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中红外光干涉系统中4f空间滤波及其热背景抑制研究

Wed, 02 Sep 2026 05:54:09 GMT

Title: 中红外光干涉系统中4f空间滤波及其热背景抑制研究 Authors: 王竹瑜 Description:

中红外光干涉技术在高分辨率天文观测、精密光学测量及红外探测等领域具有重要应用价值。然而，中红外系统在实际实现过程中不仅受到波前畸变的影响，还面临探测端热背景强、杂散光复杂以及器件匹配要求高等问题，这些因素都会降低干涉信号的可探测性。针对上述问题，本文围绕4f空间滤波在中红外光干涉系统中的应用开展了理论分析、仿真研究和实验探索。
首先，本文从波动光学、傅里叶光学和双光束干涉理论出发，建立了空间滤波与4f系统的理论基础，分析了波前像差、空间频率成分与干涉条纹形态之间的关系。随后，基于参考臂—测试臂结构，利用仿真方法在测试臂中引入像差相位面，基于带针孔光阑的4f空间滤波系统开展研究。结果表明，测试光中的波前像差会显著降低干涉条纹的规整性，而适当尺寸的小孔能够在一定程度上抑制高空间频率像差成分，改善条纹形态，但同时存在通光效率下降的问题。
在此基础上，本文进一步面向后续正式中红外光干涉实验，建立了合束后引入4f系统的探测端应用模型，分析其对总干涉场图样和背景分布的影响。为解释探测端背景问题，又在Zemax非序列模式下将测温相机内部发热元件等效为热辐射源，研究其经镜头出射、经外部反射镜反射返回并重新入射至探测面的杂散光传播与能量分布。分析结果表明，探测端热源及其回返背景会显著提高中红外探测面的背景水平，而在相机前引入4f系统与针孔空间滤波后，可对部分非目标背景成分产生一定抑制作用。
实验方面，本文已完成可见光双光束干涉实验，获得了明显的干涉条纹，验证了所设计光路结构的可行性。在此基础上，结合器件参数、仿真结果和探测端热背景分析，对后续中红外光干涉实验的实施条件与系统优化方向进行了讨论。研究表明，当前中红外实验具备光路结构和器件基础，后续应进一步围绕波前控制、探测端背景抑制以及4f系统的实验引入开展优化。
本文的研究为4f空间滤波在中红外光干涉系统中的应用提供了理论依据和仿真参考，并为后续正式中红外光干涉实验的实施与优化提供了可行的技术路径。

原初引力波望远镜结构关键技术的研究

Wed, 02 Sep 2026 05:51:01 GMT

Title: 原初引力波望远镜结构关键技术的研究 Authors: 武亚博 Description:

