中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

类地系外行星的视向速度法探测要求新一代高分辨率天文光谱仪具备10 cm/s以上的仪器测量精度。仪器轮廓（Instrumental Profile, IP）描述了光谱仪对理想单色输入的固有响应，直接影响谱线中心定位、波长解构建及最终的视向速度（Radial Velocity, RV）测量结果。在真实条件下，IP往往表现出局部非对称、随像面几何位置以及环境、时间缓慢变化等特征，而传统高斯、超高斯等参数化模型由于函数形式固定，难以同时兼顾谱线主体结构与复杂细节，容易在定标过程中引入系统性偏差。
基于此，本工作围绕高分辨率光谱仪仪器轮廓的非参数精细建模及其应用展开研究，发展了一套基于高斯过程回归（Gaussian Process Regression, GPR）的仪器轮廓建模方法。主要工作包括：
（1）依托兴隆2.16 m望远镜高分辨率光纤光谱仪（216HRS）及配套天文光梳平台实测数据，建立了一套基于GPR的完整IP建模流程，在保持谱线主体形式约束的同时，实现了对局部非高斯残差与非对称结构的精细刻画。对于216HRS，GPR模型在分段IP拟合中的简化卡方平均值相较简单高斯模型的95.82显著降低至0.97，所构建的多段IP的模型在不同光谱级次与探测器区域下的简化卡方拟合优度和均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）均表现出良好的稳定性与一致性，验证了该方法在高分辨率光谱仪仪器轮廓建模中的适用性与鲁棒性。
（2）在建立精细IP模型的基础上，将其应用于本课题组开发的的天文光梳波长定标中。在同幅光梳曝光的单通道奇数梳齿波长校验实验中，GPR模型构建的波长解相较简单高斯模型的光梳梳齿拟合残差RMSE降低约35.6%；在短时间、低仪器漂移情况下，所构建的GPR模型具有良好的泛化能力，在不同幅曝光相同通道的波长定标实验中，所得梳齿拟合残差RMSE相较简单高斯模型下降约42.5%；在同幅曝光的双通道同步定标中，利用GPR模型求得的通道间波长解差异相较简单高斯模型显著地降低，RMSE下降约37.1%；在采用钍氩灯光谱进行独立波长求解的情况下，GPR模型相较超高斯RMSE下降约11.76%。
（3）采用以上方法和两个时间点的天文光梳光谱数据，分别构造GPR-IP模型，对所构造模型各段的质心、宽度、偏度和峰度四个矩参数进行了比较。结果表明，一阶矩变化量、宽度变化量、偏度变化量的总体均值分别为均接近零，而峰度变化量的均值为相比前三个量高出两个数量级，说明跨长时间尺度下IP整体保持稳定，但峰度已出现可测得的变化。综合四个矩参数的分布以及相应段差值的分布来看，跨长时间尺度下IP的变化具有显著的位置依赖性。
（4）利用以上两个时间段的钍氩灯光谱进行独立验证，采用两种不同的RV 求解方法（交叉相关函数（Cross-Correlation Function, CCF）法和逐条谱线中心拟合（line-by-line）法），进一步比较了基于超高斯函数和GPR方法所构造的IP模型在两个时间点间的变化情况。以2021年钍氩灯光谱为零点，采用CCF法时，基于GPR-IP模型波长解的计算结果，2022年相较2021年的整体等效RV偏移量为-47.52 m/s；基于超高斯模型波长解的计算结果，2022年相较2021年的整体等效RV偏移量为-51.38 m/s；GPR-IP模型相较超高斯模型CCF峰宽收窄约28.4%。采用line-by-line法时，基于各自年份GPR-IP模型拟合，2022年相较2021年的整体等效RV偏移量为-75.15 m/s；基于超高斯函数拟合，2022年相较2021年的整体等效RV偏移量为-83.45 m/s；GPR-IP模型相比超高斯模型，使逐线∆𝑅𝑉的均值、标准差和RMSE分别下降9.95%、17.52%和11.14%。固定采用2021年GPR-IP模型进行拟合时，2022年相较2021年的整体等效RV偏移量为-74.44 m/s，相对于采用各自年份GPR-IP模型拟合，等效RV偏移量相差0.71 m/s。结果表明，基于GPR的仪器轮廓模型相比ThAr的超高斯仪器轮廓模型能够在跨长时间条件下更真实地表征仪器响应变化，并有效提升波长定标与视向速度测量的一致性；由仪器轮廓变化引入的视向速度误差~71 cm/s，这对于≤10 cm/s的视向速度探测精度目标来说，是不可忽略的。

本研究结果表明，基于GPR的非参数仪器轮廓建模方法能够更有效地刻画高分辨率光谱仪一维IP的复杂结构，并在波长定标应用中表现优于传统参数模型。该方法实现了高分辨率天文光谱仪仪器响应的高精度表征，为提升波长定标精度和长期测量稳定性提供了有效支撑。