中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

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。