基于红外标准星的红外辐射标校方法

为了提高空间目标的红外辐射测量准确度,提出了基于精确校准的红外标准星的红外辐射标校方法.测量不同大气质量处多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星,采用天文孔径测光法对望远镜拍星数据进行处理,依据大气消光模型进行最小二乘线性拟合,获得了测量系统的红外辐射响应率和大气消光.1.2m望远镜上中波红外成像终端验证性实验结果表明,该方法的恒星辐照度反演误差最大为16.28%.且该方法无需增加额外设备,操作简单,易于实现,可随时对测量设备进行实时标校.对地基大口径望远镜的红外辐射测量具有一定的应用价值.     

空间目标的地基红外辐射特性测量技术研究

提出了一种基于望远镜内部定标黑体与大气层外已知光谱特性的红外自然星体作为参照基准的地基大口径望远镜联合定标方法,在此基础上建立了相应的辐射度测量数学模型,以实现对空间目标的高精度红外辐射特性测量。内部定标黑体用于得到大口径望远镜后半光路系统对应探测器的各个像元响应度,外部标准红外自然星体用于估算大气层外目标附近大气与望远镜前半光路系统的等效透射率。在地基1.2m口径望远镜上对大量特性已知的红外自然星体辐射强度测量实验表明,当目标附近具有较强能量红外参考星情况下,如红外参考星在3~5μm波段大气层外辐照度高于1×1016 W/cm2量级,目标红外辐射强度测量不确定度能够优于15%。该方法能够克服大气程辐射、消光及高质量大口径辐射定标源对大气层外目标红外辐射强度测量不确定度的影响,适合于地基大口径望远镜红外光电测量系统的辐射定标与大气层外空间目标红外辐射特性高精度测量。     

地基红外辐射测量系统联合辐射定标法

基于红外标准星和内部黑体标定源的联合辐射定标法可提高空间目标的红外辐射测量精度。黑体标定源位于红外辐射测量系统内部,用于定标光学系统响应率。依据大气消光模型,采用天文孔径测光法,通过观测不同仰角处的多颗具有较高光谱分辨率的红外标准星得到大气消光和系统透过率系数。700mm口径地基中波红外辐射测量系统验证性实验的结果表明,在恒星图像曝光充分的情况下,联合辐射定标法的恒星辐照度反演误差优于11%。联合辐射定标法操作简单、成本低,可随时对测量设备进行现场标校。     

激光本振红外光谱干涉成像及其艇载天文应用展望(特邀)

本文分析了红外干涉成像现状和难点,介绍了激光本振红外相干探测的原理,阐述了基于电子学的红外光谱细分和干涉成像原理,讨论了激光本振红外阵列探测器形式。激光本振和相干探测器的设置,可保证两个望远镜的红外信号相位的正确传递,在电子学实施窄带滤波形成的窄带红外信号有利于实现长基线干涉成像。在此基础上,类似微波综合孔径射电望远镜,通过不同空间位置的多个较小孔径,组合形成一个大的光学口径,以红外光谱“射电”望远镜形式实现高分辨率天文成像,可大幅降低红外成像系统的复杂度和体积重量。介绍了平流层飞艇平台的特点,该平台为长基线大衍射口径望远镜的安装提供了有利条件,且可大幅减少大气对天文观测的影响,有望成为天文观测的新型平台。给出了10 m基线、2 m衍射口径红外光谱干涉成像望远镜的布设方案,分析了其探测和成像性能,讨论了关键技术及其可能的技术途径。分析表明,基于平流层飞艇平台,3个2 m衍射口径望远镜的组合在10 m基线下可等效实现口径10 m望远镜的红外天文观测能力。     

南极红外巡天望远镜红外背景辐射抑制方法

南极Dome A被认为是地球上最为优秀的天文测光、观测台址,尤其在红外波段。为了充分利用Dome A的独特天文观测优势条件以及满足系外行星观测需求和为我国未来南极更大口径望远镜的研制提供经验,提出建造1m可见/红外巡天望远镜。通过掩星法探测系外行星,至少需要万分之五的测光精度,必须很好地抑制或降低系统光机结构的自身辐射。以南极1m可见/红外巡天望远镜为例,进行南极红外望远镜杂散光抑制方法方面的探讨。由于该望远镜采用一次直接成像光学系统,光学结构简单,但无法设置冷光阑,红外背景辐射抑制效率较低。在光学系统设计上把次镜设置为孔径光阑进行优化设计,再详细介绍主镜遮光罩,次镜遮光罩,以及杜瓦瓶内冷光栏的独特设计,通过模拟仿真,自身辐射在像面上的辐照度为6.8×10-10 W/m2,为天空背景辐射在像面上的照度五分之一以下,满足天文观测三分之一要求。     