原初引力波探测是检验早期宇宙暴胀理论的关键途径。阿里原初引力波望远镜（AliCPT）在高海拔（5250m）、高寒（-25℃）与宽温域交变（-25℃至40℃）等极端环境下服役。在进行原初引力波探测时，望远镜结构有方位轴高速扫描与高度轴大范围运动的特殊需求，对系统刚度与环境适应性提出了挑战。为此，本文围绕“高刚度拓扑结构—宽温域结构消热—方位轴系电磁卸荷控制”的核心主线，系统开展了中间块的拓扑构型优化、异种材料连接的消热方法、基于过渡圈的镜筒刚度验证和方位轴系的电磁卸荷方法的理论分析、数值仿真与实验研究。
本文研究了中间块的拓扑构型优化。本文研究了中间块连续体结构在离散条件下的力学演化机理，摒弃传统经验设计，引入奇异值分解（SVD）算法建立光轴位姿偏转解耦数学模型，创新性地提出并验证了一种拉压主导型的同心八边形桁架拓扑构型。在严格的质量与空间尺寸约束下，该构型实现了系统宏观比刚度的显著提升，有效降低了光轴的偏转角。
本文研究了异种材料连接的消热方法。面对宽温域下望远镜结构铝材和钢材因热膨胀率差异引发的热失配问题，本文创新性提出了一种包含24条周向孔槽的柔性过渡圈。利用卡氏第二定理推导了结构等效柔度解析模型，揭示了局部狭长韧带受弯变形对宏观界面热变形的吸收效应。高低温实验实测表明，该柔性连接机制通过微观弹性变形，成功吸收了刚性约束下极易破坏结构的热应力，保障了镜筒连接法兰在宽温域下的结构安全。
本文研究了基于过渡圈的镜筒刚度验证。过渡圈的切槽吸收了热应力，但降低了系统的抗弯与抗扭刚度，本文构建了基于过渡圈的镜筒的质量－弹簧等效动力学模型，评估了传力路径重构对系统低阶模态的影响。结合真实装配边界的实物样机多通道模态敲击实验，证明了过渡圈在获得充分消热能力时，可以将系统基频稳定在23.8 Hz，满足望远镜对镜筒刚性的需求。
本文研究了方位轴系的电磁卸荷方法。为解决高寒环境下重载机械轴承润滑介质动力黏度剧增，以及10°/s高速扫描时极易诱发“粘滞－滑动”非线性摩擦的问题，本文研究了混合式主动电磁辅助卸荷系统，提出了该系统的理论框架，推导了涵盖高速运行的动生反电动势、洛伦兹阻尼演化及极地温度参数漂移的全阶非线性耦合演化方程。在此理论模型基础上，设计了基于反步法（Backstepping）的非线性鲁棒控制律以应对多源参数摄动，并构建了旨在平衡线圈焦耳发热与电机克服摩擦做功的全局能耗函数，从解析层面推导了系统最优卸荷率的自适应极值条件。该控制策略为化解极地高寒环境下主动线圈热源发散与高精度机械运转的工程热力学冲突，提供了算法层面的求解路径与数学范式。
综上所述，本文构建的“高刚度拓扑结构—宽温域结构消热—方位轴系电磁卸荷控制”技术体系，为阿里原初引力波望远镜的研制提供了基础，并为我国未来更大口径、更极端环境的地基及月基天文观测装置提供了范式。

下一代大型光谱巡天望远镜主镜桁架结构设计与优化

Wed, 02 Sep 2026 05:44:28 GMT

Title: 下一代大型光谱巡天望远镜主镜桁架结构设计与优化 Authors: 郭金锐 Description:

下一代大型光谱巡天望远镜（ESST）对主镜桁架的刚度、轻量化和热稳定性提出严格要求。本文以ESST望远镜12米主镜桁架为研究对象，围绕结构构型设计、参数化建模、多目标优化和混合材料方案展开系统研究。
首先，基于Whiffletree支撑原理完成子镜布局与支撑点计算。主镜由84块六边形子镜组成，从第三圈至第六圈依次排列12、18、24、30块。支撑点分布圆半径确定为416 mm。设计了120°对称三扇区的五层空间桁架结构，通过对比四种底层节点布置方案的优化结果，选择结构一为最优基础构型，其最大位移0.490 mm，质量15999.9 kg。
其次，建立MOGA全局搜索与MISQP局部精调相结合的两步优化策略，明确34个设计变量取值范围，以质量≤16 t为约束、支撑点最大位移最小化为优化目标，构建基于APDL和Workbench的自动化优化平台。
在材料性能分析方面，对比碳纤维复合材料（T700S）和Q235钢的性能及成本。纯钢方案最大位移0.490 mm、成本192万元；纯碳纤维方案（CFRP-1）最大位移0.139 mm、成本1279万元；以位移≤0.5 mm为约束的纯碳纤维轻量化方案（CFRP-2）质量4514 kg、成本361万元。三种方案各有优劣，明确混合材料设计的必要性。
基于杆件功能分类，将桁架杆件划分为10类，提出逐类替换的材料分区优化策略。引入性价比指标CPR评价单位成本效益，确定方案1（替换第1类外围固定杆）为最优混合方案。该方案碳纤维用量8.14%，最大位移0.404 mm，成本280万元。与纯钢方案相比位移减小17.6%；成本仅为CFRP-1的22%，且优于CFRP-2的位移和成本。
最后对方案1进行全面有限元验证。静力学分析显示天顶指向位移0.404mm、地平指向位移0.120 mm；模态分析显示基频40.72 Hz，高于30 Hz设计要求；热稳定性分析显示50∘C温差下热变形3.53 mm，在促动器行程内可主动补偿；节点热应力分析验证对接接头可靠性；抗震分析显示8.8级地震下位移响应约0.012 mm。
综合结果表明，方案1以8.14%碳纤维用量实现刚度、热稳定性和动态特性全面优于纯钢方案，成本仅为纯碳纤维方案的22%，为ESST提供了高性价比的工程解决方案。

