主帶彗星探測(cè)的科學(xué)目的及光譜儀設(shè)計(jì)構(gòu)想

李碧岑，殷建杰，張 昊，王偉剛

（1.北京空間機(jī)電研究所，北京 100094；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074）

引 言

小天體133P/Elst-Pizarro（以下簡(jiǎn)稱(chēng)133P）于1979年以小行星的形式被發(fā)現(xiàn)并命名為1979OW7后，在1996年又以彗星1996O2 的形式被發(fā)現(xiàn)[1]，由于其軌道特征為主帶小行星但同時(shí)具有彗星的活躍性，因此被命名為主帶彗星或“活躍小行星”[1-2]，截至2018年4月，已有近20 顆主帶彗星及候選天體被發(fā)現(xiàn)[3]。主帶彗星當(dāng)今的軌道特征表明，這一群體很有可能形成于其目前所在區(qū)域，至今已存在39～46 億年，而非是遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶冰凍天體受擾動(dòng)后移居到當(dāng)前的位置。這一發(fā)現(xiàn)的重要意義在于：①由于人們之前認(rèn)為在太陽(yáng)系原始行星盤(pán)的冰凍線(xiàn)之內(nèi)不可能形成冰，因此人們目前對(duì)盤(pán)內(nèi)溫度或物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)很可能不正確，或者在早期的太陽(yáng)系，星子發(fā)生過(guò)顯著的移居過(guò)程[4]；②由于海王星外彗星所攜帶水的同位素與地球海洋的平均值不符，所以由彗星撞擊地球帶來(lái)水的假設(shè)可能不成立，而地球上的水和有機(jī)物很有可能是由主帶彗星等近鄰帶來(lái)的?；谶@些對(duì)太陽(yáng)系形成和演化的重要意義，主帶彗星是未來(lái)近期人類(lèi)飛躍和繞飛探測(cè)的重要目標(biāo)天體[3]。

為了理解主帶彗星所攜帶的包括水冰在內(nèi)的各類(lèi)揮發(fā)分的特性、來(lái)源和分布特征，就需要對(duì)其表面成分及其分布和產(chǎn)率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行定量測(cè)量。而可見(jiàn)近紅外和中遠(yuǎn)紅外（熱輻射）光譜儀是進(jìn)行這些測(cè)量的最重要的載荷儀器之一。主帶彗星和海外彗星除了軌道特征不同以外，諸如133P 主帶彗星并不是在每次回歸到近日點(diǎn)都會(huì)發(fā)生活躍性，它在被發(fā)現(xiàn)以來(lái)的6 次回歸中，有5 次被觀察到出現(xiàn)活躍性。目前對(duì)這一現(xiàn)象的理解是，主帶彗星的水冰可在距表面50～150 m的深度在太陽(yáng)系壽命長(zhǎng)度時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在，而撞擊作用可能將次表層的冰暴露在表面或翻動(dòng)到靠近表面的淺層，從而在近日點(diǎn)處發(fā)生升華導(dǎo)致出現(xiàn)活躍性。這些特點(diǎn)決定了探測(cè)主帶彗星與探測(cè)小行星和彗星的不同之處。本文先對(duì)光譜儀的科學(xué)目的進(jìn)行描述，再針對(duì)這些測(cè)量目的確定光譜儀主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，結(jié)合小天體探測(cè)光譜儀的技術(shù)現(xiàn)狀，確定光譜儀的技術(shù)途徑。

1 科學(xué)目的

1.1 問(wèn)題提出

綜合近年來(lái)國(guó)際上諸如“羅賽塔號(hào)”（Rosetta）等探測(cè)器可見(jiàn)近紅外成像光譜儀探測(cè)67P/Churyumov-Gerasimenko及其它天體[3-5]的科學(xué)目標(biāo)和載荷科學(xué)目的，并針對(duì)主帶彗星的特點(diǎn)，對(duì)開(kāi)展133P 光譜探測(cè)的主要科學(xué)目的歸納如下：

1）尋找表面受撞擊造成的活躍性：通過(guò)尋找從次表層挖掘出的揮發(fā)分材料，并對(duì)其成分和形態(tài)進(jìn)行鑒定，以理解冰的升華、撞擊濺射、熱斷裂和輻射壓力等小天體損失材料的各種過(guò)程的物理機(jī)制。

2）尋找有機(jī)化合物并鑒定其成分：在彗核中，一氧化碳（CO）、甲醇（CH3OH）、甲醛（H2CO）與水進(jìn)行深度混合，在太陽(yáng)輻射作用下發(fā)生聚合反應(yīng)生成復(fù)雜的有機(jī)化合物?！傲_賽塔號(hào)”探測(cè)67P 的光譜數(shù)據(jù)中，有一個(gè)位于3.5 μm 的有機(jī)物吸收特征至今尚未理解是什么成分造成的，因此將光譜范圍拓展到50 μm，以期獲得更多位于熱發(fā)射譜段的化合物光譜特征，更好地確定化合物種類(lèi)。

