高时间高空间分辨率太阳色球成像观测技术研究

The project intends to adopt the technology of " high-resolution reconstruction for the aplanatism image from different system", and to build a strictly synchronous observation system between solar photosphere (705.8nm) and solar chromospheres (656.28nm), at last realizes imaging observations of the solar chromosphere with high temporal resolution (1-2 seconds) and high spatial resolution (0.3 arcsecond). This high spatial and temporal solar chromosphere observation method will help to study the evolution characteristics of solar chromosphere magnetic field structure in the process of magnetic reconnection at the second time scales. To achieve the research goals of this project, based on the multi-channels high-resolution imaging system of the New Vacuum Solar Telescope (NVST), this project will apply the research methods of theory and experiment to solve the following key scientific problems: strictly synchronous acquisition of photosphere and chromospheres images at speed of 100 frames per second, low SNR(signal to noise) of chromosphere speckle images at short exposure time (<=10ms), the long-time continuous observation at massive data acquisition (1.6GB/ seconds), and effects of different optical aberrations between the photosphere system and the chromosphere system on image reconstruction.

本项目拟采用“同光程异构图像高分辨率重建”技术，对太阳光球(705.8nm 波段)和色球(656.28nm波段)进行严格同步观测，从而实现对太阳色球的高时间(1秒-2秒)高空间(0.3角秒)分辨率的成像观测，为揭示色球磁重联过程中磁场结构在秒级时间尺度上的演化特征等研究提供新的观测手段。为实现这一研究目标，项目以一米新真空太阳望远镜(NVST)多通道高分辨率成像观测系统为实验平台，采用理论和实验相结合的研究方法，解决以下关键科学问题：100帧/秒的采集速度下光球和色球的严格同步采集，短时间(<=10ms)曝光下色球斑点图信噪比低，海量数据采集(1.6GB/秒)下系统长时间不间断观测，以及光球和色球系统不同像差对重建结果的影响。

我国目前口径最大的一米新真空太阳望远镜（简称NVST）的高分辨成像观测系统采用斑点干涉术和斑点掩模法为基础的高分辨图像统计重建技术，克服湍流大气的影响，实现了对太阳色球(Hα，656.28nm波段)的高空间分辨率成像观测。在12秒内，采集信噪比高的200帧短曝光斑点图重建1帧高分辨率色球图像，使得色球高分辨率成像观测的时间分辨率只能在12秒量级。如果要提高色球高分辨率成像观测的时间分辨率，就得降低短曝光斑点图的曝光时间，并提高斑点图的采集速度，但会导致曝光斑点图信噪比低，无法重建色球的高分辨图像。. 为提高NVST色球高分辨率成像观测的时间分辨率，并保持原来的空间分辨率不变，本项目提出通过斑点图信噪比高的太阳光球(Tio,705.8nm 波段)通道重建斑点图信噪比低的色球通道的高分辨图像，即“同光程异构图像高分辨率重建”技术。为此，本项目开展的研究内容有：色球和光球的同光程异构成像光路系统以及它们图像之间的空间同步；sSMOS相机在高帧频（100帧/秒）和大靶面（2K×2K）工作条件下，色球短曝光斑点图和光球短曝光斑点图每帧之间的时间同步；sSMOS相机的高速图像采集与海量数据(1.6GB/秒)存储；同光程异构图像高分辨率重建算法的实现；不同色球斑点图曝光时间（或信噪比）、不同色球斑点图帧数等对重建效果的影响。在一一研究和解决上述问题之后，最终，项目组在NVST上建立了色球和光球两通道的同步试观测系统，获取了太阳色球和光球时空严格同步的序列短曝光斑点图，最后得到了太阳色球的高时间(1秒-2秒)高空间(0.3角秒)分辨率图像。. 项目的研究成果可用于高时空分辨率的太阳色球成像观测，为揭示色球磁重联过程中磁场结构在秒级时间尺度上的演化特征等研究提供新的观测方法，对理解耀斑过程中能量在秒级时间尺度上的转化和释放规律方面有重要的科学意义。该技术已在NVST高分辨率磁像仪中推广应用，初步获得了斑点图信噪比更低的高分辨率偏振图像。