基于零级像的空间无缝光谱仪自定标方法研究

Astronomy optical observation are developing towards space observation, the spatial slitless spectral observation is widely used in the space low resolution spectral observation, but the wavelength calibration is the common problem. The calibration method refers to direct image can not apply on China Space Survey as its direct image and slitless spectral works on different fields. This proposal proposes a new calibration method for slitless spectrograph using its zero order image according to the existence of both zeroth order and spectral images together. Theoretically, the self-calibration mathematical model of the China slitless spectrometer using zero order images is established and then its calibration accuracy is analyzed. Next, the simulation system of the space slitless spectrometer will be designed and constructed in order to test the accuracy of the proposed self-calibration method. Finally, the data processing program which is suitable for the space slitless spectrometer will be compiled to realize the precise spectral calibration of the space slitless spectrometer. This research is the preliminary exploration of calibration method of the space slitless spectrometer. After being corrected in the later on-orbit observation, the designed self-calibration method can be potentially used for the space slitless spectrometer in our space telescope.

开展空间天文光学观测是天文观测重要的发展方向。空间无缝光谱观测在空间低分辨率光谱观测中应用广泛，但光谱定标是其面临的普遍问题。我国正在研制的2米级空间巡天望远镜的多色成像与无缝光谱巡天为分视场方式，通常参考窄带成像图像进行光谱定标的方法无法用于我国空间无缝光谱仪的定标。为此，本研究利用空间无缝光谱零级像和1级或-1级像同时存在的特点，拟采用基于零级像实现空间无缝光谱仪的自定标。理论上建立中国空间巡天望远镜无缝光谱仪自定标数学模型并分析其定标精度；搭建空间无缝光谱仪地面模拟检测光路，测试并验证空间无缝光谱仪自定标模型的正确性。在此基础上，编制适用于空间无缝光谱仪的数据处理程序，实现空间无缝光谱仪科学目标无缝光谱的准确定标。该研究课题是空间无缝光谱仪的定标方法的先期探索，建立的空间无缝光谱仪自定标模型经后期在轨观测修正后，有望用于我国空间巡天望远镜的无缝光谱定标。

多色成像与无缝光谱巡天是我国载人空间站2米巡天望远镜的主任务，用于开展紫外255nm到近红外1000nm的多色成像与无缝光谱巡天。由于多色成像与无缝光谱为分视场设计，无法参考哈勃望远镜等使用窄带图像进行光谱定标的方法。为解决空间巡天望远镜无缝光谱定标光源和参考窄带成像，利用无缝光谱零级像和光谱像同时存在的特点，深入研究了基于无缝光谱零级像进行无缝光谱定标的方法。取得的主要进展和成果如下：.（1）按照空间站巡天望远镜巡天模块无缝光谱最新波段和视场排布，完成巡天模块无缝光谱的最新优化设计，设计中考虑到总体效率和带外截止的要求，原设计的基础上，增加了窄带滤光片的设计方案，解决光谱效率与镀膜工艺的之间矛盾。.（2）无缝光谱组件光栅的效率和滤光片的透过率关系到无缝光谱的定标精度，同时又与无缝光谱的杂散光和鬼像相关。详细开展了闪耀光栅和带通滤光片的设计，并进行了效率测试。经过与科大的联合攻关，紫外光栅效率提高到75%以上。.（3）基于巡天模块光学设计模型，追迹无缝光谱3个波段，24块光栅多个视场无缝光谱和零级像在焦面探测器的位置。在此基础上，建立了无缝光谱与焦面坐标和零级像之间的理论模型，为巡天模块无缝光谱在轨定标提供重要依据。.（4）理论分析了非工作级次衍射光的效率以及在巡天焦面上的成像质量，建立无缝光谱杂散光分析模型并开展了详细的理论分析。在此基础上，建立了无缝光谱杂散光分析模型，分析无缝光谱的杂散光水平。搭建了F14的望远镜模拟系统，分别以平场灯和定标灯模拟测试了无缝光谱的成像质量，以及杂散光水平。.（5）以国家天文台兴隆观测站80cm望远镜，开展了无缝光谱的方案验证，基于80cm望远镜开展了无缝光谱观测方案设计，并选取了多个目标源开展无缝光谱观测，对观测数据进行抽谱处理，实验证明基于零级光谱定标的可行性。