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空间太阳极紫外三波段成像光谱仪系统设计

光学学报 2024年第6期44卷 295-307页

作者：段紫雯邢阳光彭吉龙代树武王颖朱成林闫雷黄一帆刘越李林北京理工大学光电学院北京100081 北京卫星环境工程研究所北京100094 北京空间飞行器总体设计部北京100094 北京宇航系统工程研究所北京100076

太阳上层大气,即日冕、过渡区和色球,是由炽热的高度动态的磁化等离子体构成,其中高度电离的离子发射出丰富的极紫外谱线。空间太阳极紫外光谱成像观测对于捕获太阳上层大气中爆发活动的动态物理演化过程,以及实现对大气等离子体特征参... 详细信息

太阳上层大气,即日冕、过渡区和色球,是由炽热的高度动态的磁化等离子体构成,其中高度电离的离子发射出丰富的极紫外谱线。空间太阳极紫外光谱成像观测对于捕获太阳上层大气中爆发活动的动态物理演化过程,以及实现对大气等离子体特征参数的精确测量具有重要的意义。然而现有的极紫外光谱成像仪器只能针对太阳上层大气的一个或两个目标区域进行成像观测,缺乏采用单一仪器对整个太阳上层大气区域在大空间和宽波段尺度范围内的光谱进行诊断的能力,严重制约了人们对太阳爆发活动中的能量及物质输运过程的理解。为了利用单个仪器实现对日冕、过渡区和色球的高分辨率同时诊断观测,本文提出并设计了一款同时工作在17~21 nm、70~80 nm和95~105 nm三个波段的太阳极紫外成像光谱仪,该仪器基于非罗兰圆结构下的椭球面变线距(EVLS)光栅像差校正理论,采用狭缝扫描式成像光谱结构,实现了具有大离轴狭缝视场的高空间、高光谱分辨的消像散光谱成像。基于蒙特卡罗统计模拟方法对太阳极紫外三波段成像光谱仪的最优模型开展光线追迹仿真实验,仿真结果表明,所设计的成像光谱仪取得了良好的光栅像差校正效果,系统空间分辨率优于0.6″,光谱分辨率在17~21 nm波段优于0.006 nm,在70~80 nm和95~105 nm波段优于0.008 nm。本文研究对我国未来的太阳极紫外光谱成像仪器的发展和研制具有重要的理论意义,对我国未来的太阳空间探测任务的型号遴选具有重要的参考价值。

关键词：太阳空间探测太阳极紫外成像光谱仪光栅像差校正光线追迹

太阳极紫外HeⅡ30.4 nm谱线层析成像及其光谱数据反演

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物理学报 2022年第15期71卷 351-360页

作者：邢阳光彭吉龙段紫雯闫雷李林刘越北京理工大学光电学院北京100081 北京卫星环境工程研究所北京100094 北京宇航系统工程研究所北京100076

由磁场重联触发的发生在日冕和过渡区域上的具有高度动态的太阳爆发活动是灾害性空间天气的驱动源,对太阳爆发活动的空间成像和光谱分光测量是实现精准空间天气预报的关键数据来源.太阳大气上单离子氦的Lyman a跃迁产生波长30.4 nm的He... 详细信息

由磁场重联触发的发生在日冕和过渡区域上的具有高度动态的太阳爆发活动是灾害性空间天气的驱动源,对太阳爆发活动的空间成像和光谱分光测量是实现精准空间天气预报的关键数据来源.太阳大气上单离子氦的Lyman a跃迁产生波长30.4 nm的HeⅡ共振谱线,相比于邻近的谱线强度至少高一个数量级,因此能用来观测太阳爆发事件中的物质流动和能量输运过程.本文针对传统的太阳极紫外成像仪和成像光谱仪的缺陷,利用光线追迹方法设计了一款工作在HeⅡ30.4 nm波长处的二维光谱层析成像仪器,采用无狭缝的3个级次(–1,0,+1)同时衍射成像架构,单次快照可实现大视场的二维光谱瞬时成像.由于3个级次图像的空间信息和光谱信息混叠,利用有限层析投影角度的光谱数据反演算法,重构了观测目标的三维数据立方体Ⅰ(x,y,λ).

关键词：太阳极紫外层析成像成像光谱仪光谱数据反演

具有非罗兰圆结构的太阳极紫外正入射宽波段成像光谱仪光学设计

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光学学报 2020年第23期40卷 118-129页

作者：邢阳光李林彭吉龙王姗姗成一诺北京理工大学光电学院北京100081 北京卫星环境工程研究所北京100094 可靠性与环境工程技术国家重点实验室北京100094 清华大学精密仪器系北京100091

基于传统罗兰圆结构的凹面光栅成像光谱仪,尽管具有很好的轴上点成像特性,但是存在较大的光栅离轴像差,离轴性能显著降低,不适用于大离轴视场、宽波段的空间和光谱成像。因此,基于超环面变线距光栅工作在非罗兰圆结构下的像差校正理论,... 详细信息

