太阳塔观测数据及其处理.doc

051211019太阳观测数据及其分析第6组刘鹏组长 陈枫2007.111 实验目的通过对太阳塔数据的处理，了解天体物理中成像、成谱的基本过程和知识，同时针对像和谱的定量研究，了解天体物理的研究方法、过程等。具体而言：掌握计算机对天文数据进行成像成谱的工作用计算机对复杂数据进行统计分析利用各种资源（图书、网络等）找参考资料和相关工具2 实验要求(1) 实验手册上第一、第二次实验中实验步骤所要求的内容(2) 对得到的数据进行可能的研究、分析。比如谱的拟合、速度场分析，各个隐含量的计算。(3)深入了解三维成像光谱观测，阐述清楚三维结构(4)对实验步骤进行讨论，找出误差来源，大小，以及对最后结果的影响*(5)理论上分析三维光谱成像原理3 实验步骤在本次观测太阳的实验中，主要有八大观测步骤（1）利用CCD成像光谱观测系统，获得和8542谱线的两维图像数据120*260（2）得到和8542谱线的平均谱线轮廓（3）利用太阳光谱图（附件1），证认和8542的两条谱线粗略算出色散度和；证任多条谱线，用最小二乘法获得精确色散度和中心像元所对应的波长（4）建立一个纵坐标为剩余强度的谱线轮廓，（5）利用CCD成像光谱系统，进行扫描观测，获得扫描方向-狭缝方向-色散方向的扫描数据（CUBE）（6）得到两张不同波长的日面活动区的单色像（7）得到日面扫描区域相对视向速度场（8）得到某个固定狭缝方向的扫描方向色散方向图，和某个扫描方向的狭缝色散方向图4 实验原理光谱仪的线色散度: CCD观测成像系统所采集的数据，在色散方向的相邻两个像元所对应的波长间隔。在狭缝方向色散方向两维数据文件里，可以得到一组平均谱线轮廓值，其中j为狭缝方向像元数的标记，k为色散像元数的标记。利用这组数据可以做出谱线轮廓。利用太阳光谱图可以证认和8542中的个谱线的波长。利用公式，利用两组数据可以粗略得到色散度和零点象元；利用多组数据可以根据最小二乘法得到色散度和零点象元,然后可以得到中心像元。由于光谱仪、CCD摄像机、以及太阳连续辐射的背景的影响，谱线基线不是一条水平线，因此观测轮廓应该作以连续谱强度为单位的归一化处理，得到光谱强度为，其中，为第i个像元的辐射强度，为对应的连续辐射强度三维数据结构（CUBE）如实习书图2.1所示，其中垂直于X轴的一个切面是光谱图，垂直于Y轴的一个切面是光谱图，而垂直于的一个切面是扫描观测区域的单色像。 不同位置的光谱和速度场: 在一个和8542线扫描观测数据Cube中，选取位置（X1，Y1），就可以得到一条光谱S1,在位置（X2，Y2）上有光谱S2这样就可以得到30112条谱线。我们可以计算出每条光谱线轮廓的重心。线重心指的是如图2.3所示的剩余强度（轮廓阴影的部分）的重心，其表达式为把某一位置谱线线心作为参考线心，计算所有其他谱线的线心相对于参考线心的位移，就可以得到这个区域的相对线心位移。我们有速度关系其中C为光速，且设红移速度为正，则我们可以得到扫描区域的速度场。5 实验仪器南京大学太阳塔CCD成像光谱观测系统。多波段光谱仪。6 实验观测数据及其分析 H（1）两维图像数据（120*260）（2）平均谱线轮廓从30张图像中，选取第一张，做其平均谱线轮廓，对120条狭缝做平均得到。（3）证认谱线，粗略算出色散度对照实习书上的附图3，找到了相应的5条线心的对应像元，并且在附图2中找到了相应的波长。取两组数据，分别为，根据书上公式粗略得到（4）证认谱线，用最小二乘法获得色散度利用找到的5条线心的像元数和相应波长，根据最小二乘法可以精确得到色散度。即（5）剩余强度谱线轮廓用平均谱线轮廓和连续谱做归一化处理得到。连续谱用直线近似，最小二乘法找出直线的斜率和截据。连续谱图像为剩余强度谱线为（6）获得扫描数据Cube原始太阳谱线的图像（7）日面活动区单色像（8）日面扫描区域相对速度场其中，参考线心用每一条谱线强度最低值的像元的波长，对3600条谱线都求出其线的重心。（9）固定狭缝方向（120）的图和固定扫描方向（20）的图 Ca（1）两维图像数据（120*260）（2）平均谱线轮廓从30张图像中，选取第一张，做其平均谱线轮廓，对120条狭缝做平均得到。（3）证认谱线，粗略算出色散度对照实习书上的附图4，找到了相应的6条线心的对应像元，并且在附图1中找到了相应的波长。