[论文解读] Solar observation with the Fourier transform spectrometer I : Preliminary results of the visible and near-infrared solar spectrum

Xianyong Bai, Zhiyong Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 29被引用 9

一句话总结

本研究展示了Bruker IFS-125HR傅里叶变换光谱仪（FTS）在可见光和近红外波段（0.45–2.2 µm）进行高分辨率太阳光谱观测的成功应用，验证了其观测配置与数据反演方法。实验结果与标准太阳光谱图集及NSO FTS数据高度一致，证实了该方法的有效性，并为未来太阳磁场精确测量红外系统（AIMS）任务提供了关键经验。

ABSTRACT

The Fourier transform spectrometer (FTS) is a core instrument for solar observation with high spectral resolution, especially in the infrared. The Infrared System for the Accurate Measurement of Solar Magnetic Field (AIMS), working at 10-13 $\mu m$, will use a FTS to observe the solar spectrum. The Bruker IFS-125HR, which meets the spectral resolution requirement of AIMS but just equips with a point source detector, is employed to carry out preliminary experiment for AIMS. A sun-light feeding experimental system is further developed. Several experiments are taken with them during 2018 and 2019 to observe the solar spectrum in the visible and near infrared wavelength, respectively. We also proposed an inversion method to retrieve the solar spectrum from the observed interferogram and compared it with the standard solar spectrum atlas. Although there is a wavelength limitation due to the present sun-light feeding system, the results in the wavelength band from 0.45-1.0 $\mu m$ and 1.0-2.2 $\mu m$ show a good consistence with the solar spectrum atlas, indicating the validity of our observing configuration, the data analysis method and the potential to work in longer wavelength. The work provided valuable experience for the AIMS not only for the operation of a FTS but also for the development of its scientific data processing software.

研究动机与目标

• 为傅里叶变换光谱仪（FTS）在太阳天文观测中的可靠观测配置建立基础，特别是针对中国未来红外太阳观测。
• 开发并测试一种基于可见光与近红外太阳光谱的阳光导入系统，以支持FTS运行。
• 验证数据处理流程，包括干涉图处理与光谱反演，用于高分辨率太阳光谱学。
• 评估使用点源探测器FTS进行太阳观测的可行性与局限性，特别是在中红外波段。
• 为即将开展的AIMS任务提供基础经验与方法学验证，该任务将利用FTS在12.32 µm波长实现高精度太阳磁场测量。

提出的方法

• 采用最大光程差（OPD）为258 cm的Brekker IFS-125HR FTS，工作于时间调制模式。
• 开发了一套临时阳光导入系统，利用太阳望远镜与光纤将阳光传输至FTS探测器。
• 利用点探测器在0.45–2.2 µm波段获取干涉图，通过零填充恢复干涉图对称性以处理非对称数据。
• 应用三角形加权函数以抑制傅里叶变换中的旁 lobes 震铃效应，提升光谱保真度。
• 对加权后的干涉图执行反余弦傅里叶变换，以恢复太阳光谱，使用激光参考信号进行OPD校准。
• 基于已知的干涉仪光程差进行相位校正，并应用公式9校正干涉图中的相位误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过阳光导入系统，有效将点探测器FTS系统适配于可见光与近红外波段的太阳光谱观测？
• RQ2 选择不同的加权函数（如三角形函数）对所获太阳光谱的光谱分辨率与保真度有何影响？
• RQ3 FTS数据的信噪比与已建立的太阳光谱相比如何？其主要限制因素是什么？
• RQ4 在干涉图中准确反演太阳光谱时，δOPD、最大OPD与相位校正方法的最佳组合是什么？
• RQ5 当前FTS配置能否扩展至更长波长（如10–13 µm）以支持未来AIMS任务？尚存哪些挑战？

主要发现

• FTS成功从0.45 µm至2.2 µm波段获取了宽带太阳光谱，证明了该观测配置的可行性。
• 反演光谱与标准太阳光谱图集及NSO FTS数据高度一致，尤其在Fe I 1.56 µm与Hβ 486.1 nm谱线的深度与宽度方面表现优异。
• 应用三角形加权函数有效抑制了旁 lobes 震铃效应，提升了光谱分辨率并减少了伪影。
• 观测光谱的信噪比低于NSO FTS，主要由于通过光纤系统收集的光子数较少。
• 分析中使用的最大OPD仅为10 cm，远低于仪器258 cm的能力，表明在长波长观测中仍有数据采集优化空间。
• 本研究识别出中红外太阳光谱学的关键挑战，包括大气吸收、仪器背景辐射以及校准方法改进的迫切需求，由此推动开发配备60 cm主镜的升级型全反射式系统。