СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЛУЧЕВОЙ СКОРОСТИ В СОЛНЕЧНОЙ АТМОСФЕРЕ Российский патент 2001 года по МПК G01J3/06 G01J7/00 

Описание патента на изобретение RU2171452C1

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 45o 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 Фl и на участке непрерывного спектра Фc, а дифференциальную лучевую скорость Vd определяют по формуле

где b0 - безразмерная величина, имеющая смысл поправки, устанавливающей нуль шкалы, определяется экспериментально или рассчитывается по справочным данным;
kν - 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 kν имеет размерность скорости и для любой спектральной линии его можно рассчитать по формуле

где c - скорость света;
Δλ - табличная полуширина рабочей спектральной линии, за полуширину линии принято считать ширину ее контура на уровне ее половинной глубины;
λo - табличная длина волны излучения, соответствующая ядру рабочей спектральной линии, измеряемая в тех же единицах, что и Δλ;
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 (Δλ,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 λ/4. Первая из них ориентирована своими осями под 45o 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 Фl и Фc. 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 Фlc. Пусть Фиг. 2а соответствует ситуации, когда лучевые скорости в элементах I и II одинаковы как по величине, так и по направлению, т.е. VI = VII, Vd = VI - VII = 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 Vd = 0 соответствует отношение Фl0c0, 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 VI > VII. 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 Фlc увеличится и согласно формуле (1) Vd примет некоторое положительное значение. Пусть теперь VI > VII, 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 Фlc, а Vd 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., Vd = 0. Для каждой строки измеренное отношение Фl0c0 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.

Похожие патенты RU2171452C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ САМОСВЕТЯЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ 2000
  • Кобанов Н.И.
RU2178899C1
СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1996
  • Григорьев В.М.
  • Скоморовский В.И.
RU2112936C1
СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОГО СМЕЩЕНИЯ ПОЛОСЫ ФИЛЬТРА 1997
  • Домышев Г.Н.
  • Кушталь Г.И.
  • Садохин В.П.
  • Скоморовский В.И.
RU2118800C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ ПОТЕМНЕНИЯ К ЛИМБУ СОЛНЦА 1997
  • Кобанов Н.И.
  • Григорьев В.М.
RU2124186C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТОГРАММ СОЛНЕЧНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 2004
  • Кобанов Николай Илларионович
  • Григорьев Виктор Михайлович
  • Колобов Дмитрий Юрьевич
RU2280880C2
СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВЕЛИЧИНЫ ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ 1994
  • Демидов М.Л.
  • Осак Б.Ф.
  • Горин В.И.
RU2080639C1
Способ измерения дифференциальной лучевой скорости 1986
  • Кобанов Николай Илларионович
SU1323865A2
Способ измерения параметров солнечной плазмы 1989
  • Кобанов Николай Илларионович
SU1674024A1
СПОСОБ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ОПТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ 1996
  • Скоморовский В.И.
RU2107903C1
Способ регистрации волновых движений вещества в атмосфере Солнца 1983
  • Кобанов Николай Илларионович
SU1124183A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 171 452 C1

Реферат патента 2001 года СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЛУЧЕВОЙ СКОРОСТИ В СОЛНЕЧНОЙ АТМОСФЕРЕ

Изобретение относится к области астрофизических измерений и предназначено для исследования волновых движений в атмосфере Солнца при помощи ССD-линеек и матриц в безмодуляционном режиме. Метод позволяет измерить дифференциальную лучевую скорость. В методе осуществляется фильтрация волновых движений в широком диапазоне направлений и пространственных размеров. Изобретение позволяет уменьшить шумовую составляющую сигнала в 7-10 раз. Изобретение просто в осуществлении и легко адаптируется к стандартному математическому обеспечению при использовании персонального компьютера для работы с ССD-линейкой или матрицей. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 171 452 C1

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 45o 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 φe, φc - измеряемые интенсивности в зоне переналожения спектральных компонент и на участке непрерывного спектра соответственно;
b0 - поправка, устанавливающая нуль шкалы дифференциальных измерений;
kν - калибровочный коэффициент, устанавливающий связь между измеряемыми величинами и дифференциальной лучевой скоростью.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2001 года RU2171452C1

Способ измерения дифференциальной лучевой скорости в солнечной атмосфере 1981
  • Кобанов Николай Илларионович
SU957009A1
SU 754217 A, 07.08.1980
Устройство для измерения дифференциальной лучевой скорости 1983
  • Кобанов Николай Илларионович
SU1185111A1
Устройство для измерения дифференциальной лучевой скорости 1983
  • Кобанов Николай Илларионович
SU1265492A1

RU 2 171 452 C1

Авторы

Кобанов Н.И.

Даты

2001-07-27Публикация

2000-02-24Подача