3）確定主帶彗星上各類(lèi)冰的種類(lèi)和成分及形態(tài)特征：由于彗星的“臟雪球”特征，在主帶彗星上不太可能存在純凈的冰，在多數(shù)情況下應(yīng)該是冰（水（H2O）、氨（NH3）、二氧化碳（CO2）及硫化氫（H2S）等）、有機(jī)物和硅酸鹽的混雜物以及各種次生礦物。通過(guò)光譜尋找典型層狀硅酸鹽的2.9～3.3 μm光譜特征，以及礦物中未離解的水或羥基吸收特征（1.4 μm 及 1.9 μm）。例如，如果只有 1.4 μm 而無(wú)1.9 μm的吸收，則表明只有水溶膠。

4）確定表面地質(zhì)和礦物結(jié)構(gòu)及分布信息：主帶彗星的表面結(jié)構(gòu)和礦物成分可提供其形成和演化信息，通過(guò)比較主帶彗星和典型小行星及彗星在地質(zhì)學(xué)和礦物學(xué)上的異同，可以更好地理解類(lèi)小行星和類(lèi)彗星的演化，以及更好地幫助我們理解太陽(yáng)系的形成和演化規(guī)律。

5）確定主帶彗星表面硅酸鹽礦物的成分和本質(zhì)：氣體-固體作用可改變?cè)嫉墓杷猁}，導(dǎo)致某些次生的層狀硅酸鹽和鐵氧化合物的產(chǎn)生，而只有在冰封的內(nèi)核區(qū)域才可能找到未受改變作用的原始球粒材料。對(duì)海爾-波普彗星（長(zhǎng)周期彗星）的觀測(cè)表明，該彗星與一個(gè)年輕的恒星（也許包含有正在形成的行星）HD100546 的光譜具有驚人的相似特征：都具有鎂橄欖石的0.9 μm 吸收特征，而橄欖石是如何進(jìn)入長(zhǎng)周期彗星的，在短周期的主帶彗星中是否能探測(cè)到橄欖石？

1.2 133P的光譜特征及光譜儀光譜范圍

由于目前133P 的光譜分類(lèi)被定位為F 類(lèi)[6]或B類(lèi)[7]，圖1總結(jié)了目前已有的對(duì)133P的光譜觀測(cè)結(jié)果以及與典型F 類(lèi)天體的光譜比較。圖1（a）比較了133P 的可見(jiàn)[8]和近紅外[7]觀測(cè)以及 419 號(hào)和704 號(hào)小行星的觀測(cè)結(jié)果（數(shù)據(jù)來(lái)自https://pdssbn.astro.umd.edu/），圖1（b）則為基于熱發(fā)射波段觀測(cè)并使用小行星熱物理模型構(gòu)建的133P 的2～30 μm 的發(fā)射光譜[9]。從圖（1）中可見(jiàn)，133P 在0.4 μm 處有一個(gè)顯著的吸收，而在這之上到2.5 μm，與其它F類(lèi)天體相似都缺乏明顯的吸收特征。在2～30 μm 的范圍內(nèi)，從2～4 μm區(qū)域?yàn)榉瓷涮?yáng)光和熱發(fā)射的混合作用結(jié)果，而在4 μm 以上為類(lèi)似普朗克黑體輻射的發(fā)射特征。因此如果要確定133P 的表面溫度，需要光譜范圍至少到30 μm。對(duì)各類(lèi)硅酸鹽等礦物的中紅外實(shí)驗(yàn)室光譜測(cè)量表明，如果需要確定礦物的顆粒尺寸分布，則需要將波長(zhǎng)延伸至50 μm[10]。

圖1 133P/Elst-Pizarro的可見(jiàn)（VIS）和近紅外（NIR）光譜以及F類(lèi)天體（419）Aurelia和（704）Interamnia的觀測(cè)光譜比較；133P/Elst-Pizarro的模型熱發(fā)射光譜.Fig.1 Visible（VIS）and near infrared（NIR）reflectance spectra of 133P/Elst-Pizarro and that of two F-bodies（419）Aurelia and （704）Interamnia；data are from PDS Small Body，Thermal emission model spectra of 133P/Elst-Pizarro