天文望远镜轴向盘式永磁同步电机设计与分析的研究

Wed, 02 Sep 2026 05:40:05 GMT

Title: 天文望远镜轴向盘式永磁同步电机设计与分析的研究 Authors: 张尧 Description:

天文望远镜的跟踪驱动系统需要同时满足超低转速高精度跟踪、高速快响应指向以及极端环境下的高可靠运行、易维护等多重要求。针对传统有铁芯电机存在齿槽转矩、导致低速跟踪时转矩波动大的固有缺陷，本文提出一种面向天文应用的轴向盘式无铁芯永磁同步电机统一设计方法，并将其成功应用于南极昆仑站
150mm望远镜、南极中山站310mm望远镜和河北兴隆司天工程原型机三个典型
场景，验证了方法的有效性与可扩展性。
本文建立了适用于天文望远镜驱动系统的轴向盘式无铁芯电机设计方法。通过对比四种盘式电机拓扑结构，结合望远镜耳轴空间与自重约束，确定小口径望远镜采用单定子单转子结构、米级口径望远镜采用单定子双转子结构。基于盘式电机转矩方程与磁路模型，推导了主要尺寸与电磁性能的解析关系，完成了定转子尺寸、永磁体规格等关键参数设计。针对南极极端环境，设计了迷宫式密封结构，并根据不同站点温度条件分别采用航空润滑脂和无润滑脂方案。
开展基于多物理场仿真的电机性能分析与关键参数优化。以南极150mm望远镜电机为代表性机型，建立三维电磁场有限元模型。通过有铁芯与无铁芯方案的对比仿真，定量揭示了无铁芯设计在降低转矩波动方面的根本优势。气隙参数扫描分析表明，平均转矩随气隙增大单调下降。基于仿真结果构建包含平均转矩与转矩波动的多目标评价函数，确定最优气隙。温度场与热应力仿真验证了电机在-80℃极端低温下的热稳定性和结构可靠性。同时，系统分析了装配误差对电机性能的影响。针对绕组气隙偏差和永磁体剩磁误差两类主要误差来源，建立参数化有限元模型开展敏感性分析。结果表明，单个线圈微小偏移对整体性能影响有限，但偏移线圈数量超过五个时转矩波动显著增大，但如果出现正向和反向偏移在对称位置上形成补偿可以适量降低转矩波动的情况；永磁体剩磁偏差对平均转矩影响较小，但连续同向偏差会加剧转矩波动。
最后，基于三个典型应用场景的实际观测数据验证了电机在真实台址环境下的跟踪精度，验证本文所设计电机在多种应用场景下的普适性与可靠性。

钛合金反射镜加工与变形镜性能仿真研究

Wed, 02 Sep 2026 05:35:01 GMT

Title: 钛合金反射镜加工与变形镜性能仿真研究 Authors: 闫晓琴 Description:

