宋 琦，徐路耀，闫 晗，骆 怡，许知涯，钟 泽，刘维新

(山东大学(威海)空间科学与物理学院空间科学研究院，山东 威海264209)

日冕是很多太阳物理现象的发生地，也是影响近地空间环境和驱动日地空间灾害性天气的主要推手.如日冕物质抛射(Coronal mass ejection，CME)是太阳表面最剧烈的大尺度爆发过程之一，特别是CME朝向地球传播时，将会引起地磁暴、电离层暴以及极光等地球物理效应[1].深入分析日冕演化和爆发过程对太阳物理研究和空间天气预报都至关重要.对日冕的空间观测研究始于20世纪70年代，多个卫星平台携带的日冕仪得到了很多重大发现[2－3].目前，各国正在多方面开展日冕和日冕观测仪器的相关研究，其中STEREO双子卫星就是为了得到日冕的三维结构而特殊设计的，预期的研究成果将能解开日冕加热、CME爆发等诸多难题[4－5].

在我国，对太阳的深空探测还处于起步阶段，太阳物理专业人才培养也需要从教学环节就重视.由于太阳表面的物理现象在实验室中无法重现，因此相关课程的教学还主要基于课本的理论知识，实验教学手段非常有限.虽然有卫星图像可展示，但学生对获得数据的探测过程并不了解，包括日冕仪的工作原理等，尤其是如何由2D图像得到3D立体结构的技术[6].进一步拓展课堂教学思路，使学生更直观认识日冕结构，了解卫星数据重建的方法，成为专业课开展演示实验教学的主要目的.

本文提出一种可直观展示日冕形态及其3D观测方法的教学演示系统，可用于太阳物理和空间探测技术等课程.该系统基于STEREO双子卫星的运动方式，包括2个模拟的外掩式日冕仪、自动控制系统以及一整套3D重建算法.利用该演示系统可以在课堂上让学生更好地理解日冕的基本形态、空间日冕仪获得图像数据的工作原理和过程，并学会对日冕观测数据的初步处理方法，从而使太阳物理课程教学能够“落地”，加入部分可实际操作的实验及研究内容.

1 演示实验系统设计原理

日冕及其观测演示实验系统主要包括4部分：模拟的太阳光源(包括不同形态结构的日冕)、双外掩式日冕仪、双子卫星绕太阳轨道的自动运行系统、日冕立体结构3D重建程序.为了最大限度模拟实际情况，各部分的相对大小比例都参照太阳和空间日冕仪的参量.同时为了降低系统成本，元器件都尽可能在满足使用要求的前提下选择用常见的产品部件.

系统的原理框图和设计图如图1所示.其中模拟太阳光源采用LED等作为中心发光体，外加直径约为12cm的球形白色半透明玻璃罩，以模拟光球部分.与光球发光相比，日冕的光非常弱，形状也随稀薄等离子体抛射而时刻发生变化.演示系统中采用透光度较强的软塑料条来模拟日冕中的线状结构，即冕流.塑料条本身不能发光，在中心光源的照射下可以形成反射光，部分光通过塑料条根部导入，也可以形成发光.这与实际的日冕发光主要是散射光球光和部分等离子体发光相一致.在日冕仪的探测周期内，日冕的形态变化很小，可以认为是准静态的，因此该设计可基本满足实验要求.

图1 演示实验系统

日冕探测需要专门的仪器，即日冕仪.STEROE双子卫星上每个都搭载了白光日冕仪，其中COR－2是外掩式日冕仪[3].同样的情况，实验过程中需要在模拟太阳的强光背景下对模拟日冕的弱光进行探测，因此设计模拟日冕仪为外掩式，由摄像头改造而成.在摄像头前的特定位置放置黑色圆形遮光片作为外掩体，其大小与距离关系正好满足遮挡模拟太阳的光球部分，而使日冕部分能够聚焦成像.摄像头选取可手动调焦的摄像头，视场能够覆盖日冕部分.由于遮光片处于离焦位置，不可避免会产生减晕，将其外边缘做得尽量尖锐以减少对光球边缘部分的日冕成像的影响.双日冕仪的实物如图2所示.

图2 模拟的双外掩式日冕仪

为模拟STEREO双子卫星的工作模式，演示实验系统需要驱动2个日冕仪沿圆形轨道(卫星轨道接近圆周)以一定的角速度差运行.为此设计了由计算机控制2个步进电机，再各自通过齿轮减速，带动双轴转动.步进电机的输出由涡轮蜗杆结构提供，可增大输出力矩.双轴结构各由水平杆连接2个模拟日冕仪的支杆，从而带动其在水平面内围绕居中中心的模拟太阳沿圆周运动.合理选择减速齿轮的传动比以及步进电机的转速，可以模拟STEREO双子卫星的运行，两日冕仪的相对角速度会很小.完成的装置实物如图3所示.

图3 双日冕仪自动控制装置

演示实验系统的装配为：下平面板为直径约1m的圆形底板，其上固定2套步进电机、控制器及驱动电源等.在底板中心固定双层中心轴，由齿轮连接双轴与步进电机输出轴，实现步进电机控制中心轴转动.在圆板四周装有4根柱形支架，以支撑直径为1m的圆形顶板.顶板上装有2根模拟日冕的支杆，其通过水平杆与双轴连接，可实现双日冕仪的单独控制.演示实验系统在计算机控制下实现自动运行，并实时捕获模拟日冕的图像，输入计算机进行3D重建，完成数据处理.