中红外大气背景辐射测量系统及误差分析

为研究大气背景辐射和仪器辐射规律、控制仪器热辐射和仪器精度,设计了一套大气背景辐射测量系统。分析了测量系统各组件和辐射定标等各类误差源对总测量误差的影响,还分析了定标精度的影响因素,确定了测量工作的改进方向。结果表明:该系统在定标区间内的测量误差主要是定标误差和随机误差,两者分别为2.4719%和0.0790%;合成误差为2.4732%。当用该系统测量大气背景辐射时,对大多数优良的天文台站而言,大气辐射强度远低于定标时的辐射强度,因此需进行外推测量。对外推测量误差的估计结果表明,外推测量可能导致较大的测量误差。为提高大气背景辐射测量精度,更低辐射强度的标准辐射源不可或缺。研制了大气背景辐射测量系统,并进行了野外实测等工作,这为大口径红外天文望远镜系统的研制并将其实际应用于红外天文观测提供了基础。     

打开宇宙电磁频谱的新窗口——超长波

 1800年2月11日，英国天文学家威廉·赫谢尔在观测太阳光谱热效应时意外发现了肉眼不可见的红外辐射。此后，随着麦克斯韦电磁理论的建立，人们开始意识到，在可见光之外，还存在着其他波段的电磁波，它们的差别只在于频率或者说波长。现代的天文研究综合了这些不同波段的观测以获取信息。但是，地球大气对于观测不同频段的天体辐射却有很大影响。图1为地球大气对不同波段电磁辐射的吸收。我们看到，这其中有两个几乎完全透明的窗口，分别位于可见光波段和无线电波段（米波至厘米波）。我们的眼睛之所以对可见光敏感大概是长期进化的产物。现在，地面的天文观测也是以可见光和射电（无线电）天文观测为主，而其他波段特别是X射线、伽玛射线等高能天文观测，以及红外和毫米波观测，则往往依赖航天器的空间观测或火箭、气球等近邻空间观测手段，或者至少是利用高海拔观测站以尽量减少大气吸收。仅X射线波段，空间望远镜和实验就已有几十个。这些空间观测，打开了高能天文的观测窗口。     

打开宇宙电磁频谱的新窗口——超长波

<正>1.超长波及其早期观测历史1800年2月11日,英国天文学家威廉·赫谢尔在观测太阳光谱热效应时意外发现了肉眼不可见的红外辐射。此后,随着麦克斯韦电磁理论的建立,人们开始意识到,在可见光之外,还存在着其他波段的电磁波,它们的差别只在于频率或者说波长。现代的天文研究综合了这些不同波段的观测以获取信息。但是,地球大气对于观测不同频段的天体辐射却有很大影响。图1为地球大气对不同波     

不同海拔地区红外大气透过率的计算和测量

为了得到不同海拔地区的大气透过率,探索大气透过率随海拔高度的变化规律,利用数值模拟、软件计算和实地测量方法分别对阿里(5 km)、德令哈(3 km)和怀柔(0 km) 3个不同海拔地区在4. 605～4. 755μm波段25 km以下的大气透过率进行了计算和测量。结果表明:红外大气透过率随海拔高度增加而增加;采用数值模拟计算得到3个地方的大气透过率分别为0. 709、0. 572和0. 555;采用软件计算得到的透过率分别为0. 849、0. 766和0. 596;采用实测方法得到的透过率分别为0. 805、0.766和0.673;阿里地区海拔较高,相对湿度较低,能见度高,大气透过率最好。该结论对国内天文红外观测及空间红外目标辐射特性测量具有重要的借鉴意义。     

邮票上的物理学史（64）--天体物理学:新的观测手段(续)

空间技术的发展,使得有可能建造空间观测站,到太空去观测,由此建立了空间天文学.它带来的好处是:①突破大气窗口限制,把观测波段从可见光和射电波扩展到电磁波全波段,包括红外、紫外、X射线和γ射线.我们还记得,天体物理学是伴随着光谱分析而建立起来的,依靠望远镜收集的一点星光,通过测量天体的亮度和分析天体的光谱,就建立了天体物理学,现在将观测扩展到全部电磁波段,得到的信息、发现的现象就更多了.②对地面能观测的波段,也减轻或消除了大气湍动的影响,提高了分辨本领.对光学望远镜成像主要有三个限制:衍射;大气宁静度;望远镜本身的缺陷.事实上,对一些大口径望远镜,大气湍动对成像的破坏作用远远超过了衍射限制.     