目前大型地基望远镜自适应副镜变形镜的材料多选择微晶玻璃，这种材料的导热系数低，易出现音圈电机热效应引发的镜面热变形，并且在加工、装调和使用过程中容易碎裂，因此本文采用钛合金材料制备自适应副镜变形镜的方案，钛合金热导率高、热膨胀系数低且抗冲击能力强的特性可克服微晶玻璃材料缺陷，从加工和性能仿真两个方面对钛合金变形镜进行研究，主要内容如下：
1. 研究钛合金球面反射镜的冷加工特性，选取不同的磨料粒径和抛光粉类别，系统研究了研磨过程中不同粒径碳化硼磨料作用于钛合金镜面的去除特性和表面粗糙度变化特性，接下来对不同类别抛光粉作用后钛合金金属镜的表面粗糙度、光洁度以及反射率等物理性能展开了研究。通过对比实验最终确定了一套适用于钛合金球面反射镜的优化研抛工艺流程，最终面形精度均方根（RMS）值优于15.82nm，镜面表面粗糙度(Sq值)为7.774nm，可见光波段（350-750nm）内反射镜的平均反射率达57%，可见反射率并未达到直接使用要求，但镜面表面质量已达到后续镀膜标准，后续可通过镀膜改善镜面的反射率。
2.基于对镜面的口径、厚度等物理参数综合评估，确定了19个音圈电机促动器的波前校正方案，对不同厚度情况下自适应副镜变形镜产生的重力变形进行讨论研究，发现在厚度为1.2mm时镜面的重力变形峰谷（PV）值已接近λ/30（λ=632.8nm），更薄时重力变形对镜面影响变大，故确定最终减薄厚度为1.2mm。在促动器方案和厚度确定的情况下对钛合金及微晶玻璃两种材质自适应副镜变形镜的静力学和热力学性能进行了仿真研究，研究发现相较于微晶玻璃自适应变形镜，钛合金自适应变形镜可以承受更大的载荷，安全裕度高，且由环境温度变化导致的变形以低频成分为主，表现出更好的可校正性。
3.利用Zernike模式展开法数值模拟了大气湍流畸变波前，并建立了150mm口径钛合金变形镜及19单元音圈促动器的有限元模型。随后采用超高斯函数对促动器影响函数进行拟合，拟合相关系数均优于0.9，结果表明利用超高斯函数模型可以有效构建影响函数矩阵。最后基于最小二乘算法进行校正仿真，结果显示波前RMS值由187.24nm降至44.48nm，校正效率达76.24%，验证了该变形镜系统及算法在低阶像差补偿中的可行性。

球载紫外光谱仪的设计与应用

Wed, 02 Sep 2026 05:28:18 GMT

Title: 球载紫外光谱仪的设计与应用 Authors: 潘锦语 Description:

太阳紫外辐射在200–400 nm波段携带着关于太阳大气结构、辐射传输过程和高层大气成分的关键诊断信息。Ca II H 396.8 nm和K 393.4 nm双线、Mg I 285.2 nm等谱线是研究太阳色球层动力学、磁场与等离子体相互作用及恒星物理的重要诊断工具，而O₃、NO₂等痕量气体在该波段的吸收特征对于理解中间层–平流层光化学过程、评估臭氧层变化及改进空间天气预测模型同样具有重要价值。然而，该波段的精确测量面临诸多挑战：地基观测遭受严重的分子散射与臭氧的强烈吸收，显著扭曲了太阳本征光谱；天基平台虽可实现连续监测，但研制成本高昂、周期漫长。球载平台通过进入平流层提供了一种成本可控的中间解决方案，国内外早期球载望远镜多集中于红外与高能波段，紫外观测主要依托空间卫星开展，近年来随着“鸿鹄专项”等计划推进，球载紫外探测逐渐受到重视，但轻小型、宽带光谱探测仪器的设计与验证仍需深入研究；与此同时，载人球载平台尚未突破现有飞行高度纪录，多数商业计划仍处于“无人”验证或低空载人试验阶段，搭载紫外探测载荷开展科学观测的应用潜力正待释放。

