《Instruments》：Observational Technological Innovations and Future Development of the Lijiang Coronagraph
Xuefei Zhang,
Yu Liu,
Tengfei Song,
Mingyu Zhao,
Xiaobo Li,
Mingzhe Sun,
Feiyang Sha and
Xiande Liu
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为解决高海拔环境下日冕观测中杂散光干扰、数据校准精度低、观测效率不足等问题，研究人员对丽江日冕仪（YOGIS）进行了系统性技术升级与多通道集成。通过自主研发的自动化控制、双波段观测、杂散光抑制（基于清洁前后图像差分法）与高精度图像配准技术，显著提升了观测效率与数据质量。研究进一步发现日冕绿线亮度与磁场强度在1.1 R⊙高度高度相关（相关系数最高达0.82），且绿线与SDO/AIA 211 ?波段具有强相关性（0.89–0.99），为日冕加热机制、太阳风起源及日冕物质抛射（CME）预警提供了关键数据支撑。该成果不仅推动了我国低纬度日冕观测技术从跟跑到并跑的跨越，也为下一代大口径日冕仪的研发奠定了技术基础。
太阳的外层大气——日冕，看似宁静，实则隐藏着太阳物理中最前沿的奥秘：日冕为何比太阳表面还要炽热？太阳风如何从日冕中加速并吹向行星际空间？那些被称为日冕物质抛射（CME）的巨型等离子体云爆发，又如何影响地球的空间环境？要回答这些问题，我们必须“看清”日冕。然而，日冕的亮度仅及太阳光球层的百万分之一，如同在探照灯旁观察烛光，常规观测几乎被强烈的太阳光完全淹没。地面日冕仪通过“人造日食”技术，突破了只能在日全食短暂瞬间进行观测的自然限制，成为常态化日冕观测的核心设备。其中，高海拔地区以其大气湍流弱、背景亮度低、晴日多等独特优势，成为建设地面日冕仪的首选之地。
位于云南丽江天文观测站（海拔3200米）的丽江日冕仪（YOGIS），作为我国低纬度高海拔地区的核心地面日冕观测设施，正是在这样的背景下应运而生。它最初是中国科学院云南天文台与日本国立天文台（NAOJ）合作，在NOrikura绿线成像系统（NOGIS）基础上增强迭代而来。然而，当它从日本迁至丽江后，面临着高海拔低压环境、更新后的科学目标、系统集成升级，以及太阳活动峰年对太阳爆发事件高时间分辨率观测的新需求等多重挑战。其原有的观测环境、探测器性能和操作系统，已难以满足日冕观测对高信噪比、高分辨率和多设备集成观测的要求。
为此，研究团队对YOGIS进行了系统的技术升级和多通道观测系统集成。核心目标是使其适应丽江极端的高海拔观测环境，提升时间分辨率，并增强设备的自主观测能力。这些技术创新与科学发现，不仅为日冕加热机制、太阳风起源等基础科学问题提供了高质量观测数据，也为我国后续地面日冕仪的自主研发及多波段升级改造提供了可复用的技术范式和工程实践基础，对我国低日冕观测实现从“跟跑”到“并跑”的国际跨越具有重要的战略意义。本论文发表在仪器领域专业期刊《Instruments》上。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几项关键技术方法：首先，观测平台重建与智能化升级，包括新建高自然频率观测墩、引入ASCOM-Alpaca开源天文控制平台重构观测控制系统，实现了自动化、多模式（标准、快速、工程调试）观测。其次，多通道观测系统构建，将原有CCD探测器升级为高像素冷却CMOS，并新增日冕红线（Fe X 6374 ?）观测通道，通过光路色散补偿技术实现绿线（Fe XIV 5303 ?）与红线的交替观测。第三，杂散光抑制技术突破，创新性利用原光学路径开发“尘埃检测模式”，可视化物镜表面灰尘分布，并提出了基于清洁前后图像差分的定量扣除方法，建立了尘埃散射背景的径向衰减模型。第四，高精度图像校准与多波段配准技术，开发了自动高精度配准算法（APRIL），以SDO/AIA 211 ?极紫外图像为参考，将地面日冕图像成功映射到日心投影直角坐标系（HCC），实现了亚角分级的配准精度。