基于传统罗兰圆结构的凹面光栅成像光谱仪,尽管具有很好的轴上点成像特性,但是存在较大的光栅离轴像差,离轴性能显著降低,不适用于大离轴视场、宽波段的空间和光谱成像。因此,基于超环面变线距光栅工作在非罗兰圆结构下的像差校正理论,设计了一款兼具大离轴视场和宽波段的太阳极紫外正入射成像光谱仪,使用三个平场探测器,可实现在极紫外波段对包括日冕和过渡区域在内的太阳上层大气的高空间和高光谱分辨观测。该仪器仅有两次反射表面,同时使用周期性的SiC/Al多层镀膜最大化地减小了极紫外波段的光子通量损失,提高了仪器的传输效率。该成像光谱仪的工作波段为40~47 nm、53~60 nm和66~73 nm,口径为100 mm,沿狭缝方向的离轴视场为18′,系统的空间分辨率优于0.55″,光谱分辨率优于30×10-4 nm。

关键词：测量超环面变线距光栅离轴光栅像差非罗兰圆结构太阳极紫外成像光谱仪

三级次太阳极紫外窄波段无狭缝成像光谱仪光学设计

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光学学报 2021年第7期41卷 199-213页

对太阳进行光谱成像观测是太阳物理和空间天气研究的重要数据来源。在极紫外波段对动态的太阳大气进行光谱成像观测面临着严峻挑战。传统的狭缝式成像光谱仪受瞬时视场的限制,必须通过耗时的推扫才能获取二维日面图像,系统不具有高时间... 详细信息

对太阳进行光谱成像观测是太阳物理和空间天气研究的重要数据来源。在极紫外波段对动态的太阳大气进行光谱成像观测面临着严峻挑战。传统的狭缝式成像光谱仪受瞬时视场的限制,必须通过耗时的推扫才能获取二维日面图像,系统不具有高时间分辨率,无法捕获太阳过渡区域和日冕的快速演化过程。尽管极紫外成像仪能够实现大二维视场和高时间分辨率的观测,但却无法获取光谱分辨率信息。本文基于像差校正的椭球面变线距光栅,提出了一款新型无狭缝成像光谱仪,该系统同时工作在三个光栅衍射级次(m=-1,0,1)上,这样的新颖设计不需要任何元件的机械运动,单次快照便可同时获得三幅视场为20 arcmin×20 arcmin的极紫外窄波段(29.4〜31.4 nm)太阳日面图像,该仪器的时间分辨率高且视场大。不发生色散的0级次系统相当于一台极紫外成像仪,可以直接获得高分辨率空间信息(0.6 arcsec);发生色散的±1级次图像携带有空间和光谱的混叠信息,类似于计算层析成像原理。通过数据反演算法,可以从三个级次的图像中提取高分辨率的光谱信息(0.0035 nm)。

关键词：光谱学太阳极紫外无狭缝成像光谱仪椭球面变线距光栅

太阳上层过渡区极紫外三级次无狭缝成像光谱仪系统设计

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光学学报 2024年第6期44卷 256-268页

作者：沈文杰邢阳光黄一帆彭吉龙代树武王颖朱成林闫雷刘越李林北京理工大学光电学院北京100081 北京卫星环境工程研究所北京100094 北京空间飞行器总体设计部北京100094 北京宇航系统工程研究所北京100076

提出了一款工作在Ne VII 46.52 nm谱线的新型三级次无狭缝成像光谱仪,该仪器采用两个超环面等线距光栅作为衍射元件,其中单个光栅仅工作于一个级次,这解决了现有三级次仪器使用单个光栅同时工作于三个级次的弊端,显著提升了系统校正离... 详细信息

提出了一款工作在Ne VII 46.52 nm谱线的新型三级次无狭缝成像光谱仪,该仪器采用两个超环面等线距光栅作为衍射元件,其中单个光栅仅工作于一个级次,这解决了现有三级次仪器使用单个光栅同时工作于三个级次的弊端,显著提升了系统校正离轴光栅像差的能力,结合光谱数据反演算法可以实现24′×24′视场下的高空间(1.547″)和高光谱分辨率(0.0078 nm)观测。

关键词：成像系统太阳空间观测太阳极紫外成像光谱仪无狭缝超环面等线距光栅

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太阳短波极紫外双波段成像光谱仪设计

光学学报 2024年第12期44卷 293-306页

作者：段紫雯邢阳光彭吉龙闫雷黄一帆刘越李林北京理工大学光电学院中国科学院紫金山天文台北京卫星环境工程研究所北京宇航系统工程研究所

基于超环面变线距（TVLS）光栅设计太阳短波极紫外的双波段成像光谱仪，光谱仪系统采用非罗兰圆的光栅工作结构，不需要光谱的扫描或探测器的位移即可同时获得17～21 nm和28～32 nm两个波段的高空间、高光谱分辨和大瞬时狭缝视场的消像... 详细信息

基于超环面变线距（TVLS）光栅设计太阳短波极紫外的双波段成像光谱仪，光谱仪系统采用非罗兰圆的光栅工作结构，不需要光谱的扫描或探测器的位移即可同时获得17～21 nm和28～32 nm两个波段的高空间、高光谱分辨和大瞬时狭缝视场的消像散光谱成像。基于蒙特卡罗统计模拟方法对太阳短波极紫外双波段成像光谱仪的最优模型开展光线追迹仿真实验，仿真结果表明其空间分辨率优于1″，光谱分辨率优于0.0055 nm，所设计的成像光谱仪具有良好的光栅像差校正效果，其光谱成像性能接近衍射极限。为我国未来的太阳极紫外光谱成像仪器的发展研制提供重要的理论意义，为我国未来的太阳空间探测任务的型号遴选提供重要的参考价值。

关键词：光学器件太阳空间探测太阳极紫外成像光谱仪光栅像差校正光线追迹