深圳市天文台Hα全日面望远镜

JUL 2017

深圳市天文台Hα全日面望远镜

梅林 王栋 何智宁

（深圳市国家气候观象台即深圳市天文台 广东 深圳 518040）

摘 要：Hα全日面观测是太阳观测中的重要组成，通过对太阳Hα全日面的观测，可以得到太阳黑子、耀斑、

谱斑、日面暗条以及边缘日珥等活动信息，这些信息不仅在太阳物理研究中有重要价值，而且在天文科普中，

具有直观，生动，可操作实验性强等优势。深圳市天文台于2011年和2017年先后安装了两台Hα全日面望远镜。

本文介绍了深圳市天文台Hα全日面望远镜的设计和结构，并对两台望远镜的结构和观测图像进行初步对比。

关键词：Hα全日面；色球望远镜；CCD；太阳活动

现状分析

Hα谱线形成于太阳色球层，是色球发射的可见光区

最强谱线，对太阳耀斑、色球冲浪等活动现象以及暗条、

色球纤维等结构特征都有非常明显的观测表象，是太阳活

动监测和研究中应用最为广泛的一条太阳谱线[1]。

随着望远镜光学技术的发展和大尺寸CCD的运用[2]，

全球大部分天文台都开展Hα全日面的观测，例如，中

国科学院国家天文台1994年建成口径14厘米，带宽为

0.5埃的Hα全日面望远镜；中国科学院云南天文台在

2005年对原有的18厘米口径的Hα色球望远镜进行了升

级改造，满足了国际全日面色球联测中资料成像的要求；

全球高分辨率Hα网[3]（Global High-Resolution Hα

Network）的9个成员每年开展至少300天的Hα全日面

观测。

深圳市天文台位于广东省深圳市大鹏新区南澳半岛，

距离市区80公里，地理坐标为北纬22°28.94′，东经

114°33.36′，海拔170米，其东、南、西三面环海，

周围无遮挡。该地区属于亚热带季风气候，近3年该地

区以东风为主导风，年平均风力3.9米/秒，年平均气温

22.1度，最高气温35.1度，最低气温5.4度，年均降雨

量2027.5毫米，年均日照1998小时。

2013年6月15日至22日，中国科学院云南天文台

选址与日冕观测组对深圳市天文台的白天视宁度进行了

初步测量，结果表明，视宁度r0的均值为7.6厘米[4]，

较好时r0的可达到9.5厘米。

仪器介绍

1.10厘米全日面Hα望远镜

深圳市天文台于2011年5月份安装了第一台Hα全

日面望远镜，该望远镜主镜为日本高桥TOA130折射望远

镜，主镜口径为130毫米，焦距1000毫米，为三片式复

消色差光学结构，望远镜主镜前端安装美国Lunt Solar

System生产的 Hα干涉滤光器，其有效通光口径为

100毫米，中心波长656.28纳米，通带带宽为0.7埃，

后端在焦平面之前分别安装直径50.8毫米的红外截止滤

镜和Hα窄带滤镜，可在望远镜焦平面上获得直径9.3毫

米的Hα全日面像，终端采用加拿大PointGrey的GS3-

U3-60S6M-C型号单色CCD，每个像素元对应的空间分辨率

为0.94角秒，图1为100毫米Hα全日面望远镜结构图。

该望远镜每天观测，并用于太阳表面活动事件的监测[5]，

图像通过深圳市天文台网页发布[6]，图2为100毫米

Hα全日面望远镜观测到的太阳谱斑。

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新经济

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调 研

图1 100毫米Hα全日面望远镜结构图

(a)(b)

图2󰀁󰀁2014年2月26日观测到的AR11982活动区的谱斑爆发

2.18厘米全日面Hα望远镜。

为了获得更高分辨率，更高对比度的Hα全日面像，

深圳市天文台于2017年4月安装了一台口径为180毫米

的Hα全日面望远镜，考虑到安装望远镜的地面主要由瓷

砖铺成，白天观测时在阳光直射下温度较高，会形成比

较大的温度梯度，近地面大气湍动对观测影响较大，为

尽量避免近地面湍流影响，新的180毫米Hα全日面望

远镜被安装在距离地面6米高的位置。该望远镜主镜为

德国APM公司的180毫米口径的复消色差折射望远镜，焦

距为1260毫米。主镜前端安装有效通光口径为180毫米

的巴德（Baader）太阳光减能滤镜（Energy Rejection

Filter），该滤镜有一个以656.28纳米为中心波长，带宽

为45纳米的透过窗口，能够反射除透过窗口外从280纳

米到1500纳米之间的入射光，保证了镜筒在长时间工作

条件下不会过热。在主镜后端安装了一个4倍增倍镜组，

该镜组将透过主镜入射角度较大的光路尽可能改变为平行

光，入射到Hα干涉滤光器，该滤光器采用美国DayStar

专业版（Professional Edition）定制干涉滤光器，有效

通光口径为48毫米，中心波长656.28纳米，带宽（FWHM）

为0.3埃，观测波长可调范围656.18纳米至656.38纳

米，在干涉滤光器后安装一个带平场改正镜的0.33倍减

焦镜组，保证了焦平面的成像质量，整个系统折合焦距为

1663毫米，最终在焦平面上可获得直径约15毫米的Hα

全日面像，终端采用德国PCO型号为4.2高量子

效率版单色SCMOS，每个像素元对应的空间分辨率约为0.8

角秒，为得到Hα全日面像，将开发自动观测拼接程序，

目前该工作正联合中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基

地[7]进行开发，本文就不进行深入讨论。图3为180毫

米Hα全日面望远镜结构图。

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JUL 2017

󰀁󰀁图3󰀁󰀁180毫米Hα全日面望远镜结构图

(a)(b)

