高光谱分辨率分辨率太阳光栅光谱仪的性能分析及实验验证

摘要

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。
　　本研究分为四个部分：⑴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。⑵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)。⑶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。⑷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％。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2光栅光谱仪国内外研究历史

1.3太阳光栅光谱仪国内外发展现状

1.4 本论文的结构安排

第二章 成像光栅光谱仪的相关理论

2.1 成像光栅光谱仪的工作原理

2.2 反射式平面衍射光栅的相关理论

2.3光谱成像系统的设计理论

2.4 光谱分辨率的影响因素分析

2.5 本章小结

第三章 基于一米太阳望远镜的高光谱分辨率光栅光谱仪的设计

3.1科学目标及主要技术指标

3.2 两种经典光谱成像系统设计

3.3基于自适应光学的光栅光谱成像系统像差校正方法研究

3.4 三种光谱成像系统像差校正性能比较

3.5 本章小结

第四章 高光谱分辨率太阳光栅光谱仪原理样机的研制

4.1原理样机的仪器设计

4.2原理样机初始实验像差校正实验验证

4.3 白光光谱测量及波长标定

4.4原理样机的光谱分辨率

4.5原理样机的空间分辨率

4.6 本章小结

第五章 波前像差对太阳光栅光谱仪光谱成像性能影响分析

5.1 太阳光栅光谱仪主要性能指标

5. 2 波前像差与光谱成像性能参数的数学关系

5.3 数值模拟仿真

5.4 自适应光学校正对光谱成像性能的影响

5.5 本章小结

第六章 波前像差对太阳光谱仪光谱成像性能影响实验验证

6.1 实验系统概述

6.2 实验系统初始像差校正对光谱分辨率的影响实验验证

6.3狭缝滤波对波前像差的滤波作用实验验证

6.4 不同类型、不同大小的单阶Zernike像差对κ和η的影响实验验证

6.5 大气湍流相位屏对κ和η的影响实验验证

6.6 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 本文的主要贡献与创新

7.3 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果