2 深空探測(cè)光譜儀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

國(guó)外已發(fā)射的深空探測(cè)光譜儀的譜段范圍越來(lái)越寬，譜段覆蓋可見(jiàn)光到甚長(zhǎng)波紅外譜段，可見(jiàn)光至中波紅外主要探測(cè)礦物和大氣成分，中長(zhǎng)波至長(zhǎng)波紅外主要探測(cè)熱輻射。

2.1 可見(jiàn)紅外成像光譜儀國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

可見(jiàn)紅外成像光譜儀光譜范圍寬，并可同時(shí)獲得高空間分辨率和高光譜分辨率，已在“卡西尼”（Cassini）土星探測(cè)器、“火星快車(chē)”（Mars Express）、“羅塞塔號(hào)”（Rosetta）彗星探測(cè)器、“金星快車(chē)”（Venus Express）、“黎明號(hào)”（Dawn）小行星探測(cè)器等多次深空探測(cè)任務(wù)中獲得成功應(yīng)用。

2003年6月2日，歐洲航天局（European Space Agency，ESA）發(fā)射了“火星快車(chē)”探測(cè)器，其上搭載了紅外礦物繪制光譜儀（OMEGA）[11]。OMEGA是一臺(tái)可見(jiàn)光近紅外成像光譜儀，工作光譜范圍為0.35～5.1 μm。通過(guò)分析反射太陽(yáng)光和表面熱輻射，開(kāi)展小行星大氣的分子組成和表面礦物質(zhì)研究?？梢?jiàn)光譜段采用推掃方式，紅外譜段采用擺掃方式，光譜儀采用被動(dòng)制冷，工作溫度為190 K。3 個(gè)譜段光譜分辨率分別為7 nm、14 nm、20 nm。

2004年3月2日，ESA發(fā)射了“羅塞塔號(hào)”彗星探測(cè)器，其上搭載了一臺(tái)可見(jiàn)紅外成像光譜儀（VIRTIS）[12]，科學(xué)目標(biāo)為研究固體的性質(zhì)，分析氣體組成，測(cè)量慧核表面的溫度，分析慧星的物理?xiàng)l件，幫助尋找最佳著陸點(diǎn)。VIRTIS 光譜儀包括兩個(gè)光譜儀通道，一個(gè)是光譜成像通道（VIRTIS-M），一個(gè)是高光譜通道（VIRTIS-H）。VIRTIS-M 光學(xué)系統(tǒng)包括可見(jiàn)光和紅外兩個(gè)通道，將遠(yuǎn)心Shafer望遠(yuǎn)鏡與Offner 光柵光譜儀相匹配。VIRTIS-H 采用交叉色散理念，在2～5 μm光譜范圍內(nèi)的平均光譜分辨率為λ/Δλ=2 000。為了減小光譜儀自身熱輻射引起的背景噪聲，儀器被制冷到130 K。

國(guó)外已用于深空探測(cè)的低溫光譜儀如表1所示?？梢钥闯觯庾V儀的光譜分辨率越來(lái)越高，儀器普遍采用輕小型化設(shè)計(jì)。為提高探測(cè)靈敏度，均采用被動(dòng)制冷。

表1 國(guó)外深空探測(cè)可見(jiàn)紅外光譜儀技術(shù)指標(biāo)比較Table1 Foreign visible and infrared spectrometer for deep space exploration

2.2 熱輻射光譜儀國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

光譜儀在深空探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，日本是最早進(jìn)行小行星探測(cè)并采樣返回的國(guó)家，在探測(cè)“小行星“糸川”的“隼鳥(niǎo)號(hào)”上日本宇宙研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）搭載一臺(tái)近紅外光譜儀，隨后美國(guó)“黎明號(hào)”開(kāi)展了對(duì)灶神星和谷神星的探測(cè)，后續(xù)美國(guó)又研制了“起源、光譜釋義、資源識(shí)別、安全、風(fēng)化層”探測(cè)器“奧西里斯”（OSIRIS-Rex），開(kāi)展對(duì)“貝努”（Bennu）小行星的探測(cè)，該任務(wù)搭載了一臺(tái)熱輻射光譜儀。除小行星探測(cè)任務(wù)外，在深空探測(cè)的火星探測(cè)領(lǐng)域，“火星巡視探測(cè)器”和“火星快車(chē)”上也搭載了相同研究目的的“微型熱輻射光譜儀”和“行星傅里葉光譜儀”?？v觀深空探測(cè)的發(fā)展過(guò)程，需求光譜儀的譜段范圍不斷擴(kuò)大，深空探測(cè)任務(wù)中不僅設(shè)置近紅外和短波紅外光譜儀，同樣注重遠(yuǎn)紅外譜段的探測(cè)。國(guó)外熱輻射光譜儀具體信息如表2所示。

