怀柔太阳观测基地全日面磁场自动化观测系统*

林佳本，沈洋斌，朱晓明，邓元勇，曾 真

(1. 中国科学院太阳活动重点实验室，北京 100012；2. 中国科学院国家天文台 ，北京 100012;3. 昆明理工大学 计算机重点实验室，云南 昆明 650500)

怀柔太阳观测基地全日面磁场自动化观测系统*

林佳本1,2，沈洋斌1,3，朱晓明1,2，邓元勇1,2，曾 真1,2

(1. 中国科学院太阳活动重点实验室，北京 100012；2. 中国科学院国家天文台 ，北京 100012;3. 昆明理工大学 计算机重点实验室，云南 昆明 650500)

介绍了怀柔太阳观测基地设计完成的一套能够自动化快速获取全日面矢量磁场数据的观测系统。该系统升级了波带和波片电机控制模块、KD*P高压调制电路以及数据采集系统。在观测软件界面上点击一键即可获得全日面矢量磁场的3个分量L、Q、U，完成时间从原来的3～5 min减少到30 s；同时，该观测系统还设有耀斑观测模式，在该观测模式下可以以最高48帧每秒的速度记录磁场或单色像数据，与怀柔太阳观测基地的高分辨Hα数据相结合可以形成日球上两个层次的高分辨观测资料。

太阳磁场；自动化；观测；耀斑

怀柔太阳观测基地(Huairou Solar Observation Station)是中国科学院国家天文台的重要观测基地之一。它是在国际太阳物理界享有高知名度的太阳磁场和速度场观测研究基地和学术研究中心，拥有世界一流的太阳多通道望远镜，该仪器可进行太阳光球和色球磁场及速度场观测，观测资料处于世界领先水平。太阳磁场望远镜和太阳多通道望远镜的研制成功是我国实测太阳物理进入世界先进行列的标志[1]。

怀柔太阳观测基地的全日面磁场望远镜是国家空间天气部门支持的重大课题，于2006年建成投入常规观测，是目前国内外少数几架能够获得良好观测数据的地基太阳磁场望远境之一，在我国的空间天气预报工作中承担重要任务，同时也为我国的太阳物理研究提供重要的科研数据。

怀柔太阳观测基地已经在Hα波段做了很多的高速耀斑观测方法和软件的研究[2]，但是在磁场方面，数据的时间分辨率始终受观测终端的限制，没有办法获得高时间分辨率的全日面磁场观测资料。因为最初设计的常规观测方法中，波带、波片调节程序与磁场数据采集程序分别处于不同的计算机上，需要有观测员在岗分步骤操作才能够完成，常规观测流程是：观测员调节波带位置及透过波片，然后在观测软件里面设定相应的波带、波片信息，最后再开始观测。这种分立的工作模式，操作步骤较多，程序繁琐，观测速度慢、效率低，在高峰期间容易错过重要的观测资料。

太阳物理研究表明太阳耀斑爆发能量的来源是太阳磁场[3]，随着太阳物理研究的深入，对太阳磁场观测数据提出了越来越高的要求，通过观测终端的升级改造可以获得更高时空分辨率的观测资料。另一方面，电子技术的发展、计算机外设处理能力及采集速度等大大提升使得观测自动化成为可能。

基于上述的分析，本文针对望远镜观测终端的自动化开展研究。首先将波带、波片电机控制模块进行升级、加入了通讯控制接口；然后将波带位置自动控制、数据自动化采集等功能集成到观测终端系统中实现自动化观测，减少人工干预，提高观测效率；最后，设计了耀斑观测模式，通过怀柔太阳观测基地的智能化Hα耀斑监测系统提供报警信号修改观测模式，提高观测数据的时间分辨率。

1 系统硬件升级

本自动化观测系统是针对怀柔太阳观测基地的全日面磁场望远镜设计的观测终端系统。该望远镜于2006年建成并投入常规观测，控制系统结构框架如图1。其中观测计算机到波带、波片电机控制模块和KD*P高压调制电路是本系统设计相关的硬件部分。

1.1 图像采集系统

主机：选用DELL T7500图形工作站，该计算机装载有两颗主频2.93 GHz的Intel至强5 670中央处理器，内存12 GB。硬盘：由操作系统硬盘和2个*15 000 r/m高速磁盘做成RAID0磁盘阵列组成，其中磁盘阵列存储速度能够达到200 MB/s。

CCD：采用 Imperx 1M48 CCD，面阵1 004×1 004，7.4 μm×7.4 μm，像素灰度12 bits，最高帧速48帧/秒，每秒的数据量约为96 MB。

数据采集卡：Cereco XL-64 Dual数据采集卡。

1.2 波带、波片调节系统

波带、波片位置调节是太阳矢量磁场观测中的重要环节。怀柔太阳观测基地于2008年底设计完成了新的波带、波片位置电机驱动控制系统，见图2，该系统最多可以同时控制10个步进电机，并可以通过RS422接口与外围设备进行通讯——获取电机运转控制指令或反馈电机运转位置。