研究结果
3.1. 观测平台的重建
早期YOGIS观测平台缺乏圆顶，仅配备定制化防雨设备。为提升稳定性，2017年新建平台墩体的自然频率提高至12 Hz以上，有效抵御了风力和地面振动等外部干扰，为高精度跟踪观测提供了结构保障。同时建成的高空日冕仪试验基地，为我国关键日冕仪技术的研发和验证提供了平台。
3.2. 观测控制系统的智能化升级
引入ASCOM-Alpaca平台对观测控制系统进行重构升级，将望远镜、指向跟踪、环境监测等子系统有机整合，并设计了标准、快速、工程调试三种观测模式。升级后，系统可用性达92%，平均故障间隔时间（MTBF）约1100小时，观测时间利用率从65%提升至90%。
3.3. 多通道观测系统的构建
将原有的1024×1024像素CCD探测器升级为2048×2048像素的冷却CMOS探测器，显著提升了视场细节捕获能力。通过光路设计增加了日冕红线观测通道，并利用光路色散补偿技术确保了双波段观测的空间对准精度，实现了绿线与红线的交替连续观测。
3.4. 杂散光抑制技术的突破
利用NOGIS原有的尘埃成像光路，开发了“尘埃检测模式”，可对物镜表面灰尘进行全景成像。基于此，提出了清洁前后图像差分法，首次建立了日冕仪中尘埃散射背景的径向衰减模型。应用自适应背景扣除算法后，平均背景强度显著下降，信号与本底起伏比提升30%，增强了微弱日冕结构的可见性。
3.5. 高精度图像校准与多波段配准技术
针对掩食盘与太阳对不准导致的图像定位难题，Sha Feiyang等人提出了自动高精度配准算法（APRIL）。该算法以SDO/AIA 211 ?图像为参考，实现了地面日冕绿线图像与参考图像的精确配准，在数据质量最优条件下配准精度优于0.1′。该方法已利用YOGIS和SICG的观测数据进行了广泛验证。
4.1. 日冕结构与活动观测
利用YOGIS的二维日冕绿线图像，结合SDO/HMI的光球磁图，通过势场源表面（PFSS）模型计算日冕磁场强度并进行相关性分析。研究发现，绿线强度与磁场强度的相关系数在1.1 R⊙高度达到最大值0.82，此处恰好对应闭合冕环的顶部。在±40°纬度范围和整个卡林顿周（CR 2143，27天）的扩展研究中，最大相关系数始终出现在1.1 R⊙。这澄清了1.1 R⊙高度在日冕物理研究中的特殊作用，为慢太阳风起源和日冕加热机制研究提供了新线索。此外，YOGIS日冕绿线与SDO/AIA 211 ?波段的相关系数高达0.89–0.99，证实了内冕等离子体物理状态的一致性，形成了地基与天基观测的互补衔接。YOGIS还能通过其快速可调Lyot滤镜获取±0.45 ?线翼图像，测量日冕等离子体的视向速度，这为研究日冕动力学、波传播和质量流提供了空间极紫外观测所不具备的信息。
4.2. 日冕物质抛射（CME）预警
YOGIS在快速模式（每帧15秒）下的高时间分辨率绿线观测，能够准确捕捉CME的动态演化过程。研究表明，在一次C级耀斑后，YOGIS在日面西边缘观测到一个亮结构。约一小时后，太阳和日球观测台（SOHO）上的大角度光谱日冕仪（LASCO）在相似但不完全相同的方位角探测到CME，这与CME在初始传播阶段的典型膨胀和偏转一致。该亮结构亮度从世界时05:00开始增强，至06:30停止；在演化后期清晰观察到一个尖角状结构，其顶点持续向外移动。计算表明，该亮结构最亮点在天空平面的平均速度约为20 km s-1。这一观测成果为CME的早期识别和动力学参数计算提供了宝贵案例，充分展现了YOGIS在CME预警中的关键作用。
