基于参数模型的一米新真空太阳望远镜偏振定标方法研究

1 meter New Vacuum Solar Telescope (NVST) is an important ground optical solar telescope in China. The method of polarization calibration of the telescope is an important research field for achieving the high accuracy solar magnetic field observatory by the NVST. For realizing the polarimatric accuracy goal of 1e-3, the calibration method based on the parameterized polarization model of the telescope should be used, by considering of the structure and operating mode of the NVST. Recently, a simplified model fitting is achieved, whose fitting precision is about 2%. The reason of not getting the goal accuracy can be summaried as following: Firstly, the effect of vacuum windows along the Coude trains is igored; Secondly, the thermal shift of the polarization state generated by the calibration unit isn’t considered, due to the thermal load in vacuum environment; Finally, the calibration of the end-instrument haven’t be implemented. For solving these problems above, we propose a research plan for building a completed parameterized model and a corresponding algorithm for solving these parameters by calibration data, and the opto-thermal polarization property of these optics is considered. At the same time, an accurate calibration method of end-instrument system including the adaptive optics will be realized also in the plan. The method building in this plan will be adopted by the New Solar Telescope in Big Bear Solar Observatory, US, for improving their current calibration technology. Finally a cross calibration between the two spectro-polarimeters of the two telescopes will be implemented.

一米新真空望远镜（简称NVST）是我国重要的地面光学太阳观测设备。偏振定标方法是其实现高精度太阳磁场测量的重要研究内容。NVST的结构和工作方式要求它必须采用参数模型定标方法才能实现期望的1e-3偏振定标精度。目前，NVST已经初步实现了定标数据与简化模型的拟合，精度为2%，但距期望的定标精度，以及模型校正在观测中的实用化还有一定的距离。其主要原因在于：首先，简化模型没有考虑折轴光路中真空封窗的偏振效应；其次，定标方法没有考虑定标单元在真空热载荷下偏振特性的漂移；最后，没有开展终端定标方法的相关研究。为此，本项目提出为NVST研究并建立一套完善的定标模型和求解方法，并考虑元件光热效应对观测和定标的影响，使NVST实现期望的偏振测量精度。同时，建立终端仪器和自适应光学系统的偏振定标方法。以上方法将同样被用于完善美国新太阳望远镜（简称NST）的现有定标技术，并最终实现两台望远镜偏振测量系统的相

精确的偏振定标是一米新真空太阳望远镜（NVST）磁场测量技术的关键。2017年以来，我们利用安装在望远镜内部的偏振定标单元对其进行了大量的定标观测，积累了覆盖全年的偏振定标数据。基于这些数据，我们对NVST偏振定标的数据处理与分析方法展开了全面的研究，并在实验室建立高精度的偏振元件测量与测试系统。在研究中，我们创造性的提出并实现了基于人工神经网络的物理与机器学习复合模型定标方法。该方法克服了理想物理模型对复杂光学系统偏振特性精确刻画的困难，提高了NVST的偏振定标精度和定标观测效率。.在实验室，我们搭建了基于旋转波片的偏振测量系统，用于测量偏振定标单元和偏振分析器中波片的延迟。通过理论和数据分析，该系统对波片延迟的绝对测量精度达到了±0.03度一下，重复精度为0.02度。当该设备用于缪勒矩阵测量时，其空载矩阵的测量精度达到了0.002水平。在定标数据分析方面，全物理参数模型对仪器起偏的拟合精度达到了0.008水平，对仪器偏振交扰的拟合精度达到0.02水平。利用机器学习复合模型我们消除了物理模型拟合残差中的系统误差成分，并将仪器交扰的定标精度提高到0.01以下。.通过本项目研究，我们实现了一米新真空太阳望远镜10-3量级的偏振定标精度，为该望远镜的高精度磁场测量奠定了基础。同时，在本项目的研究过程中，我们建立的实验室偏振测量方法，标准和体系也将用于我国下一代大口径太阳望远镜偏振光学设计与仪器研制。作为第一架自主研制的米级太阳望远镜，NVST偏振定标方法随我国当前正在研制的大口径太阳望远镜的偏振设计与观测方法具有重要的借鉴意义。