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太阳塔高分辨率光谱观测系统研制与实验教学应用

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实验技术与管理 2024年第6期41卷 132-142页

作者：张记成孙英姿张文昭高健邓元勇王东光张洋王刚王晓帆王建王丙祥侯俊峰陈洁北京师范大学天文与天体物理前沿科学研究所北京100875 北京师范大学天文系北京100875 中国科学院国家天文台北京100101 中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室北京100049 中国科学院大学天文与空间科学学院北京100049

该文以推进实测天文课程教学改革与提升天文实验教学质量为目标,对太阳塔硬件基础设施进行重新设计与系统优化,研制了一套太阳塔高分辨率光谱观测系统。该系统满足太阳光球、色球层特征谱线的高分辨观测需求,可达到研究太阳黑子和耀斑... 详细信息

该文以推进实测天文课程教学改革与提升天文实验教学质量为目标,对太阳塔硬件基础设施进行重新设计与系统优化,研制了一套太阳塔高分辨率光谱观测系统。该系统满足太阳光球、色球层特征谱线的高分辨观测需求,可达到研究太阳黑子和耀斑特性的观测精度。开放式的光路设计与模块化实验平台有助于学生将光学理论与天文实践相结合。文章设计“定标汞灯的光谱拍摄与谱线证认”和“太阳高分辨率光谱拍摄与谱线证认”两个实操型创新实验,从多重视角增进学生开展有关太阳科研的兴趣。实验将实践教学与科学研究充分结合,有效推动了天文实验类课程的教学改革。

关键词：太阳塔高分辨率光谱观测实验创新教学改革

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月球空间天气探测与研究进展

深空探测学报（中英文） 2024年第2期11卷 159-168页

作者：罗冰显张贤国孙天然白先勇韦飞林瑞淋李磊张珅毅孔令高王馨悦谢良海彭松武唐斌斌张颖洁徐秋予冷双冯鹏远苏杨甘为群封莉田晖陈林杰颜毅华宋永亮刘四清邓元勇空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190 中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100049 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国科学院国家天文台北京100101 中国科学院紫金山天文台南京210023 北京大学地空学院北京100871

稳定的天体地质构造、与地球合适的距离、无稠密大气和全球磁场,使得月球成为日地月空间天气监测和研究的天然优良实验室。回顾了国内外月球空间天气探测和研究进展,梳理了月球空间天气关键科学问题及预报应用问题,提出了建立月球空间... 详细信息

稳定的天体地质构造、与地球合适的距离、无稠密大气和全球磁场,使得月球成为日地月空间天气监测和研究的天然优良实验室。回顾了国内外月球空间天气探测和研究进展,梳理了月球空间天气关键科学问题及预报应用问题,提出了建立月球空间天气监测站的构想,明确了监测站具体科学目标,并介绍了监测站三大系统构成及相互关系,包括监测系统、科学研究系统以及建模与预报系统。建立月球空间天气监测站对研究太阳爆发活动、日地月耦合关系以及月球局地环境的变化具有重要的科学意义,也有利于促进月球空间天气建模和预报技术的发展,提升未来月球科研探索任务空间环境保障能力。

关键词：月球空间天气月球空间天气探测和研究月球空间天气监测站月球空间天气预报

冷湖上的逐日者: 中红外太阳观测探索者AIMS

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中国国家天文 2022年第4期16卷 24-33页

作者：无邓元勇 AIMS项目组国家天文台怀柔观测基地北京天文学会

即将于青海冷湖观测基地建成的中红外观测系统(AIMS)是国际上第一台在中红外波段常规测量太阳磁场的观测系统,也是我国天文领域首个工作在中红外波段的观测设备。分裂的谱线--太阳黑子的塞曼效应磁场是当今太阳物理最重要的观测量之一,... 详细信息

即将于青海冷湖观测基地建成的中红外观测系统(AIMS)是国际上第一台在中红外波段常规测量太阳磁场的观测系统,也是我国天文领域首个工作在中红外波段的观测设备。分裂的谱线--太阳黑子的塞曼效应磁场是当今太阳物理最重要的观测量之一,太阳上发生的一切现象和过程都和磁场密不可分。1896年,荷兰物理学家塞曼发现原子光谱线在磁场发生了分裂,随后洛仑兹在物理上解释了谱线分裂成3条的原因。

关键词：中红外波段太阳磁场谱线分裂塞曼效应原子光谱太阳物理太阳黑子观测设备

基于FPGA的空间太阳磁像仪自校正稳像系统研制

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天文学报 2023年第1期64卷 42-50页

作者：白阳林佳本王东光邓元勇中国科学院国家天文台北京100101 中国科学院太阳活动重点实验室北京100101 中国科学院大学北京100049

太阳磁像仪是开展太阳磁场观测研究的核心仪器,其中的稳像系统是空间太阳磁像仪的关键技术之一,针对深空探测卫星系统对载荷重量、尺寸限制严苛的要求,设计了基于图像自校正方法的稳像观测系统.介绍了一套基于现场可编程门阵列(Field-Pr... 详细信息