5. YOGIS的未来计划
尽管YOGIS已取得多项技术升级和科学成果，但对精细日冕结构的分析仍受限制。克服这一限制需要在大口径物镜制造上取得突破，建造500毫米口径日冕仪是自然而必要的下一步。YOGIS积累的技术经验——特别是在自动化、光散射校正和尘埃处理方面——为团队应对这一挑战做好了充分准备。此外，日冕绿线由于其高强度、强磁敏感性以及对高温日冕等离子体的诊断潜力，使得偏振测量成为直接探测日冕磁场的关键工具。团队计划在YOGIS的采集终端中插入由旋转波片和静态分析器组成的偏振调制模块，以实现常规偏振测量，从而研究绿线偏振度和角度的时空演化，追踪日冕等离子体流的速度，探测CME的发生和传播。
YOGIS自2013年投入运行以来，一直采用固定间隔采集后处理的模式。这种模式无法预测采集时刻的数据质量，也无法精确定位日冕瞬变事件的空间起源。借鉴十余年高海拔日冕仪运行维护经验，YOGIS的最终目标是实现无人值守的常规日冕观测。这一智能自主愿景包括四个关键能力：基于实时测量的云量和天空背景亮度自主判断可观测窗口；实时监控关键部件运行状态，异常时自动切换到备份系统或执行安全程序；当日冕图像中提取的特定物理参数（如总强度、偏振度）超过预设阈值时，触发事件驱动模式切换；自动生成数据产品并分发至科学数据库。实现这种全智能自主观测，也是在超高海拔台站建立日冕仪站的核心要求。
在科学前沿和应用延伸上，单平台、单波长观测不足以同时解耦日冕磁场、速度场和温度场之间的复杂耦合。亟需发展协同地基与天基、多视角、多波段的联合探测系统。在此背景下，与国际前沿太阳设施（如DKIST、SDO/AIA、UCoMP等）进行协同观测势在必行。团队还计划建立YOGIS数据开放访问数据库，以促进全球合作。随着中国太阳观测能力的增长，目标是通过分享专业知识与数据支持国际社会，为全球地基日冕观测网络做出贡献。
结论与讨论
本研究系统总结了丽江日冕仪（YOGIS）从技术升级到科学应用的全链条创新。在技术层面，通过观测平台重建、控制系统智能化升级、构建双波段（绿线5303 ?和红线6374 ?）多通道观测系统、突破基于图像差分法的杂散光抑制技术、以及开发高精度图像自动配准算法（APRIL），显著提升了仪器的观测效率、数据质量和对微弱信号的探测能力。在科学研究层面，利用升级后的YOGIS，首次明确揭示了日冕绿线亮度与光球磁场强度在1.1 R⊙高度存在强相关性（相关系数最高达0.82），该高度被认为是闭合冕环的顶部，可能关联慢太阳风的起源和日冕加热的起始区域。同时，研究证实了日冕绿线与SDO/AIA 211 ?极紫外波段存在高度物理一致性（相关系数0.89–0.99），实现了地基与天基观测的有效互补。此外，YOGIS的高时间分辨率观测成功捕获了日冕物质抛射（CME）的早期演化信号，平均速度约20 km s-1，并与SOHO/LASCO的后续观测吻合，证明了其在CME早期预警方面的实用价值。
这些成果不仅为日冕加热机制、太阳风起源等太阳物理核心问题提供了关键观测依据，也使丽江日冕观测在国际日冕观测网络中占据了重要位置。YOGIS所积累的自动化、杂散光校正、多波段集成等技术经验，为我国下一代大口径日冕仪（如500毫米口径）的自主研发奠定了坚实基础。展望未来，推动YOGIS向全自动、事件驱动型观测模式演进，并融入国际多波段联合观测网络，将是攻克日冕磁场测量难题、构建天地一体化探测体系、赋能精准空间天气预报的必然路径。最终，通过数据共享引领国际合作，丽江日冕仪将持续为全球太阳物理和空间天气科学研究做出重要贡献。