取两组数据，分别为，根据书上公式粗略得到（4）证认谱线，用最小二乘法获得色散度利用找到的6条线心的像元数和相应波长，根据最小二乘法可以精确得到色散度即（5）剩余强度谱线轮廓同理 氢。（6）获得扫描数据Cube（7）日面活动区单色像（n1=172,n2=147）（8）日面扫描区域相对速度场（9）固定狭缝方向（120）的图和固定扫描方向（20）的图7谱的拟合利用GaussFit函数做氢和钙的平均谱线拟合（1） 氢的平均谱线拟合 （2） 钙的拟合可以看到，高斯拟合基本符合谱线的形状，但是还不是很精确的与之完全符合。8 速度场分析H从图中可以看出，H的速度大部分都在5000m/s -5000m/s左右，极少部分在几万米每秒。Ca从图中可以看出，Ca的速度大部分都在-50000m/s左右，极少极少部分在十万米每秒（可能为宇宙线）。9 深入了解三维成像光谱观测及其阐述清楚三维结构三维（CCD）成像光谱观测系统由CCD摄像机、图像处理器、计算机、录像机、监视器以及扫描系统组成。如实习书第四页图1.3。CCDA和CCDB是两个放在光谱仪和8542线焦平面上CCD照相机。CCD照相机的型号为sensys，CCD芯片是Kodak公司生产的KaF0400，像元数为768512，每个像元大小为，则CCD的大小约为。CCDA和CCDB采集来自光谱仪的高色散的狭缝图像，即y（狭缝方向）-波长（色散方向）的图像，经图像处理器，以两个字节的数字格式记录于计算机。沿狭缝方向的像元数512个，空间分辨率为，总可观测空间尺度为3.6角分。沿波长方向和8542的线色度分别为0.02503埃/象元和0.05907埃/像元，可检测的波长范围分别为19埃和45埃。由于图像处理器的模数转换（A/D）是12bits的采样，由每个像元的数据为unsigned int类型数据（0-4095），观测数据存放在二字节的数据流里。在一个文件内，可以单独地存放和8542线资料。也可以存放两中谱线资料。由于计算机内存空间的限制，每个文件不能包含bits的数据，观测者可以按要求选择像元数目。 为了深入了解CCD成像系统的扫描观测，见实习书第11页图2.1的示意图。光谱仪的狭缝是固定不动的，扫描观测是通过由步进马达转动M5镜，是太阳均匀扫过狭缝来完成。当狭缝在太阳像的位置P1，（）计算机采集CCD的输出，给出一幅如书11页图1.5那样的光谱数据。记录这组数据为P1，表示在扫描位置P1的一幅二维光谱图。当采集结束，把这幅二维光谱图的数据存入计算机内存中以后，计算机给出一个命令，驱动马达转动M5镜，是太阳像在垂直于狭缝方向移动一段距离（对应2）至P2 位置，再采集第二组数据，记为P2。依次类推，在最终的扫描位置，记录为PN。这样就可以建立起一组（X，Y，） 的三维数据集.类似于实验一，我们可以得到任何扫描位置（Xi），任何狭缝位置（Yi）的光谱图。 设的数据结构为像元，扫描方向X为30步（N=30），由此可建立起像图2.1那样的三维数据，天文学家习惯称它为Cube。垂直于X轴的一个切面是光谱图，垂直于Y轴的一个切面是光谱图，而垂直于的一个切面是扫描观测区域的单色像。 10 对实验步骤的讨论（1）做平均谱线轮廓的步骤中，我只是对30张中的第一张图像的120条狭缝的太阳光谱作了一个平均，并没有对所有的图像做一个平均，可能对所有的图像做平均，然后再对这30个平均谱线作平均会得到更好的平均谱线轮廓。（2）精确证认谱线的时候，我只是选取了平均光谱上的5或者6个吸收线对应的像元数并找出其相应的波长数，然后用最小二乘法得到色散度和零点波长。而根据最小二乘法的原则，所选取的组数应该很多在可以得到精确的结果，因此在证认谱线上可能会有一些误差，但误差对最后的结果影响不大。（3）做剩余强度的时候，在作连续谱过程中，只是对平均谱线作了一元线性回归（利用最小二乘法算出直线的斜率和截距），即只是用一条直线近似地当作连续谱线，并没有做二元、三元的线性回归，而且只利用了第一张图的数据。因此可能得到的剩余强度谱线不是很精准，但被本次试验由于太阳光谱的吸收线较为明显，用一元线性回归对光谱线的归一误差不会很大。（4）做相对速度场的步骤中，对计算剩余强度的重心得积分公式作了近似，把积分换为求和，因为波长方向像元数单位间隔为1，对于离散型数据利用求和会简单一些。