太阳磁像仪是开展太阳磁场观测研究的核心仪器,其中的稳像系统是空间太阳磁像仪的关键技术之一,针对深空探测卫星系统对载荷重量、尺寸限制严苛的要求,设计了基于图像自校正方法的稳像观测系统.介绍了一套基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)和数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP),通过基于自相关算法的高精度稳像方法设计,并结合精确偏振调制、准确交替采样控制等系统软硬件设计,克服由于卫星平台抖动、指向误差等因素造成的图像模糊,实现实时相关、校正、深积分的稳像观测系统.针对像素尺寸为1 K×1 K、帧频为20 fps的CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)探测器,实现了1像元以内的实时稳像观测精度.在完成实验室测试后, 2021年6月18日在国家天文台怀柔太阳观测基地35 cm太阳磁场望远镜上开展了实测验证,结果表明该系统能够有效地完成太阳磁像仪自校正稳像观测,获得了更高分辨率的太阳磁场数据.稳像系统的成功研制不仅可以为深空太阳磁像仪的研制提供轻量化、高可靠的精密稳像观测技术方案,也可以为地面太阳磁像仪提供不依赖于操作系统的便捷观测系统.

关键词：太阳:磁场太阳:光球空间飞行器:仪器技术:图像处理

面阵傅里叶变换太阳光谱仪高速采集系统设计与实现

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光谱学与光谱分析 2022年第12期42卷 3842-3850页

作者：朱晓明白先勇林佳本段帷张志勇冯志伟邓元勇杨潇黄威胡兴中国科学院国家天文台北京100101 中国科学院太阳活动重点实验室北京100101 中国科学院大学北京100049

同时或准同时多谱线太阳成像观测可以获得太阳大气三维磁场和热力学参数,是未来太阳观测焦面终端设备的重点发展方向。傅里叶光谱仪具有宽波段、高灵敏度、高光谱分辨率的优势,但因受限于高帧频、大面阵探测器制约,尚未用于太阳光谱成... 详细信息

同时或准同时多谱线太阳成像观测可以获得太阳大气三维磁场和热力学参数,是未来太阳观测焦面终端设备的重点发展方向。傅里叶光谱仪具有宽波段、高灵敏度、高光谱分辨率的优势,但因受限于高帧频、大面阵探测器制约,尚未用于太阳光谱成像常规观测。随着CMOS图像传感器技术迅猛发展,在可见光和近红外波段,探测器面阵大小和帧频相比传统CCD探测器有了质的提升,使得面阵傅里叶太阳光谱仪研制成为可能。通过引入高帧频面阵CMOS图像传感器,针对面阵傅里叶变换太阳光谱仪科学需求,设计了一套高速数据采集软硬件系统,实现了面阵傅里叶太阳光谱仪10 kHz高速触发,万帧/秒快速采集,0.5 GB·s^(-1)大数据量连续、实时存储等功能。在此基础上,依托国家天文台怀柔太阳观测基地现有的IFS-125HR傅里叶变换光谱仪,搭建可见光实验系统,以可见光色球谱线(Hα656.3 nm)及其附近光球谱线为目标波长,开展面源太阳光谱探测。分别以实验室钨灯和太阳为光源,进行等光程差间隔采样,成功获得了面阵干涉图,首次反演得到面源窄带连续谱以及656.3 nm附近太阳色球和光球线。采用交叉定标方式,将得到的太阳光谱与美国国立太阳天文台NSO傅里叶变换光谱仪获得的标准光谱在同等分辨率下进行比较,结果基本一致,验证了新研制的面阵傅里叶太阳光谱仪高速数据采集系统性能及面阵傅里叶变换太阳光谱仪在太阳观测中的可行性。该研究为后续可见光宽波段面阵傅里叶太阳光谱仪的研制奠定了技术基础,同时为“用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统”(AIMS)后续从线源扩展到面源观测积累了宝贵经验。

关键词：太阳傅里叶变换光谱仪 CMOS传感器数据采集

可调谐液晶双折射滤光器的原位定标方法（特邀）

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光子学报 2023年第5期 104-113页

作者：侯俊峰孙英姿林佳本张洋王东光邓元勇张志勇中国科学院国家天文台中国科学院大学天文与空间科学学院

为了降低向列液晶调制器的相位延迟漂移影响以提高可调谐液晶双折射滤光器的透过轮廓和谱线定位精度，提出了一种基于傅里叶分析的非线性拟合原位定标方法。该方法从偏振干涉理论出发，利用傅里叶分析获得双折射滤光器每一级的相位偏移... 详细信息