2 系统运行及实验设计

根据设计的演示系统，可确定实验步骤为：

1)点亮模拟太阳光源，观察光球部分发光引起日冕发光的方式，并根据实物初步了解日冕的结构、分布等外部形态，包括抛射状、环状等，更直观认识太阳外层大气日冕的常见结构.

2)设置步进电机控制器，读入单日冕仪运动控制程序，模拟STEREO－A卫星携带日冕仪在绕太阳轨道上运动，直观感受空间日冕仪的工作状态.同时了解外掩式日冕仪的工作原理，初步理解日冕仪在轨运行的实际情况，以及对日冕进行观测的工作机制.

3)调整步进电机控制器，读入双日冕仪运动控制程序，模拟STEREO双子卫星携带日冕仪在轨运行，并设定拍摄间隔将模拟日冕仪获得的图像数据经USB接口传输至计算机.摄像头读取程序在Matlab平台上运行，模拟卫星获取日冕图像流程，展示日冕仪的观测过程.

4)给整个演示实验系统盖上遮光罩，模拟空间观测环境，设置步进电机进入双日冕仪运行模式，设定日冕仪自动拍摄时间和保存路径.模拟拍摄完成后，在Matlab平台上运行日冕3D重建程序，得到模拟日冕的三维结构图，并与其实际形态相比较，进行误差分析.

该模拟实验系统一方面可以在课堂上展示日冕及其探测的相关知识，也可以作为课后实验由学生自己动手设置卫星运行参量，编制重建算法.建议通过该演示实验可实现如下教学任务：

1)模拟太阳表面的各种日冕结构形态，让学生直观认识太阳外层大气日冕常见结构，以及日冕发光的物理原因，从而产生对太阳物理和空间观测的学习兴趣.

2)根据实物学习日冕仪的构造和遮挡太阳光球拍摄光强很微弱的日冕的工作原理.外掩式日冕仪作为观测太阳的一类重要科学仪器，已经搭载多个卫星平台.通过演示实验学生可实际操作观察日冕仪在强光背景下获得弱光信号的方法.

3)由模拟太阳探测卫星在轨运行模式学习空间观测技术的相关内容，包括对STEREO双子卫星轨道的初步认识，利用2个日冕仪进行观测得到不同角度的日冕图像的差异，以及将获取的数据输入到计算机完成3D重建的方法.

该演示系统的部分实验内容可根据课堂教学进度和实验室条件选作，尤其是对日冕空间结构实现3D重建的算法还处于研究阶段，可作为研究生课程的实验内容，使课堂学习与研究热点能对接起来，提高学生的学习兴趣.

3 数据处理及实验效果

为了让学生能够更清楚如何对空间探测卫星的观测数据进行处理，获得日冕得空间结构，在图像处理算法基础上[7]，设计了反演算法进行数据处理，其具体方法为：

1)在同一时刻获取模拟日冕的2幅图像数据，并对图像进行预处理，包括对齐图像、去除背景和噪声等干扰信号，得到日冕的二维图像信息.

2)基于SIFT算法对2幅图片中的特征点进行匹配，得到部分特征点在2幅图中被认为实际是日冕结构的同一个点.

3)根据原图对图像进行分割处理，将日冕的前景分离，并使用数字图像处理中相关算法找出模拟日冕条状结构的骨架.

4)建立基于三角法的坐标变换关系，将特征匹配得到的点和分割出来的点进行坐标变换，得到日冕各点的三维坐标.

5)在空间坐标系中重画日冕结构，并将其结果与实验中的实际测量值相比较，进行误差分析以评价重建精度.

图4中为模拟日冕的重建结果(红线标出)与实测值(白线标出)的比较.从中可以看出，二者符合得很好，重建数据误差在实验误差范围内.

图4 日冕三维重建数据结构

4 结束语

针对空间物理和空间技术专业的本科生和研究生专业课教学，设计了日冕及其观测的演示实验系统，通过模拟在轨的STEREO双子卫星观测情况，实现由日冕二维图像数据反演获得三维空间结构的整个观测流程.通过该演示实验，学生可以直观地了解日冕的形态，学习日冕仪的工作机制和空间探测卫星的工作模式，并掌握3D重建算法的核心思想.在进一步的研究工作中，还需要优化实验系统的硬件设计，尤其是模拟太阳和模拟日冕的结构，使其更能够反映实际情况.对于日冕3D重建算法还需要进一步改进，扩展算法的适用范围，使其能够处理环形的日冕结构.

[1]Raymond J C.Imaging the Sun’s eruptions in three dimensions[J].Science，2004，305(5680)：49－50.

[2]尤建圻.空间日冕观测进展[J].天文学进展，1999，17(4)：299－308.

[3]曾昭宪，彭国义，魏雅利.天基日冕仪发展现状[C]//第22届全国空间探测学术讨论会论文集.2009.

[4]Howard R A，Moses J D，Vourlidas A，et al.Sun Earth connection coronal and heliospheric investigation(SECCHI)[J].Space Sci.Rev.，2008，136(1/4)：67－115.

[5]张雪飞，刘煜，申远灯，等.STEREO卫星的CME观测研究进展[J].天文学进展，2012，30(2)：159－171.

[6]Aschwanden M J.4－D modeling of CME expansion and EUV dimming observed with STEREO/EUVI[J].Ann.Geophys.，2009，27(8)：3275－3286.

[7]杨帆，王志陶，张华.精通图像处理经典算法[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.