针对上述应用需求，本文提出了一种轻小型球载紫外光谱仪设计方案，围绕仪器应用可行性分析、光机系统设计及集成验证等核心关键问题，开展系统性研究工作。
首先，基于MODTRAN 6辐射传输模型，构建覆盖4–22 km高度、200–400 nm波段的大气透过率数据库，系统探究飞行高度、观测天顶角、气溶胶类型及水汽含量等关键参数对紫外波段大气透过率的影响规律，以新疆慕士塔格天文台址为典型案例，建立特定区域的多维度精细化透过率数据集，为观测方案制定及仪器参数优化设计提供了定量依据。在此基础上，结合Py6S正向辐射传输模型与马尔可夫链蒙特卡洛方法，构建了大气成分参数的贝叶斯反演框架，实现了水汽总量、臭氧柱浓度、气溶胶组分比例及光学厚度的同步反演与不确定性量化，为后续观测数据的科学反演工作提供了依据与技术参考。
其次，完成了面向球载应用场景的轻小型紫外光谱仪光机系统设计。前端光学系统采用“集光透镜–积分球–紫外光纤”三级耦合结构，实现太阳光的高效接收与匀化传输；光谱仪主体采用“透镜组+反射光栅”组合结构，替代传统Czerny–Turner结构，通过六片式准直镜头与成像镜头的对称V构型设计，有效缩减仪器包络尺寸，校正空间展源目标的离轴像差，实现了长狭缝全视场清晰成像；同时采用密封惰性气体腔体设计，消除深紫外波段的氧气与水汽的吸收干扰。作为仪器总体的重要组成部分，球载平台需适应–80℃低温、4 kPa低压、重量不超过10 kg的极端环境约束，其结构合理性与性能稳定性为本文核心研究工作提供基础支撑。该平台选用AlSi10Mg铝合金轻质材料，经多轮迭代拓扑优化后，包络尺寸控制在450×370×160 mm³以内，总重量降至6 kg以下，有限元仿真结果验证其在极端环境下的刚度满足使用要求；采用PTFE材质O型密封圈与气凝胶毡保温层，实现仪器气密密封与被动保温设计，有效抑制极端环境对光学系统性能及仿真精度的不利影响，为本文光学与科学仿真研究提供了稳定可靠的结构保障。
最后，开展了光谱仪工程样机的光机集成与初步性能测试工作。采用3D打印一体成型工艺制备外壳与光路支架，完成光学元件、探测器及电控模块装配；在低温超净环境下，利用通过激光单色器开展系统传输效率测试，测得系统平均效率约16%；同步开展光谱分辨率测试与波长标定工作，通过汞灯与法布里-珀罗标准具联合标定，完成 200–400 nm 波段的波长定标，建立像素与波长的精确映射关系，并针对实验测试结果，深入分析狭缝像弯曲畸变的产生机理。目前，样机正处于实验室定标与低温真空气密性测试阶段，后续将逐步开展高原地面实测及 22 km 高空气球飞行验证工作。该仪器可应用于太阳紫外辐射监测、大气成分反演及空间天气研究等领域，为平流层科学观测提供灵活高效的探测技术手段。
本文构建了从应用可行性分析、光机系统设计到集成验证的完整技术方法链，为太阳紫外探测与地球大气特性研究提供了一种轻小型球载观测解决方案。

拼接式矩形反射镜关键技术研究

Wed, 02 Sep 2026 02:51:00 GMT

Title: 拼接式矩形反射镜关键技术研究 Authors: 黄雨辰 Description:

离轴三反相机系统中，反射镜的面形精度与指向稳定性直接决定了成像质量。随着热辐射的不断提升，大长宽比矩形反射镜在热-力耦合环境下的面形保持问题日益凸显，传统刚性支撑方案难以兼顾应力释放与定位精度的矛盾需求。为此，本文以某离轴三反相机中一对尺寸为330×50 mm、间距要求15 mm的矩形共焦反射镜为研究对象，系统开展拼接式矩形反射镜柔性支撑结构的设计、优化与试验验证工作。
首先，针对反射镜长宽比接近7:1、两面镀膜及侧面支撑的约束条件，提出了上下各3点共6个双轴圆弧型柔性铰链的侧面多点支撑方案。柔性铰链采用空心圆柱主体与两组正交圆弧形柔性槽的结构形式，能够在两个正交方向上产生弹性变形，有效释放胶接应力、热应力及装配应力。完成了镜框、调节垫片、压块等辅助部件的设计，并依据热匹配性与强度要求，确定了材料选型方案。
其次，建立了基于多目标遗传算法的柔性支撑参数优化方法。选取柔性铰链安装位置及上下各5个结构尺寸共11个几何参数作为设计变量，以重力与5∘C升温耦合工况下的镜面变形RMS值和指向偏差为优化目标，基于SolidWorks参数化建模与ANSYS有限元仿真平台进行全局寻优。优化后单块反射镜在重力和温升条件下的镜面变形RMS为12.8 nm，指向偏差为0.29″，满足设计指标要求。
进而，将优化参数应用于两块反射镜的整体支撑结构，开展了热力耦合、模态、随机振动及冲击响应仿真分析。结果表明：在绕X轴和Y轴±30∘的范围内，两块反射镜的面形精度RMS均优于𝜆/30（𝜆=632.8 nm），指向偏差小于1″；整体支撑结构一阶固有频率为141.66 Hz，动态刚度良好；在5∼500 Hz随机振动激励下结构最大3𝜎应力为9.96 MPa，在20 g、10 ms半正弦冲击载荷下峰值应力为67.6 MPa，均远小于材料屈服强度。
最后，加工装配了试验样机，完成了胶接装配、高低温贮存（−41∘C至69∘C 各保温24小时）及三向随机振动试验。试验结果表明：胶接前后、高低温试验前后及振动试验前后，两块反射镜的RMS值和PV值变化率均在±5%以内，最大相对变化率为4.8%。试验结果与仿真分析具有较好的一致性，验证了柔性支撑结构在应力释放、热适应性和抗振性能方面的有效性与可靠性。
综上所述，本文所提出的大长宽比矩形反射镜侧面多点柔性支撑方案及基于多目标遗传算法的参数优化方法，能够有效提升反射镜在热-力耦合环境下的面形精度与结构稳定性。研究成果为离轴三反相机系统中类似光学元件的支撑结构设计提供了理论依据与工程参考。