图1 望远镜控制架构

Fig.1 Block diagram of the control of the telescope

图2 波带及波片电机控制系统

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

原有的常规观测模式中，要获得一幅全日面磁场数据，需要对波片位置进行控制——L、Q、U 3种波片，该波片位于滤光器前端机械结构上，由步进电机拖动，观测时需要观测员依次调整到相应的位置后再进行观测。以往完全的手动观测模式，存在两个方面的问题，第一，手动调节观测的模式、波带位置以及波片等的效率不高，而且原有的波带、波片调节程序只能运行在设备控制计算机上，观测员在操作观测计算机的同时还要操作设备控制计算机，步骤繁琐，容易出错，大大影响了观测效率。第二，容易出错，不同的计算机、程序调节之后，设定观测模式等容易出现对应错误。比如观测 L5，但是波带位置可能在Q5上，出现这种情况观测员就需要重新再调整，重新观测。

新的波带、波片电机控制系统的通讯协议完全自主定义，可以通过串口编程将该单元的控制、监测功能集成到观测程序中，从而实现观测过程的自动化。

1.3 新KD*P高压调制系统

KD*P电光调制器是用来测量太阳磁场的一种必要的物理光学器件, 它需要馈入交变高压,以实现其光学滞后量的调制。怀柔太阳观测基地的磁场望远镜系统中的KD*P电光调制器要求高压电源能够输出频率0.1～100 Hz和幅值±(500 V～1 400 V)的可调矩形波信号。

原有高压系统由于上升沿时间比很长，观测过程中都需要曝光两帧图像取后一帧图像作为有效数据来用，这样观测一组256帧图像叠加的数据，额外增加了一倍的时间，大大影响了系统的观测效率。

新设计完成的KD*P高压系统完全达到了光学系统对KD*P高压调制系统要求指标，输出1 000 V高压脉冲序列的时候，上升沿小于2 μs；电压纹波小于2 V。使用该高压调制系统进行观测，完全是曝光一帧图像采集一帧，没有任何时间和数据浪费。

通过上述的硬件系统的升级、改造，怀柔太阳观测基地的全日面磁场观测系统具备了进行自动化观测的硬件能力。

2 系统软件设计

一台地基望远镜的硬件系统全部完成并投入使用之后，其优势除了数据的长期积累之外，就是可以通过新的观测思路和精心设计的观测终端进行灵活的特殊目标观测。本系统的设计目标是通过自动化手段，提高观测数据的时间分辨率。同时，通过与怀柔太阳观测基地的智能化Hα耀斑监测系统相配合，获取与太阳耀斑密切相关的光球磁场或单色像数据。

2.1 自动化观测

在观测软件中通过对计算机串口编程，实现与波带、波片电机控制系统的通讯，按照观测需要调节波带位置、波片位置，设定观测模式，自动数据存盘。另外，还可以设定波带偏移量，在线心两侧任意位置测量磁场信息。软件工作界面见图3。

图3 自动化磁场观测软件界面(2013年1月22日)
Fig.3 Software interface for automatic observation of the solar magnetic field (—a snapshot in January 22, 2013)

启动数据采集软件之后，首先要点击“初始化”按钮，完成对数据采集相关的硬件设备的加载、初始设置等，例如图像采集卡、CCD、数字IO卡、串口等。完成之后，在左侧的显示窗口中就能够看到来自CCD的实时图像。通过左侧的“增益”、“底值”两个滚动条可以对CCD的增益、底值进行调节，“叠加帧数”和“曝光时间”两个文本框可以输入需要参数值，实现对磁场观测的叠加帧数和CCD的曝光时间控制，“更新参数”按钮可以将这些基本参数更新并写入配置文件。图3最下面的一排按钮是对波带进行调节的按钮，可是实现对磁场的偏带观测。系统软件功能模块简述如下。

2.1.1 数据采集线程

该线程根据用户的控制指令完成对相应的观测内容的观测。

(1)接收用户控制指令。

启动软件操作界面上有4个按钮可以启动数据采集线程[4]，“L”、“Q”、“U”、“3IN1”，其中前面3个是分别对L、Q、U 3个分量进行观测的按钮，最后一个则是一次完成前面3个按钮的功能——顺次完成对L、Q、U 3个分量的观测。

(2)根据指令反馈信号，控制数据采集进程。

点击启动数据采集线程之后，首先通过电机驱动线程发送相应的控制指令给对应的电机，然后监控电机位置，电机到达指定的位置之后反馈信号通过串口发送给计算机，随后再启动磁场数据叠加、采集程序，每完成一个分量之后自动将数据结果存盘并在右侧的结果显示窗口中显示测量数，便于观测员观察数据采集的结果正确与否。

(3)数据采集过程保证KD*P反转与CCD曝光的同步。

在磁场观测中一个重要的过程就是KD*P反转要和CCD曝光同步配合，左旋和右旋分别进行叠加积分，才能够保证最后获得的磁场数据有足够的灵敏度[5-6]。

要实现磁场测量需要进行积分计算，而且要保证左旋光和右旋光的分别进行积分，然后才能根据Stokes公式计算获得太阳磁场，通常情况下要实现10高斯的测量精度，积分的数据帧数需要达到256帧以上[7-8]。磁场计算公式经简化后如下：

