способ измерения дифференциальной лучевой скорости в солнечной атмосфере

Формула изобретения

Способ измерения дифференциальной лучевой скорости в солнечной атмосфере, основанный на измерении доплеровского смещения спектральных линий с помощью разделения изображения Солнца на два, разнополяризованных по кругу, с последующим совмещением сдвинутых изображений на входной щели спектрографа, отличающийся тем, что круговую поляризацию преобразуют в линейную с направлением поляризации под 45^o к штрихам дифракционной решетки спектрографа, разносят разнополяризованные лучи в направлении дисперсии на расстояние, не превышающее полуширину спектральной линии, одновременно измеряют интенсивность излучения на участке непрерывного спектра и в зоне переналожения спектральных компонент, а дифференциальную скорость определяют по формуле



где _e, _c - измеряемые интенсивности в зоне переналожения спектральных компонент и на участке непрерывного спектра соответственно;

b₀ - поправка, устанавливающая нуль шкалы дифференциальных измерений;

k - калибровочный коэффициент, устанавливающий связь между измеряемыми величинами и дифференциальной лучевой скоростью.

Описание изобретения к патенту

Предложение относится к области астрофизических измерений и предназначено для исследования волновых движений в атмосфере Солнца.

Известный способ [1] страдает невысокой чувствительностью вследствие принципиального несовершенства оптико-механической схемы и не обладает возможностью фильтрации волновых движений по направлению и размерам. В результате сложения множества колебательных мод и движений с разными направлениями, периодами и пространственными размерами измеряемый сигнал приобретает вид шумоподобной смеси, интерпретация которой весьма затруднена. Наиболее близким техническим решением является способ измерения дифференциальной лучевой скорости, основанный на измерении доплеровского смещения спектральных линий с помощью разделения изображения на два разнополяризованных с последующим совмещением сдвинутых на заданную величину в заданном направлении изображений на входной щели спектрографа и измерении в двух крыльях спектральной линии колебаний интенсивности на частоте модуляции [2].

Для осуществления этого метода необходимым условием является модуляция пространственного положения спектральных компонент. При этом частота модуляции должна быть около 1 Кгц, в противном случае атмосферные нестабильности (мерцание, дрожание) внесут прямой вклад в создание ложного сигнала. Однако такие частоты модуляции становятся невозможными при использовании современных многоэлементных фотоприемников: CCD-матриц и линеек. Наиболее быстрые из них достигают скорости считывания до 30 кадров в секунду, что значительно меньше 1 Кгц. Таким образом, исключается сама возможность прямого использования CCD-матриц и линеек для измерений дифференциальной лучевой скорости, что и является одним из недостатков прототипа. Для решения возникшей проблемы и предназначено предлагаемое техническое решение.

Согласно предлагаемому способу солнечное изображение раздваивают на два разнополяризованных по кругу, сдвигают одно относительно другого в заданном направлении на требуемую величину и совмещают на входной щели спектрографа S. Поляризации лучей превращают в линейные, направленные ортогонально друг другу и под углом 45^o к штрихам дифракционной решетки спектрографа, в спектрографе разносят лучи в направлении дисперсии на величину, эквивалентную полуширине рабочей спектральной линии. Производят одновременные измерения интенсивности светового потока в зоне переналожения спектральных компонент Ф_l и на участке непрерывного спектра Ф_c, а дифференциальную лучевую скорость V_d определяют по формуле



где b₀ - безразмерная величина, имеющая смысл поправки, устанавливающей нуль шкалы, определяется экспериментально или рассчитывается по справочным данным;

k - калибровочный коэффициент, устанавливающий связь между измеряемым отношением интенсивностей и соответствующей ему величиной дифференциальной лучевой скорости.

Нормировка на интенсивность непрерывного спектра необходима для того, чтобы исключить влияние яркости объекта на измеряемый сигнал дифференциальной лучевой скорости.

Калибровочный коэффициент k имеет размерность скорости и для любой спектральной линии его можно рассчитать по формуле



где c - скорость света;

- табличная полуширина рабочей спектральной линии, за полуширину линии принято считать ширину ее контура на уровне ее половинной глубины;

_o - табличная длина волны излучения, соответствующая ядру рабочей спектральной линии, измеряемая в тех же единицах, что и ;

r - остаточная интенсивность спектральной линии в относительных единицах.

Все приведенные значения параметров спектральной линии можно взять из атласов солнечных спектров или же некоторые из них (,r) определить экспериментально. На фиг. 1 показана упрощенная оптическая схема, поясняющая прохождение лучей в спектрограф и преобразование поляризации. Фиг. 1 представляет как бы вид сверху относительно входной щели спектрографа S и направления распространения световых лучей. От элементов I и II солнечного изображения через щель спектрографа S проходят ортогонально поляризованные лучи. Точками обозначена линейная поляризация, перпендикулярная картинной плоскости.

