天文应用之红外器件性能与测试评估方法分析

简要介绍红外技术在天文观测中的意义、天文观测对红外探测器件以及红外光学系统的独特要求。重点归纳和总结了天文观测中所关注的主要性能指标,并且给出部分指标的测试方法,为红外技术运用于天文观测建立基础。     

3~5μm红外天空亮度测量的多元定标模型

传统一元定标法测量红外天空亮度,面临诸多困难,如测量易受环境温度变化影响、仪器动态范围不足等。提出增加积分时间为自变量的二元定标模型,解决了仪器动态范围不足的问题;然后通过改变环境温度的系列实验,掌握了二元定标模型中仪器辐射随环境温度变化的规律;基于此,提出再增加环境温度为自变量的三元定标模型。实验数据表明,三元模型与实测数据拟合程度很高,相关系数为1.000,模型参数a、b、d,95%置信度的相对不确定度均小于0.82%,当环境保持某一温度不变时,三元模型退化为二元模型,各模型参数稳定,其相对偏差小于0.6%。最后,通过红外天空亮度实测,验证并比较了三元和二元定标模型;结果表明,三元模型定标测量法使用条件宽泛,既扩大了仪器动态范围,又不受环境温度变化影响;更重要的是,不再需要现场定标,提高了测量精度和测试效率。     

国内典型天文台站大气红外背景辐射实测分析

大气背景辐射强弱决定了红外望远镜系统极限灵敏度,直接影响系统设计,背景辐射也是反映天文台站观测性能优劣与否的一项重要指标。实测了国内的阿里天文台、德令哈观测站、怀柔观测站等几个典型天文台站大气红外背景辐射,尤其是获得了阿里天文台大气红外背景辐射的一手资料。实测结果表明:阿里天文台大气红外背景辐射的强弱以及辐亮度均值的昼夜变化在几个台站中均最小,其最大辐亮度均值为1.3010-6 Wcm-2sr-1,辐亮度均值的最大昼夜变化仅为18%,其红外背景辐射限最优;其次是德令哈观测站。将扫天实测辐亮度与MODTRAN模拟辐亮度进行对比,发现对于国内如阿里等青藏高原高海拔地区无论是标准大气模式还是实际大气模式其模拟结果与实测间皆存在较大差异。     

基于辐射传输的M'波段大气透过率实测和误差分析

采用自制的M'波段（4.605~4.755 m）红外辐射测量系统对阿里观测站、德令哈观测基地和怀柔观测基地的大气辐射进行实地测量,并对结果进行拟合和误差分析。首先,基于黑体定标结果和辐射传输方程,得到输出有效读数与平均大气透过率和天顶角的关系公式;在三个站点对不同天顶角下的大气红外辐射进行扫描测量,利用上述公式,拟合出M'波段平均大气透过率。结果表明,三地透过率的加权平均值分别为0.805、0.758、0.650,透过率随时间的起伏分别为0.081、0.250、0.073,高海拔的阿里观测站透过率最高。用MODTRAN软件模拟的平均透过率分别为0.851、0.805、0.615,与实测结果接近;误差分析表明:有效读数越大,传递误差越小,此方法的理论误差优于10%。文中提供了一种不依赖气象数据,实时获得大气透过率的方法。     

用于天文观测的InGaAs近红外探测器性能测试方法

基于天文红外探测器评价体系,利用改进的“光子转移曲线”测试方法,分别测试了液氮制冷和热电制冷的两款InGaAs近红外探测器的性能。NIRvana-LN光电子与输出数字量的转换因子为0.16ADU/e^-,读出噪声实测值是83 e^-,远高于标称值15 e^-;NIRvana的高、低转换因子分别为1.25ADU/e^-和0.097ADU/e^-,读出噪声分别为105 e^-和380 e^-;NIRvana在高转换因子档下暗电流实测值是415 e^-/s,大约是标称值的2倍。理论估算云南天文台两米环形望远镜在1.565 μm太阳磁场测量时的信号电子数约8800 e^-,在实测暗电流4.06 e^-/s,像元曝光时间20 ms,读出噪声83.59 e^-条件下,NIRvana-LN探测器信噪比为70。