面向小样本与噪声环境下的望远镜传动系统复合故障诊断

Wed, 02 Sep 2026 02:46:06 GMT

Title: 面向小样本与噪声环境下的望远镜传动系统复合故障诊断 Authors: 陈帅 Description:

随着天文学的不断发展，天文观测对设备精度与稳定性的要求日益提高。大型天文望远镜作为高精度观测的核心装备，其传动系统中的旋转机械在实现精确指向与稳定跟踪过程中发挥着关键作用，其运行状态直接影响整机性能与观测质量。同时，大型望远镜通常在高山、沙漠、极地等环境下长期运行，这对传动系统的可靠性提出了更高要求。在这样的复杂条件下，传动系统易发生复合故障，而复合故障导致的特征重叠问题会增加故障诊断难度。当样本数量有限、信息不完备时，模型容易出现过拟合；同时，噪声干扰会进一步掩盖关键特征。这些因素综合作用，降低了故障诊断模型的性能。为此，本文结合深度学习方法，围绕有限样本与噪声环境下的复合故障诊断问题开展研究，主要内容如下：
(1) 复合故障物理机理分析：从机理层面对复合故障、小样本及噪声对信号特性的影响进行了系统分析。复合故障会引起特征频率的调制与耦合，导致频谱重叠甚至相互掩蔽；小样本问题会造成数据分布不完整，使深度学习模型易发生过拟合；强噪声环境则会在时域与频域中削弱甚至淹没故障特征。针对上述问题，分析了其对深度学习模型性能的影响机理。
(2) 针对上述挑战，提出了一种孪生梳状滤波网络 (Siamese Comb Filtering Network, SCFN)。该方法通过引入梳状滤波网络 (CF-Net) 增强特征提取能力，在突出故障特征频率成分的同时抑制无关信息；同时结合孪生神经网络 (Siamese neural network, Siamese Network) 与度量学习，在有限样本条件下构建判别性特征空间，提高样本相似性度量能力。此外，在网络各分支引入多元损失函数进行联合优化，从而引导模型学习更加判别性与鲁棒性的特征表示。
(3) 实验系统软硬件开发：基于QPZZ-II齿轮箱故障模拟实验平台，设计了不同严重程度齿轮故障；在此基础上，完成了传感器选型、数据采集设备选型及上位机软件开发，并综合考虑各模块之间的匹配关系与系统整体性能。最终基于LabVIEW设计实现了故障检测上位机软件设计，满足硬件参数配置、数据实时显示与数据存储等功能需求。成功的搭建了一套完整的故障诊断系统，实现了对实验系统的软硬件开发。
(4) 在实验室自建数据集和公开数据集上，对所提出的模型进行了对比实验研究。在实验室自建数据集中，通过设置有限样本数量和不同强度的噪声干扰，对模型的诊断性能进行了验证。实验结果表明，在10个样本、信噪比为40 dB的条件下，所提出方法的诊断平均准确率达到88.35%，相较于对比模型CF-Net、Siamese Network和卷积神经网络 (Convolutional Neural Network, CNN) 分别提升了1.3%、34.13%和48.88%。进一步地，在公开数据集上的实验结果显示，该方法的准确率依然高于其他方法，充分验证了模型的有效性，鲁棒性以及泛化能力。
综上所述，本文提出的孪生梳状滤波网络能够有效提升小样本及强噪声环境下复合故障诊断的准确性，相关研究成果可为大型天文望远镜传动系统的故障诊断提供有力的技术支撑。

