系統(tǒng)

KD*P電光調(diào)制器是用來測量太陽磁場的一種必要的物理光學(xué)器件, 它需要饋入交變高壓,以實現(xiàn)其光學(xué)滯后量的調(diào)制。懷柔太陽觀測基地的磁場望遠鏡系統(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。

原有高壓系統(tǒng)由于上升沿時間比很長，觀測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，這樣觀測一組256幀圖像疊加的數(shù)據(jù)，額外增加了一倍的時間，大大影響了系統(tǒng)的觀測效率。

新設(shè)計完成的KD*P高壓系統(tǒng)完全達到了光學(xué)系統(tǒng)對KD*P高壓調(diào)制系統(tǒng)要求指標，輸出1 000 V高壓脈沖序列的時候，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)進行觀測，完全是曝光一幀圖像采集一幀，沒有任何時間和數(shù)據(jù)浪費。

通過上述的硬件系統(tǒng)的升級、改造，懷柔太陽觀測基地的全日面磁場觀測系統(tǒng)具備了進行自動化觀測的硬件能力。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

一臺地基望遠鏡的硬件系統(tǒng)全部完成并投入使用之后，其優(yōu)勢除了數(shù)據(jù)的長期積累之外，就是可以通過新的觀測思路和精心設(shè)計的觀測終端進行靈活的特殊目標觀測。本系統(tǒng)的設(shè)計目標是通過自動化手段，提高觀測數(shù)據(jù)的時間分辨率。同時，通過與懷柔太陽觀測基地的智能化Hα耀斑監(jiān)測系統(tǒng)相配合，獲取與太陽耀斑密切相關(guān)的光球磁場或單色像數(shù)據(jù)。

2.1 自動化觀測

在觀測軟件中通過對計算機串口編程，實現(xiàn)與波帶、波片電機控制系統(tǒng)的通訊，按照觀測需要調(diào)節(jié)波帶位置、波片位置，設(shè)定觀測模式，自動數(shù)據(jù)存盤。另外，還可以設(shè)定波帶偏移量，在線心兩側(cè)任意位置測量磁場信息。軟件工作界面見圖3。

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

啟動數(shù)據(jù)采集軟件之后，首先要點擊“初始化”按鈕，完成對數(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的實時圖像。通過左側(cè)的“增益”、“底值”兩個滾動條可以對CCD的增益、底值進行調(diào)節(jié)，“疊加幀數(shù)”和“曝光時間”兩個文本框可以輸入需要參數(shù)值，實現(xiàn)對磁場觀測的疊加幀數(shù)和CCD的曝光時間控制，“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波帶進行調(diào)節(jié)的按鈕，可是實現(xiàn)對磁場的偏帶觀測。系統(tǒng)軟件功能模塊簡述如下。

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相應(yīng)的觀測內(nèi)容的觀測。

(1)接收用戶控制指令。

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

(2)根據(jù)指令反饋信號，控制數(shù)據(jù)采集進程。

點擊啟動數(shù)據(jù)采集線程之后，首先通過電機驅(qū)動線程發(fā)送相應(yīng)的控制指令給對應(yīng)的電機，然后監(jiān)控電機位置，電機到達指定的位置之后反饋信號通過串口發(fā)送給計算機，隨后再啟動磁場數(shù)據(jù)疊加、采集程序，每完成一個分量之后自動將數(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量數(shù)，便于觀測員觀察數(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。

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

要實現(xiàn)磁場測量需要進行積分計算，而且要保證左旋光和右旋光的分別進行積分，然后才能根據(jù)Stokes公式計算獲得太陽磁場，通常情況下要實現(xiàn)10高斯的測量精度，積分的數(shù)據(jù)幀數(shù)需要達到256幀以上[7-8]。磁場計算公式經(jīng)簡化后如下：

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

(1)

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

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

*P高壓的反轉(zhuǎn)同步信號[9]，如圖4。

2.1.2 設(shè)備驅(qū)動線程

該線程通過串口發(fā)送電機驅(qū)動指令并監(jiān)控電機的位置信息。

(1)發(fā)送電機驅(qū)動指令

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

(2)監(jiān)測電機位置

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

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 耀斑觀測模式

懷柔太陽觀測基地最近設(shè)計完成了一套智能化Hα耀斑爆發(fā)實時監(jiān)測系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，將使用該耀斑監(jiān)測系統(tǒng)提供的判別結(jié)果，啟動高速磁場數(shù)據(jù)或單色像數(shù)據(jù)記錄程序，實現(xiàn)高速Hα和磁場的同時觀測，這樣的資料能夠為太陽物理研究提供更有研究價值的研究樣本。

3 結(jié) 論

通過對波帶、波片電機控制系統(tǒng)、KD*P高壓調(diào)制系統(tǒng)等的升級工作提高了其性能指標并加入了通訊接口，采用自動控制技術(shù)，將各個分立工作的模塊集成到觀測軟件中，實現(xiàn)了觀測參數(shù)的一鍵自動化觀測，減少觀測過程中的人工干預(yù)，觀測一組矢量磁場的時間從3～5 min縮短到30 s，觀測效率提高了近十倍，而且觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定不會出錯；同時，系統(tǒng)中加入了耀斑觀測模式，可以以系統(tǒng)最優(yōu)的速度進行縱向磁場或者是單色像觀測，獲取耀斑爆發(fā)前后的高時間分辨率數(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層次的高時間分辨率的資料，為太陽物理研究提供更多更優(yōu)的觀測資料。

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

致謝：系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試過程中得到了昆明理工大學(xué)天文信息技術(shù)實驗室和懷柔太陽觀測基地汪國平觀測員的大力協(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)；中科院知識創(chuàng)新重大方向性項目 (KJCX2-YW-T04, KJCX2-EW-T07) 和國家天文臺青年人才基金資助.

2012-12-05;修定日期：2013-01-28

林佳本，男，高級工程師. 研究方向：自動控制、圖像處理. Email: 13693225507@163.com