中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

随着天文观测技术的快速发展，天文学正从太阳系外行星的搜寻和研究中逐步找到答案，其中寻找地球2.0是最受天文学家青睐的搜索目标之一。恒星视向速度测量技术作为探索岩质系外行星的有利手段，进行恒星视向速度高精度测量的高分辨光谱仪的研制计划层出不穷。

西班牙GTC天文台规划在2025年前引进一台高分辨率超稳定光谱仪推进系外行星前沿研究，通过为GTC研制一台高分辨率超稳定光谱仪可以提供十米级望远镜观测平台，弥补我国当前大口径光学望远镜的缺失。

项目设定高分辨光谱仪恒星视向速度测量精度目标为0.3𝑚/𝑠，即等效于光谱线在探测器上4.5nm的像斑漂移。该技术要求对仪器各项性能和稳定性要求极为严苛，为实现≤0.3𝑚/𝑠的视向速度测量精度，通过经验误差分配，光谱仪光机系统引起的恒星视向速度测量精度需≤0.1𝑚/𝑠。

本文以高分辨光谱仪可见光主体为研究对象，采用理论分析、光机结构优化设计和光机热集成分析等方法对光机稳定性进行了研究，主要包括以下内容：

1）针对仪器不稳定引起的图像漂移限制在1/10000像素级（1.5nm像斑漂移）的高要求，重点研究了光谱仪工作环境（温度、气压）对光机结构的影响，推导出其光谱漂移的影响特性。其次，提出了基于灵敏度矩阵的光机热集成分析方法，推导了光学元件位姿、光学平台结构局部刚度和全局刚度对像面光谱漂移的灵敏度计算公式，并对设计参数进行了灵敏度分析，讨论了设计参数对仪器稳定性的影响。最后，针对多设计参数耦合问题，提出了智能参数取值方案。

2）针对光谱仪光学系统支撑主件——光学平台，进行了光机热集成设计参数分析，指导光学平台结构刚度指标设定。研究了超稳定立式光学平台的优化设计方法，以满足高分辨光谱仪的超稳定特性为设计技术指标。在平台结构优化设计方面，先采用动刚度拓扑优化算法得出的拓扑结构，然后进行基于光机热集成分析的板壳节点参数优化设计，得到满足稳定性设计要求的光学平台结构。光学平台最终结构采用板壳框架式，其结构质量为3498kg

，负载条件下的一阶模态为73Hz，可以满足最低模态大于70Hz的动刚度指标要求。

本文针对微振动和温变两种工况，对结构变形引起光谱图像沿色散方向的漂移进行分析，对光学平台的三点支撑方式进行了对比研究，发现柔性支撑结构能够更有效地补偿光学平台在室温和真空恒温两种工况下热载荷产生的畸变，同时能减小微振动下的结构畸变。在运行条件下（温差±0.001℃）红光通道像面最大光谱漂移量为1.47𝑛𝑚，蓝光通道像面最大漂移为1.02𝑛𝑚，满足像面漂移小于1.5𝑛𝑚的技术要求。

3）阶梯光栅为高分辨光谱仪的核心元件，其大尺寸需要通过机械拼接的方式得到。为了能够得到超稳定的光栅拼接机构，本文从高分辨光谱仪角度出发，对拼接光栅的调节精度对光谱仪性能的影响进行了理论分析，并对其调节误差进行了仿真分析。设计了一套实验用两镜可调节拼接光栅和仪器用超稳定三拼接光栅，相应的分析了其结构误差来源，同时对拼接光栅的稳定性进行了分析研究。