󰀁图4󰀁󰀁2017年5月28日观测到的AR12656、AR12659活动区，可见表

面的谱斑爆发活动和边缘的日珥，Hα全日面图像为拼接得到

3.两台Hα全日面望远镜对比

相比100毫米Hα全日面望远镜，新的180毫米口径

的Hα全日面望远镜具有如下优势：

（1）有效通光量为原来的3倍以上，表1为两款滤光

器参数对照，Daystar滤光器各方面性能更加优越，滤光

器带宽为0.3埃，可以电动调节透过波长，调节精度达到

0.1埃，具备了Hα谱线扫描的功能，可以根据需要调节

谱线位置，实现线心和线翼的对比观测。在保证成像亮度

的前提下，能够提升望远镜空间分辨率、观测图像对比度

以及表面细节；

（2）在主镜前端安装反射太阳光的减能滤镜，有效反

射了红外光波，相比原来的100毫米Hα全日面望远镜的

以吸收入射太阳光为主的减能滤镜，能够保证整个望远镜

系统的恒温，不至于过热产生湍流而影响成像质量；

（3）采用在主镜后端安装带宽更窄的干涉滤光器，能

够获得对比度更清晰，日珥暗条等更多细节的Hα全日面

像，同时相比在主镜前端安装大口径干涉滤光器的方法，

还能够降低制造大口径干涉滤光器的难度和成本；

（4）4.2高量子效率版单色SCMOS具有更高

的灵敏度、更高量子效率、更宽的动态范围以及更大的成

像面积，表2为两款终端相机参数对照，在更长焦距的光

路情况下能够获得更清晰的Hα全日面像，能够同时观测

日面上亮度差异较大的活动现象，例如较亮的谱斑以及较

暗的暗条和日珥，同时，该相机在最高分辨率时能够达到

40帧每秒的帧速率，可以有效冻结大气视宁度给图像清

晰度造成的影响，在短时间内可获得较多高质量的图像。

图4为同时观测到的谱斑、环状日珥和暗条。

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新经济

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调 研

表1󰀁󰀁󰀁两款滤光器主要参数

品牌型号Lunt LS100 Hα FilterDayStar 0.3QPE Hα Filter

安装方式前置（图1）后置（图3）

透过带宽0.7Å0.3Å

波长6563Å6562.8 ű 1.0 Å

波带调节方式手动调节电动调节（精度0.1Å）

重量3600g453.6g

图片

表2󰀁󰀁󰀁两款终端相机主要参数

参数PointGrey GS3-U3-60S6M-C单色CCD4.2高量子效率版单色SCMOS

芯片型号Sony ICX694 CCDCIS2020A

有效像元总数2376(H) x2192(V)2048(H) x2048(V)

像元尺寸4.54 µm(H) x 4.54µm(V)6.5 µm(H) x 6.5µm(V)

芯片有效面积10.78mm(H) x 9.95mm(V)13.3mm(H) x 13.3mm(V)

帧速率13 FPS@2736 x 219240 FPS@2048 x 2048

峰值量子效率

制冷 73%（525nm）

无82%（500nm）

风冷（低于环境温度27℃）

读出噪声10.54e-0.8 e-

满井电荷14446e-30000e-

动态范围62.34dB91.5dB

AD转换14位16位

接口类型USB 3.0USB3.0

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JUL 2017

结束与展望：深圳市天文台Hα全日面望远镜将在

太阳活动监测及研究中发挥重要作用，2017年1月，深

圳市天文台Hα全日面望远镜正式加入国家空间天气监测

预警中心观测体系，将联合山东石岛Hα全日面望远镜，

以及即将建成的新疆塔什库尔干县Hα全日面望远镜，开

展联合监测。

致谢：感谢中国科学院云南天文台选址与日冕观测组

对深圳市天文台白天视宁度的观测测量和抚仙湖太阳观测

研究基地对Hα全日面望远镜圆顶升级改造的宝贵建议。

感谢中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地对CCD自动

观测数据处理以及图像拼接程序开发的支持。

参考文献：

[1] 林元章.太阳物理导论[M].北京:科学出版社，

2000:34-35.

[2] 杨云飞、冯松、季凯帆、云南天文台Hα全日

面望远镜4K*4K CCD性能测试[J].天文研究与技术，

2014(1).

[3] Global High-Resolution Hα Network [OL].

[2015-12-15]. /ghn_web/

network/。

[4] 刘立勇、姚永强、天文台址大气光学湍流探测

技术[J].天文学进展，2010[12]：2-3。

[5] 杨培强、何智宁、跟踪记录的三次日珥现象及

分析[J].科技风，2017[06].

[6] 深圳市天文台太阳实况网站[OL].[2015-12-

15]. /twtsun/。

[7] 中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地网页

[OL]. [2017-05-20]. /index1.

html。

Soalr Full-Disk Hα Telescopes at Shenzhen

Astronomical Obrvatory

Mei Lin, Wang Dong, He Zhining

(Shenzhen National Climate Obrvatory (Shenzhen

Astronomical Obrvatory), Shenzhen 518040,

Guandong, China)

Abstract: Hα full disk obrvations is a key

diagnostic for determining the solar Activities in

chromosphere, such as spots, flares, flaments and

prominences, which are important in solar physics

rearch, and also valuable resources for scientific

popularization. 2 solar full-disk Hα telescopes

had been installed in 2011 and 2017 at Shenzhen

Astronomical Obrvatory respectively. This paper

describes and compares the details of the design,

structure and obrvations of the 2 telescopes.

Key words: Hα solar full disk; Hα solar

telescopes ; CCD; Soalr Activities

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