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

(1)

式中，Mag为太阳磁场；K为望远镜磁场测量的定标系数；I+和I-分别表示左旋光积分值和右旋光积分值。

因此，要保证磁场测量精度就必须要保证数据采集和KD*P高压信号的同步[8]。在本系统中，通过CCD自身提供的Strobe信号和数字IO卡输出的数据采集结束信号经由74HC74进行同步形成KD

*P高压的反转同步信号[9]，如图4。

2.1.2 设备驱动线程

该线程通过串口发送电机驱动指令并监控电机的位置信息。

(1)发送电机驱动指令

通过发送指令串“RUL0x”、“RUQ0x”、“RUU0x”，0x是波片电机号，前面是指令字符。波带电机的调节通过指令“RUA0x”或“RUR0x”，控制电机走绝对位置和相对位置。

(2)监测电机位置

位置监控程序，在等间隔时间内通过串口发送“QRP0x”指令给电机控制电路，电机到达指定位置后，反馈相应的信息给主控程序，然后进行下一步的数据观测流程。

图4 KD*P反转与CCD数据采集同步电路

Fig.4 Synchronization circuit for reversing states of the KD*P crystal and collecting data from the CCD

2.2 耀斑观测模式

怀柔太阳观测基地最近设计完成了一套智能化Hα耀斑爆发实时监测系统。在本系统中，将使用该耀斑监测系统提供的判别结果，启动高速磁场数据或单色像数据记录程序，实现高速Hα和磁场的同时观测，这样的资料能够为太阳物理研究提供更有研究价值的研究样本。

3 结 论

通过对波带、波片电机控制系统、KD*P高压调制系统等的升级工作提高了其性能指标并加入了通讯接口，采用自动控制技术，将各个分立工作的模块集成到观测软件中，实现了观测参数的一键自动化观测，减少观测过程中的人工干预，观测一组矢量磁场的时间从3～5 min缩短到30 s，观测效率提高了近十倍，而且观测数据稳定不会出错；同时，系统中加入了耀斑观测模式，可以以系统最优的速度进行纵向磁场或者是单色像观测，获取耀斑爆发前后的高时间分辨率数据。这些数据与Hα数据相结合，能够形成从光球到色球的两个层次的高时间分辨率的资料，为太阳物理研究提供更多更优的观测资料。

上述工作的完成，一方面为第二十四太阳周峰年做好观测终端系统的准备；另一方面也为空间太阳望远镜以及无人值守台站等的观测终端研制积累了技术基础和经验。

致谢：系统的设计、调试过程中得到了昆明理工大学天文信息技术实验室和怀柔太阳观测基地汪国平观测员的大力协助，在此深表感谢。

[1] 艾国祥, 胡岳风. 太阳磁场望远镜的提出和工作原理[J]. 天文学报, 1986, 27(2): 173-180.

Ai Guoxiang, Hu Yuefeng. On principle of solar magnetic field telescope[J]. Acta Astronomica Sinica, 1986, 27(2): 173-180.

[2] 林佳本, 邓元勇, 胡柯良, 等. 一种智能化太阳耀斑数据观测方法: 中国, 201010185894[P/OL]. 2010-10-27[2012-12-05]. http://www.aptchina.com/faming/4007225/.

[3] 林元章. 太阳物理[M]. 北京: 科学出版社, 2000.

[4] SST公司. SST89E516数据手册[R]. 2007.

[5] 艾国祥, 胡岳风. 太阳磁场望远镜中的KD*P电光调制器[J]. 天体物理学报, 1981, 1(4): 273-284.

Ai Guoxiang, Hu Yuefeng. The KD*P modulator in the solar magnetic field telescope[J]. Acta Astrophysica Sinica, 1981, 1(4): 273-284.

[6] 王东光. 空间太阳望远境偏振分析器的设计与研制[D]. 北京: 中国科学院国家天文台, 2003.

[7] 林佳本. 高分辨太阳观测方法的研究[D]. 北京: 中国科学院国家天文台, 2008.

[8] Deng Y Y, Ai G X, Wang J S, et al. Reports on the test observation of multi-channel solar telescope[J]. Solar Physics, 1997, 173(1): 207-221.

[9] 陈在得. 太阳磁场望远镜中的KD*P电光调制器高压电源的研制[J]. 北京天文台台刊, 1986, 8: 291-300.

Chen Zaide. A high voltage power supply device of the KD*P electro-optic modulator for the solar magnetic field telescope[J]. Publications of the Beijing Astronomical Observatory, 1986, 8: 291-300.

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

国家自然科学基金 (10903015, 11178005, 11221063)；中科院知识创新重大方向性项目 (KJCX2-YW-T04, KJCX2-EW-T07) 和国家天文台青年人才基金资助.

2012-12-05;修定日期：2013-01-28

林佳本，男，高级工程师. 研究方向：自动控制、图像处理. Email: 13693225507@163.com