星载10 m合成孔径相干成像望远镜和波前估计

针对天文观测和深空探测需求，提出了星载10 m合成孔径相干成像望远镜概念和形式。给出了波长可调谐激光本振相干探测器形式，分析了大口径衍射薄膜镜的双波段实现方式和系统主要参数。提出了基于子镜结构的光学合成孔径相干成像算法，给出了基于相位恢复的阵列形变误差波前估计仿真结果，由于多个子镜所接收复信号的成像处理在计算机软件中完成，相比传统望远镜，可降低对微调机构等硬件的精度要求。该望远镜在短波红外1.45～1.65μm光谱范围内的中心波长角分辨率为0.15μrad；在中波红外4.55～4.75μm光谱范围内的中心波长角分辨率为0.46μrad，其探测灵敏度在原理上是传统10 m口径望远镜的约2.8倍。     

机载FTIR地球大气红外背景辐射光谱特征研究

介绍了机载傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪测量地球大气红外背景辐射的实验过程,对地球/大气的红外背景辐射进行了详细的分析,给出了描述这一辐射过程的理论表达式,证明红外背景辐射主要取决于地表温度、地表发射率、大气透过率和大气温度这四个参数。在理论分析的基础上,对不同观测高度、不同地物背景的实测光谱进行了对比和分析,得到了红外背景辐射的光谱特征。     

空中目标红外辐射多波长大气透过率实时反演算法

 针对空中目标红外辐射大气传输衰减的主导因素,通过Mie散射理论分析和计算得到了不同波长红外大气透过率之间的相关性关系。采用自主研发的激光遥感大气透过率测量仪并利用激光大气透过率多点断层测量技术,实测了1 060 nm波长激光的大气透过率,同步实时反演计算了临近波长红外辐射的大气透过率。实验数据验证了该方法可用于建立红外观测低空修正系统,实时计算获取大气对空间目标红外辐射的衰减特性。     

近太阳17颗年轻恒星锂丰度: 丽江1.8 m望远镜高色散光谱观测

应用中国科学院云南天文台丽江天文观测站1.8 m望远镜及其折轴光谱仪,对18颗近太阳样本恒星进行了高色散光谱观测,获得这些恒星高质量的高色散光谱。表明原中国科学院国家天文台兴隆观测站2.16 m折轴光谱仪搬迁、改造获得成功,达到并超过了预期的效果。以丽江天文观测站1.8 m望远镜及其折轴光谱仪观测获得的高质量的高色散光谱为基础,应用高斯拟合方法测量了样本中17颗年轻类太阳恒星锂吸收线的等值宽度,并计算了锂元素丰度。应用Hall给出的经验公式,计算了这些年轻恒星的Ca ⅡΗ和Κ(λ=395.0 nm)辐射强度。讨论了锂元素丰度和表明恒星色球活动的Ca H和K线辐射强度之间的关系。发现锂元素丰度值高的年轻恒星,其Ca H和K线辐射更强。考虑到恒星自转速度随恒星年龄的变化,小质量主序前恒星随着恒星年龄的增加,自转明显的加快;主序恒星随着恒星年龄的增加,自转逐渐变慢。我们的结果支持恒星自转越快,其活动性也就越强,以及色球活动较强的恒星具有高的锂元素丰度值。     

基于天气预报模式预报阿里天文站大气光学湍流EI北大核心CSCD

利用气象模式预报大气光学湍流,能够使地基望远镜根据不同的大气视宁度条件,选取相应的观测目标和终端设备,还可以优化自适应光学系统性能和激光器打击目标的发射时机。介绍了采用天气预报模式建立的大气光学湍流预报方法。利用该预报方法,采用数值和分析两种模型,分别提前3d、2d和1d预报出2011年11月6日夜间阿里天文站的气象参数、大气光学湍流强度Cn2廓线和视宁度。共计6次的预报结果均显示近地面层、边界层2km高度以及对流层12km高度存在强湍流层。与单星闪烁测量层析(SICDAR)的实测数据对比结果表明,本预报方法能够反映大气光学湍流廓线的结构特征。预报的视宁度反映出夜间的增大趋势和差分像运动视宁度仪(DIMM)实测结果相似。     

风云四号B星干涉式红外探测仪发射前辐射定标

干涉式红外探测仪（GIIRS）是我国地球静止轨道气象卫星风云四号B星的主要载荷，可观测大气上行红外高光谱辐射，因此可应用于大气温湿度廓线反演和数值天气预报模型同化。为了预测GIIRS在发射后的工作性能，于发射前在地面试验室热真空环境中采用黑体定标试验的方法，对仪器辐射性能进行了测试，测试的性能包括仪器灵敏度、辐射定标精度和动态观测范围。其中，长波红外通道的噪声等效辐射方差低于0.5 mW/(m²·sr·cm^-1),中波红外通道的噪声等效辐射方差低于0.1 mW/(m²·sr·cm^-1),两者均达到灵敏度设计指标。在辐射定标方面，经过非线性校正，长波光谱的平均定标偏差从1 K减小到0.2 K,且在220～315 K观测范围内达到0.7 K的设计指标；仪器在中波通道观测低温目标时受噪声影响较大，但在260～315 K的动态范围内，定标偏差也能够达到0.7 K的指标要求。     

