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高光谱分辨率太阳光栅光谱仪的性能分析及实验验证
郑联慧
Subtype博士
Thesis Advisor饶长辉
2016-05
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Keyword太阳大气活动 太阳光栅光谱仪 原理样机 波前像差 狭缝滤波 光 谱成像性能 自适应光学
Abstract
众所周知,不息衍化的太阳磁场是导致太阳大气活动爆发的根本原因,如太
阳黑子,米粒和耀斑等。同时,激烈的太阳活动及周期变化,又影响和调制着人
类的生存环境。因此,实时的监视和预报太阳大气活动具有重要意义。而成像型
太阳光栅光谱仪是实现这一目标的重要仪器。它不仅能够对太阳大气活动进行成
像观测。同时,又能根据获得的光谱信息来确定爆发的太阳大气活动的热力学参
数,如磁场,温度,压强和元素丰度等。因此,太阳光栅光谱仪广泛的用于太阳
大气活动的观测。
本文研究的高光谱分辨率的太阳光栅光谱仪包括以下四个部分内容:高光谱
分辨率太阳光栅光谱仪的设计、原理样机的研制、波前像差对太阳光栅光谱仪性
能参数的影响分析及实验验证。
第一,对小型化高分辨率太阳光栅光谱仪进行了深入的研究。基于像差理论,
设计了一套基于一米红外太阳望远镜NVST 的高光谱分辨率的光栅光谱仪,具有
在656.3nm 和854.2nm 同时成像的能力。为了使光栅光谱仪具有良好的成像能力,
本文对光栅光谱仪中的球差、彗差和象散进行了补偿。确定了系统的初始结构,
并采用光学设计软件ZEMAX 进行了优化设计。设计结果表明,光栅光谱仪的成
像能力达到了衍射极限。这对于精确的太阳大气成像和精确的太阳大气热力学参
数测量具有重要意义。
第二,研制了高光谱分辨率太阳光栅光谱仪原理样机,从仪器设计、关键元
件设计、白光光谱测量及波长定标和原理样机的光谱分辨率确定等多个方面,系
统地介绍了高光谱分辨率太阳光栅光谱仪的研制方法和过程。为了降低光栅光谱
仪装调难度及更好的与太阳望远镜系统对接,我们设计了一个的定标光源系统。
为了能够更好的消除光栅光谱仪的系统像差,我们在光栅光谱仪的定标光源系统
中集成了自适应光学系统。实验结果表明:研制的光谱仪器工作波长覆盖范围0.6μm~1.1μm;实际光谱分辨率为5.6pm@632.8nm,光谱分辨率指标达到了世界同
类光谱仪器水平。此外,太阳光栅光谱仪实际的空间分辨率为55μm,接近衍射极
限的空间分辨率(50μm)。
第三,深入分析了波前像差对高光谱分辨率太阳光栅光谱仪的光谱成像性能
的影响。与一般光学不同,光谱仪中的狭缝较小,对波前像差具有一定程度的滤
波作用。因此,对波前像差和光谱成像性能参数之间的数学关系进行了理论推导,
并进行了数值模拟仿真。结果表明:经过狭缝滤波后,不同类型、不同大小的波前像差对光谱分辨率和能量利用率的影响不同,且与滤波前相比,波前像差对光
谱分辨率和能量利用率的影响变小。狭缝越小,其滤波作用越强。但是,对于以
低频为主的像差如离焦像差而言,狭缝越小,其低频也会被滤掉。此时若不考虑
狭缝滤波作用,就会导致自适应光学的过度校正。
最后,基于研制的原理样机实验验证了波前像差对高光谱分辨率太阳光栅光
谱仪的光谱成像性能的影响。为了研究波前像差对光谱成像性能的影响和自适应
光学校正对光谱仪成像性能的影响,本文在太阳光栅光谱仪系统中集成了基于哈
特曼波前传感器HS WFS 和液晶空间光调制器LC-SLM 的自适应光学系统,对波
前像差对光谱成像性能的影响进行了定量研究并完成闭环校正实验。实验结果表
明,经自适应光学校正后,像差对光谱分辨率的影响可忽略;能量利用率η 得到
了极大的利用,η≥95%。
具有多波段同时成像能力的太阳光栅光谱仪是太阳观测的重要仪器,而具有
高能量利用率和高光谱分辨率的太阳光栅光谱仪对于高精度的太阳大气活动层析
成像观测和高光谱分辨率的光谱观测具有重要意义。
Subject Area光学工程
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/8022
Collection光电技术研究所博硕士论文
Affiliation1.中国科学院光电技术研究所
2.电子科技大学
Recommended Citation
GB/T 7714
郑联慧. 高光谱分辨率太阳光栅光谱仪的性能分析及实验验证[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2016.
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