[论文解读] Analysis of full disc Ca II K spectroheliograms. I. Photometric calibration and CLV compensation

Theodosios Chatzistergos, I. Ermolli+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 54被引用 11

一句话总结

本文提出了一种新颖的全自动方法，用于对历史全盘Ca II K光谱日面图（SHG）进行辐射定标及中心-边缘变化（CLV）补偿，利用平静太阳区域中稳定的CLV模式。该方法在退化数据上仍能实现平均误差<1%、最大误差<6.5%，从而在无需针对仪器调整的情况下，实现跨多种档案资料的一致且精确的处理。

ABSTRACT

Historical Ca II K spectroheliograms (SHG) are unique in representing long-term variations of the solar chromospheric magnetic field. They usually suffer from numerous problems and lack photometric calibration. Thus accurate processing of these data is required to get meaningful results from their analysis. In this paper we aim at developing an automatic processing and photometric calibration method that provides precise and consistent results when applied to historical SHG. The proposed method is based on the assumption that the centre-to-limb variation of the intensity in quiet Sun regions does not vary with time. We tested the accuracy of the proposed method on various sets of synthetic images that mimic problems encountered in historical observations. We also tested our approach on a large sample of images randomly extracted from seven different SHG archives. The tests carried out on the synthetic data show that the maximum relative errors of the method are generally &lt;6.5%, while the average error is &lt;1%, even if rather poor quality observations are considered. In the absence of strong artefacts the method returns images that differ from the ideal ones by &lt;2% in any pixel. The method gives consistent values for both plage and network areas. We also show that our method returns consistent results for images from different SHG archives. Our tests show that the proposed method is more accurate than other methods presented in the literature. Our method can also be applied to process images from photographic archives of solar observations at other wavelengths than Ca II K.

研究动机与目标

• 解决历史全盘Ca II K光谱日面图（SHG）中缺乏辐射定标与伪影校正的问题，以提升其在长期太阳活动与辐照度研究中的应用价值。
• 开发一种自动、一致的处理方法，适用于多种SHG档案资料，即使在图像质量、仪器配置和观测条件各异的情况下亦能适用。
• 通过校正感光板的非线性响应与非均匀性，实现对太阳色球磁场特征的精确重建。
• 利用模拟真实退化情况的合成图像验证该方法的准确性，并与现有方法进行比较。
• 展示该方法在应用于七个不同SHG档案的真实图像时的鲁棒性与一致性。

提出的方法

• 该方法假设平静太阳中心-边缘变化（CLV）的强度模式在时间上保持稳定，并以此作为参考来校准整幅图像。
• 从太阳圆面各处的平静太阳区域推导出特征曲线（CC），假设在合适的曝光范围内响应呈线性。
• 利用现代观测得到的CLV模式作为参考，标准化历史图像的CLV，以校正仪器与感光板的非线性响应。
• 通过利用稳定的CLV模式与平静太阳强度的统计建模，校正非均匀性与伪影（如划痕、斑点、过曝/欠曝）。
• 基于推导出的CC与CLV模型，对每个像素实施校正，确保全盘范围内的一致性光度测量。
• 通过依赖太阳物理内在特性（稳定的平静太阳CLV）而非外部参考数据，避免了对特定仪器校准的依赖。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不了解观测仪器参数的前提下，对多样化的档案资料中的历史Ca II K光谱日面图实现一致的辐射定标？
• RQ2 该方法在退化的历史SHG图像中，对非线性响应与图像伪影的校正精度如何？
• RQ3 假设平静太阳CLV随时间不变，这一假设在图像质量较差的情况下对校准精度的影响有多大？
• RQ4 与文献中现有校准技术相比，该方法在准确性上表现如何？
• RQ5 该方法是否可推广至其他谱线或Ca II K以外的摄影太阳档案资料？

主要发现

• 在所有测试的合成图像中，该方法的最大相对误差<6.5%，即使在极端退化条件下亦成立，平均误差<1%。
• 对于无强伪影的图像，该方法在任意像素上的结果与理想图像的差异<2%。
• 与现有方法相比，该方法在误差降低方面提升3至300倍，当排除最极端情况时，最大误差降至<2%。
• 将该方法应用于合成现代Ca II K数据时，平均误差降至<0.6%，表明其精度优于以往方法。
• 该方法在七个不同SHG档案资料中均产生一致结果，证明其在不同仪器与观测条件下的鲁棒性。
• 该方法可经少量调整后推广至其他谱线（如Hα或白光），显著拓宽其在太阳摄影档案中的适用范围。