大气湍流对天文望远镜光电导行精度的影响

讨论了由大气湍流造成的望远镜导行误差,这一误差将给望远镜光电导行的精度带来较大影响。其中使用单点源目标的导行精度受限于大气相干长度和大气相干时间,而多点源目标及面源的导行精度还与湍流随高度的变化有关。通过分析和仿真(数值模拟)结果表明,现代天文观测必须考虑大气湍流对光电导行精度的影响。通过延长曝光时间可以有效降低湍流大气的影响,同时也降低了光电导行的反馈控制频率。当导行信标为多星或面源则可在一定程度上降低高层大气湍流带来的光电导行误差,从而可以适度减少光电导行曝光时间,提高其反馈控制频率。     

常规气象参数估算南极泰山站近地面大气光学湍流强度

选择最好的天文台址放置大口径望远镜一直是天文学家追求的目标.天文台址的选择与近地面层湍流强度大小以及随高度递减的快慢密切相关.与中纬度最好的天文台站相比,南极大陆具有极低的红外天空背景辐射、极低的可降水含量、极低的气溶胶和尘埃颗粒物含量、非常小的光污染、晴天日数多,无疑成为下一代大型光学/红外天文望远镜在地球上寻找地基站址的理想场所.本文建立了光学湍流强度估算方法,第一次对南极泰山站近地面大气光学湍流强度进行估算.模式输入的气象参数是2013年12月30日至2014年2月10日移动式大气参数测量系统在南极泰山站测量的数据,折射率结构常数C_n~2的估算结果与温度脉动仪实测的C_n~2进行了比较,并对估算方法进行了敏感性分析.测量结果和分析表明:南极内陆近地面C_n~2具有明显的日变化特征,夜晚C_n~2达2×10~(-14)m~(-2/3),比白天强,日出和日落时刻附近出现最小值.C_n~2的模式估算和实验测量的比对表明了模式用来估算南极近地面C_n~2的可行性.C_n~2的模式估算和测量差异最大值往往出现在日出和日落时刻附近.由于南极内陆大气大部分时间处于稳定状态,选用不同的结构常数函数估算的C_n~2值差别不大,0.5 m,2.0 m两高度温差测量精度是影响C_n~2估算值的主要因素.     

光学综合孔径望远镜中子望远镜平行性和光程差调整的研究

光干涉技术与天文望远镜技术的结合是提高天文观测分辨率的一种有效方法.采用望远镜阵代替单个大口径望远镜来集光观测,利用最大基线的概念来等效传统光学望远镜的最大口径,很大程度上解决了单个望远镜集光能力不足、角分辨率不高的问题.然而对于光干涉来说,在应用中,只有满足:两束光的相位差δ必须相对稳定、存在相互平行的振动分量、频率相同、两光波在相遇点所产生振动的振幅相差不悬殊和两光波在相遇点的光程差(OPD)应在相干长度之内等这些条件时才能部分相干.光学综合孔径(OAS)望远镜产生干涉条纹的前提条件是子望远镜之间必须两两相干.推导了双光束光干涉的要求,并从双光束干涉的平行性和光程差的要求出发,研究并得出光学综合孔径望远镜子望远镜的平行性和光程差的要求.结合双光束干涉的恒星光干涉仪的光束平行性和光程差的调整方案,研究并得到了光学综合孔径望远镜子望远镜的平行性和光程差调整的光学方案,并讨论了该系统的改进措施.     

基于激光外差技术的高分辨率整层大气透过率测量

激光外差技术是一种高灵敏度的光谱探测技术,利用该技术研制的装置易于集成化小型化,可以进行地基或星载的地球大气或天文观测。基于激光外差光谱测量技术,结合自研的太阳跟踪仪建立了一套高分辨率整层大气透过率测量系统,系统分辨率约为0.006 cm-1。该系统利用太阳光和红外激光在非线性探测器中进行光学混频,通过对获取的混频信号进行电子学滤波和平方率探测,获得了高光谱分辨率的外差信号。采用Langley-plot定标法对测量系统进行定标,获取了仪器标定常数和对应的大气总光学厚度,实现了中红外波段整层大气透过率的实时测量。同时,将实测整层大气透过率与MODTRAN5.0软件仿真计算的结果进行对比分析,两者的一致性较好。分析表明该测量系统具有很高的分辨率并且性能稳定可靠,在大气科学、天文观测和激光大气传输等研究领域具有广阔的应用前景。