为了降低向列液晶调制器的相位延迟漂移影响以提高可调谐液晶双折射滤光器的透过轮廓和谱线定位精度，提出了一种基于傅里叶分析的非线性拟合原位定标方法。该方法从偏振干涉理论出发，利用傅里叶分析获得双折射滤光器每一级的相位偏移量；然后建立相位偏移量与向列液晶调制器相位延迟漂移量的函数模型，最终采用非线性拟合法获得相位延迟漂移量，从而实现双折射滤光器的原位定标。误差分析和实验研究表明，该方法对滤光器的晶体参数以及前置滤光片的误差依赖较弱；测量方法简单便捷，一次测量即可完成定标；相位延迟漂移量的定标精度优于5°，对应双折射滤光器（带宽0.01 nm）的线心漂移量小于0.000 3 nm。

关键词：太阳望远镜双折射滤光器向列液晶调制器相位延迟原位定标

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空间太阳物理学科发展战略研究

空间科学学报 2023年第2期43卷 199-211页

作者：颜毅华邓元勇甘为群丁明德田晖朱小帅中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院国家天文台北京100101 中国科学院紫金山天文台南京210023 南京大学天文与空间科学学院南京210008 北京大学地球与空间科学学院北京100091

太阳物理学是研究太阳上发生的物理过程及其对行星际空间环境影响的学科。太阳是人类唯一可以进行细致探测的恒星,也是天然的多尺度过程并存的等离子体实验室,同时,太阳活动直接影响日地空间环境和人类地球家园的宜居性,剧烈的太阳活动... 详细信息

太阳物理学是研究太阳上发生的物理过程及其对行星际空间环境影响的学科。太阳是人类唯一可以进行细致探测的恒星,也是天然的多尺度过程并存的等离子体实验室,同时,太阳活动直接影响日地空间环境和人类地球家园的宜居性,剧烈的太阳活动如耀斑和日冕物质抛射还会影响人类的航天航空、通信导航、电网等高技术活动与设施。因此对太阳物理的研究不仅是理解浩瀚宇宙的基石,也是理解日地联系和行星宜居性的基础,同时还是国家在航天和空间安全领域的战略需求。21世纪以来,随着卫星探测技术发展,太阳物理学进入了全新的发展阶段。本文梳理了近年来太阳物理学在空间探测中的发展态势,凝练中国太阳物理学未来空间探测发展的重点领域,优化学科布局,推进太阳物理的高质量发展。

关键词：太阳物理空间探测发展动态战略规划

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逐日未来时--太阳的三大未解之谜

少先队员（知识路） 2022年第11期 23-25页

作者：邓元勇杨尚斌中国科学院国家天文台

太阳是距离地球最近的恒星,为地球生物提供赖以生存发展的光和热。同时,太阳对地球有巨大影响,其总辐射变化(缓慢、时间尺度大)调控地球长期气候变化,太阳耀斑等剧烈活动(剧烈、快速)导致的太阳风暴则可能对航空航天、导航通信等高技术... 详细信息

太阳是距离地球最近的恒星,为地球生物提供赖以生存发展的光和热。同时,太阳对地球有巨大影响,其总辐射变化(缓慢、时间尺度大)调控地球长期气候变化,太阳耀斑等剧烈活动(剧烈、快速)导致的太阳风暴则可能对航空航天、导航通信等高技术系统及远距离输油、输电、输气等系统造成灾害性后果。

关键词：太阳耀斑太阳风暴时间尺度辐射变化剧烈活动地球生物航空航天长期气候变化

空间用液晶可变相位延迟器相位延迟测试系统的电子学设计

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液晶与显示 2022年第7期37卷 849-860页

作者：黄威林佳本侯俊峰张洋朱晓明邓元勇王东光中国科学院国家天文台北京100101 中国科学院中国科学院太阳活动重点实验室北京100101 中国科学院大学北京100049

液晶可变相位延迟器(LCVR)由于其调制速度快、重量轻、无运动部件等特点成为空间光学仪器中新的研究热点。然而,LCVR中的液晶属于高分子材料,其空间适应性有待考核验证。由于地面环境模拟试验无法同时还原太空中的所有参数,因此亟需研... 详细信息

液晶可变相位延迟器(LCVR)由于其调制速度快、重量轻、无运动部件等特点成为空间光学仪器中新的研究热点。然而,LCVR中的液晶属于高分子材料,其空间适应性有待考核验证。由于地面环境模拟试验无法同时还原太空中的所有参数,因此亟需研制一台符合卫星搭载要求的LCVR空间特性试验仪,来研究液晶器件在真实星载环境下的电光性能(相位延迟-电压曲线稳定性)。本文分析了LCVR延迟测试系统的稳定性,并给出LCVR相位延迟-电压曲线的电子学测量方案。首先使用“零点”标定法设计了高稳定度的LCVR驱动;然后使用变频误差控制法,实现了LCVR的高精度恒温控制。其中LCVR驱动稳定度达到99.3%,LCVR恒温精度最高达到(35±0.1)℃。在此基础上,对整机进行了力、热和电磁兼容试验,结果表明待测LCVR和电子学系统功能稳定,成功完成了LCVR这一首飞器件的空间光电测试系统在我国的首次研制,对液晶的空间化应用有着重要意义。

关键词：液晶器件液晶可变相位延迟器偏振调制恒温控制