С помощью поляризационной призмы L изображение раздваивают на два разнополяризованных. На фиг. 1 для удобства показа изображение раздвоено в горизонтальном направлении. Но в практических наблюдениях раздваивать приходится в любом направлении, поэтому для лучшего согласования поляризации лучей используют две четвертьволновых пластины /4. Первая из них ориентирована своими осями под 45^o к направлению поляризации лучей, выходящих из призмы L, и жестко соединена с призмой в этой позиции. Вторая четвертьволновая пластина устанавливается в спектрографе и ориентирована так, что одна из ее осей параллельна направлению дисперсии. Поляризационная призма D обеспечивает разведение световых лучей в плоскости дисперсии на величину, эквивалентную полуширине рабочей спектральной линии. Разнесение спектральных компонент на полуширину линии обеспечивается использованием для измерений наиболее крутых и линейных участков профиля линии. Что, с одной стороны, обеспечивает максимальную чувствительность к изменениям измеряемой дифференциальной скорости, а с другой - независимость сигнала от любых совместных смещений компонент в пределах линейного участка. В фокальной плоскости спектрографа при этом получают два изображения спектра, сдвинутых один относительно другого на величину, определяемую призмой D и линейной дисперсией спектрографа в данном спектральном порядке. Поскольку это небольшой сдвиг, то изображения спектральной линии окажутся переналоженными на фоточувствительной поверхности многоканального фотоприемника, например, CCD-линейки или матрицы. Две равные группы пикселей линейки, приходящиеся на зону переналожения спектральных компонент и участок непрерывного спектра, образуют "электронные щели". Суммарные заряды в каждой из этих щелей пропорциональны интегральным световым потокам, "вырезаемым" ими. Таким образом, осуществляется измерение Ф_l и Ф_c. В случае матрицы в вертикальном направлении, т.е. вдоль столбца матрицы располагается протяженный участок солнечного изображения, вырезаемый входной щелью спектрографа. Из фиг. 2 a,b,c можно понять, каким образом дифференциальная лучевая скорость связана с измеряемым отношением Ф_l/Ф_c. Пусть Фиг. 2а соответствует ситуации, когда лучевые скорости в элементах I и II одинаковы как по величине, так и по направлению, т.е. V_I = V_II, V_d = V_I - V_II = 0. На фиг. 2 по вертикали откладывается интенсивность излучения. Нижний уровень (темнота) принят за 0, а верхний (интенсивность непрерывного спектра) принят за 1. Горизонтальная ось показывает направление дисперсии, причем длина волны возрастает слева направо. Нулевой дифференциальной скорости V_d = 0 соответствует отношение Ф_l⁰/Ф_c⁰, которое может быть принято за коэффициент b₀ в расчетной формуле. Пусть теперь (фиг. 2b) обе скорости направлены одинаково (например, на наблюдателя, что соответствует смещению спектральной линии в фиолетовую сторону), но V_I > V_II. При этом окажется, что спектральная компонента I сместится на большую величину, чем компонента II и расстояние между ними увеличится на дистанцию, пропорциональную разности скоростей. Интенсивность излучения в зоне переналожения компонент также возрастет, отношение Ф_l/Ф_c увеличится и согласно формуле (1) V_d примет некоторое положительное значение. Пусть теперь V_I > V_II, но направление скоростей сменилось на обратное (от наблюдателя) фиг. 2с. При этом компонента I сместится в красную сторону на большую величину, чем компонента II, и расстояние между ними уменьшится, соответственно уменьшится _l/Ф_c, а V_d станет отрицательным. Измерения выполняются для каждой строки фотоприемной матрицы и конечные результаты, рассчитанные по формуле (1), отражают распределение лучевой скорости вдоль участка поверхности, вырезаемого входной щелью. Коэффициент нулевого уровня b₀ измеряют непосредственно перед началом наблюдений. Для этого поляризационную призму L и обе четвертьволновых пластины выводят из светового пучка. В этом случае двоение изображения на входе отсутствует и обе спектральных компоненты соответствуют одному и тому же элементу изображения, т.е., V_d = 0. Для каждой строки измеренное отношение Ф_l⁰/Ф_c⁰ и принимается за b₀. Конечно, b₀ можно рассчитать и по табличным данным, не выполняя специальных измерений. В этом случае ошибка в определении b₀ может быть большей, что приведет к некоторому постоянному смещению нуля шкалы. Для некоторых видов наблюдательных задач (например, исследование частотного состава колебаний) такое смещение не играет никакой роли. Для других такой сдвиг нежелателен. В каждом конкретном случае решают, воспользоваться ли расчетным значением b₀, или измерить его экспериментально.

Таким образом, удается осуществить измерения дифференциальной лучевой скорости с использованием CCD-линейки, не прибегая к модуляции состояния поляризации спектральных компонент. При этом искажающее влияние атмосферных нестабильностей устраняется, поскольку измерения осуществляются одновременно. А чувствительность измерений только за счет подавления внутренних шумов спектрографа увеличивается в 7-10 раз в сравнении с другими безмодуляционными измерениями.

Источники информации

1. Kalinjak A., Vasilyeva G. Solar Physics, 1971, v. 16, N 1, 37.

2. Кобанов Н.И. Авторское свидетельство СССР N 957009, кл. G 01 J 3/06, 1982.