面向天文应用的高分辨高集成度芯片光谱仪研究

Wed, 02 Sep 2026 02:36:45 GMT

Title: 面向天文应用的高分辨高集成度芯片光谱仪研究 Authors: 仲韵贤 Description:

面向现代天文学中高分辨光谱观测、大规模光谱巡天以及空间载荷小型化的发展需求，传统天文光谱仪在实现高分辨率与宽波段覆盖的同时，普遍面临体积庞大、结构复杂、系统稳定性要求高以及工程扩展困难等问题。集成光子学的发展为新型天文光谱仪的小型化、高稳定性与可复制部署提供了新的技术路径。本文围绕面向天文应用的高分辨高集成度芯片光谱仪开展系统研究，旨在探索兼顾高分辨能力、大宽带获取、高集成度与高稳定性的芯片光谱实现方法，并推动芯片光谱仪由器件级验证向系统集成与应用和高复用体系扩展发展。在此基础上，本文建立了面向器件设计、系统实现与误差补偿的理论分析框架。
围绕高分辨波导阵列光谱芯片的实现问题，本文研究了基于级联相位调制的高分辨波导阵列结构，建立了阵列输出模型，分析了幅度误差、相位误差及系统参数扰动对光谱形成质量的影响规律。完成了高分辨波导阵列芯片的设计、制备与实验验证，实测光谱分辨率达到68,000。针对高分辨芯片在实际测量中存在的低对比度问题，进一步开展了高对比度光谱重构研究，将光谱对比度提高到20 dB。围绕限制器件性能提升的通道级相位误差问题，本文进一步研究了基于空间光调制器的相位误差检测与补偿方法，并结合随机并行梯度下降算法实现闭环优化，使输出光谱对比度由4.7 dB提升到9.3 dB，从而建立了由高分辨芯片实现、低对比度光谱恢复到通道级误差补偿验证的完整研究链条。
围绕高分辨与大宽带兼顾的天文应用需求，本文进一步研究了高分辨大宽带芯片光谱系统。针对阵列型芯片自由光谱范围有限以及宽带条件下多级次谱线组织复杂的问题，构建了由高分辨波导阵列芯片与正交色散模块组成的混合色散芯片光谱系统，并围绕芯片结构优化、二维光谱展开关系、系统定标及成像性能开展研究。所构建系统总体体积小于500 cm³，在保持紧凑化优势的同时实现了超过20,000的整体光谱分辨率和180 nm的总光谱覆盖带宽。进一步搭建太阳近红外光谱观测系统并开展实测，成功分辨出1564.85 nm和1565.29 nm两条太阳 Fe I 吸收线，同时识别出邻近波段 H₂O 吸收特征。相关结果验证了该系统在真实观测条件下的宽带谱线获取、波长标定与高分辨谱线识别能力。太阳近红外光谱实测结果表明，该系统具备由实验室验证走向真实天文观测应用的潜力。
在高集成度和高复用度扩展方面，本文进一步研究了正交色散集成与多目标探测架构。针对传统混合色散系统仍依赖片外自由空间正交色散链路的问题，研究了正交色散集成相位阵列型光谱芯片，分析了片上光栅结构在色散效率、级次分离和背景抑制方面的性能特征，并探索了适用于高分辨阵列芯片的片上正交色散实现路径。在此基础上，面向多目标观测和积分视场应用需求，进一步设计了基于芯片堆叠与模块复用的高集成芯片光谱体系架构，并对其关键参数与性能进行了分析。结果表明，该架构具备支持10层芯片堆叠和100个目标并行观测的潜力；面向850 nm波段，可形成分辨率85,000、单目标覆盖带宽约10 nm的高分辨芯片光谱方案。上述研究为芯片光谱仪向高集成、高复用、多目标和积分视场架构发展提供了新的实现思路。
综上，本文围绕高分辨高集成度芯片光谱仪，系统开展了理论建模、器件设计、系统实现、误差补偿及体系扩展研究，形成了由高分辨芯片实现、大宽带系统验证到高集成架构拓展的完整研究链条。本文提出并实验验证了面向天文观测的高分辨大宽带混合正交色散芯片光谱系统，建立了通道级相位误差高精度检测与补偿方法，并拓展了片上正交色散、多目标与积分视场芯片光谱体系。相关研究为天文光谱仪向小型化、高稳定性、高复用度和可扩展方向发展提供了理论基础和实验支撑，也为集成光子学器件在太阳物理、恒星光谱测量以及未来空间天文和大规模光谱巡天中的应用奠定了基础。

