高光谱分辨率太阳阶梯光栅光谱仪的高精度光谱定标技术研究

The high spectral resolution echelle spectrometer based on the technique of radial velocity, which can be applied to perform high spectral resolution observation of solar convection, is an important instrument to study the distribution and evolution characteristics of the solar magnetic field with time. However, the detection accuracy of the radial velocity is related to the precision of the spectral calibration, which will be influenced by the stability of the system. This research project intends to carry out the study on the high precision spectral calibration technique of the high spectral resolution echelle grating spectrometer, and the research contents include as following: Taking environmental temperature and pressure as the research objects, the influence of the wavefront aberration with different magnitude on the spectral calibration precision is analyzed, and the aberration tolerance is applied to measure the required spectral calibration precision. Based on the Hartmann wavefront sensors, a method used to design a high spectral resolution echelle grating spectrometer is proposed. To eliminate the influence of the wavefront aberration on the spectral calibration, the deconvolution algorithm is adopted. The successful implementation of this research will effectively improve spectral calibration precision, and will lay a theory and technology foundation for further study, having great important theoretical significance and engineering application value.

基于视向探测技术的高光谱分辨率阶梯光栅光谱仪，能对太阳大气活动中的物质对流运动进行高光谱分辨率的观测，是研究太阳磁场在不同大气高度上的分布特性和随时间演化特性的重要仪器。然而视向探测精度与光谱定标精度有关，而光谱定标精度又会受到系统稳定性的影响。本项目拟开展高光谱分辨率太阳阶梯光栅光谱仪的高精度光谱定标技术研究，具体内容包括：以环境温度和压强为研究对象，分析不同程度大小的波前像差对光谱定标精度的影响，并将像差容差转化为所需的光谱定标精度指标，从而为高精度光谱定标技术提供借鉴与指导；提出一种基于哈特曼波前传感器的具有波前像差自我诊断功能的高光谱分辨率阶梯光栅光谱仪的设计方法，以消除系统稳定性对光谱定标精度的影响。本项目的成功实施将为有效提高高光谱分辨率阶梯光栅光谱仪的光谱定标精度奠定理论与技术基础，具有重要的理论意义和工程应用价值。

高性能太阳光栅光谱仪是太阳大气活动探测的重要仪器之一，目前已经在国内外各大望远镜上均得到了广泛的应用。然而，太阳光栅光谱仪的光谱成像性能会受到大气湍流及系统静态像差影响。为了减小像差的影响及降低系统光学元件的加工精度要求，并克服传统的像差校正方法受限的难题，提出了一种基于自适应光学技术的大视场像差校正的方法，从而提高光谱成像性能。中国科学院光电技术研究所已经研制了一台高光谱分辨率太阳光栅光谱仪样机，本项目主要是基于这一台光栅光谱仪进行大视场像差校正的研究，并分析光谱仪的成像性能。实验结果表明，采用本方法校正后，实际光谱分辨率为6pm，与数值模拟结果5.6pm符合较好，证明了本方法的有效性。此外，为了降低环境温度和压强对光谱定标精度的影响，提出了一种基于哈特曼波前传感器的具有波前像差自我诊断功能的高光谱分辨率阶梯光栅光谱仪的设计方法并进行了实验验证。实验结果表明视向速度探测精度约为20m/s，因此本项目所提出的方法能够较好的消除环境对光谱定标精度的影响，这对于高精度的太阳视向速度场探测和空间天气预警具有重要意义。