可变形镜坏点对高对比度成像系统影响研究

Wed, 02 Sep 2026 02:29:29 GMT

Title: 可变形镜坏点对高对比度成像系统影响研究 Authors: 彭锦辉 Description:

高对比度成像为系外行星探测等领域的关键技术，其终极目标是直接探测位于极强目标源近距离处的微弱光信号。在高对比度成像应用中，光学系统的波前畸变是制约系统成像对比度的关键。本文主要研究了光学波像差对高对比度成像系统的影响，其中高阶波像差是导致系统点扩散函数（point spread function，PSF）图像上产生散斑噪声，是制约超高对比度性能的关键因素。超高对比度成像应用通常需要高密度、千单元及以上的可变形镜（Deformable Mirror，DM）作为高精度波像差校正的执行单元。然而，受到地面集成装配工艺缺陷或空间环境辐射等潜在因素的影响，DM促动器容易出现不期望的“坏点”（非正常工作的促动器，Misfunctioned Actuator）或者甚至完全不工作的促动器，导致其部分区域不能够正常驱动DM的薄膜镜面产生形变。对此，本文针对DM上不同坏点分布模式对高对比度成像仪器开展了系统性的建模和影响分析，基于焦面迭代优化算法完成了系统性的理论研究和数值模拟仿真工作。
本文系统梳理了高对比度成像技术的研究背景与发展现状，设计并搭建了一套基于DM波像差闭环校正的高对比度成像仿真平台，重点模拟了促动器坏点对系统调制与校正性能的影响。在此基础上，本文采用随机并行梯度下降（Stochastic Parallel Gradient Descent，SPGD）数值优化算法，构建了“基准建立—像差引入—闭环校正—性能评估”的完整暗区优化仿真分析平台。首先建立系统预期的理论成像对比度，即利用SPGD算法对系统静态像差进行预校正，生成理想的高对比度成像“暗区”作为后续对性能影响评判和比较的基准。然后，在设定一定数量坏点起始状态，分别引入“随机位置、中心区域位置以及中心与边缘位置”三种不同的坏点分布模式，然后通过SPGD对上述存在坏点初始工况开展迭代优化校正，最终达到最优对比度（不收敛）。最后，系统比较校正后的暗区性能与初始无坏点的理论对比度基准，系统分析了坏点在不同位置和布局工况下，通过迭代优化之后，对系统最终成像对比度性能的影响。
研究结果表明：1）数值优化算法对典型的波像差具有良好的校正能力，在无坏点工况下，系统能够实现3.5×10−9的平均成像对比度。2）随机坏点多数分布在DM边缘位置时，对校正收敛的效果无影响，系统性能无明显衰退；3）当坏点分布于中心区域时，系统性能衰退较为显著，双象限优化对比度退化至9.0×10− 9，且靠近系统PSF中心区域突破10−8。4）当坏点同时分布在中心与边缘区域时，系统最终成像对比度性能退化程度弱于集中分布在中心区域工况，进一步说明坏点位于不同位置对系统的实际影响。因此得出以下结论：DM位于中心区域促动器故障对系统的影响远大于边缘区域，这对实际工程应用提供了重要指导，即应优先保障中心促动器的可靠性，并对其出现问题采取及时有效的故障预案。该研究系统性分析了DM促动器坏点对最终高对比度成像性能影响，对空间超高对比度成像的工程应用具有重要价值。