表2 國(guó)外熱輻射光譜儀研究現(xiàn)狀Table 2 Abroad thermal emission spectrometer

“火星快車(chē)”上的“行星傅里葉光譜儀”[13]目的是測(cè)量火星表面溫度和壓力的垂直分布，研究火星表面風(fēng)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，開(kāi)展水、CO、氣溶膠和礦物質(zhì)的研究。因其任務(wù)包含對(duì)氣體成分的分析，“行星傅里葉光譜儀”的光譜分辨率較探測(cè)無(wú)大氣環(huán)境的小行星類(lèi)的光譜儀的光譜分辨率高，達(dá)到1.3 cm-1，其探測(cè)譜段分為 1.2～5.5 μm 和5.5～45 μm 兩個(gè)通道，通過(guò)兩套獨(dú)立的具有不同視場(chǎng)角的傅里葉變換干涉系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道的探測(cè)，該載荷的質(zhì)量和功耗相對(duì)較大。

“火星巡視探測(cè)器”上搭載的“微型熱輻射光譜儀”[14]用于獲取火星表面礦物質(zhì)溫度和輻射率分布圖像，有助于為著陸器尋找更好的著陸地點(diǎn)，并收集關(guān)于火星地理環(huán)境的大量數(shù)據(jù)?；趯?duì)火星的長(zhǎng)期研究，NASA針對(duì)火星的各種特性設(shè)置不同任務(wù)的探測(cè)載荷，“微型熱輻射光譜儀”工作譜段設(shè)置在5～25 μm，采用輕小型化設(shè)計(jì)，重量?jī)H為2.5 kg。

OSIRIS-Rex 上搭載的“熱輻射光譜儀”[15]的科學(xué)目標(biāo)為：①記錄采樣位置的光譜特性、礦物質(zhì)特性和地球化學(xué)特性；②Bennu表面材料的全球分布；③通過(guò)每天的溫度測(cè)試確定風(fēng)化特性（例如顆粒的尺寸和土層）；④通過(guò)熱發(fā)射判斷對(duì)亞爾科夫斯基效應(yīng)的影響；⑤研究空間風(fēng)化特性。較“黎明號(hào)”中的礦物質(zhì)分析探測(cè)載荷，這次任務(wù)的譜段范圍擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外譜段（50 μm）?？茖W(xué)家們?cè)絹?lái)越關(guān)注小行星的熱特性研究，意在預(yù)測(cè)小行星撞擊地球的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 國(guó)內(nèi)深空探測(cè)光譜儀發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)開(kāi)展深空探測(cè)活動(dòng)起步較晚。2012年12月13日，“嫦娥2 號(hào)”對(duì)小行星4179 實(shí)現(xiàn)了飛越探測(cè)，是我國(guó)首次進(jìn)行小行星探測(cè)，獲取了4179 的寶貴圖像資料[16]。目前，我國(guó)尚未開(kāi)展過(guò)小行星光譜探測(cè)?！版隙? 號(hào)”月球探測(cè)任務(wù)中搭載了一臺(tái)干涉式成像光譜儀[17]，工作譜段0.48～0.96 μm，設(shè)置了32 個(gè)通道，光譜分辨率325 cm-1（7～30 nm），空間分辨率200 m?！版隙?號(hào)”巡視器“玉兔號(hào)”月球車(chē)上配置了基于聲光可調(diào)諧濾波器的紅外成像光譜儀[18]，具備可見(jiàn)近紅外譜段（0.45～0.95 μm）的光譜成像及短波紅外譜段（0.9～2.4 μm）的光譜探測(cè)功能，為月面巡視區(qū)礦物組成分析提供科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)。與國(guó)外先進(jìn)水平相比，我國(guó)的深空探測(cè)光譜載荷在空間分辨率、光譜范圍和光譜分辨率等各方面均存在較大差距。

3 光譜儀設(shè)計(jì)

結(jié)合主帶彗星133P 光譜特性分析，同時(shí)借鑒國(guó)外小天體探測(cè)光譜儀的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，分別提出了可見(jiàn)紅外成像光譜儀和熱輻射光譜儀的技術(shù)方案。

3.1 可見(jiàn)紅外成像光譜儀

可見(jiàn)紅外成像光譜儀擬在探測(cè)軌道高度5～20 km處開(kāi)展懸停探測(cè)，由目標(biāo)天體的自轉(zhuǎn)進(jìn)行推掃成像，實(shí)現(xiàn)覆蓋整個(gè)天體的物質(zhì)成分探測(cè)，提供可見(jiàn)至中波紅外譜段的輻射強(qiáng)度圖像及光譜信息。來(lái)自目標(biāo)的光譜輻射信息經(jīng)過(guò)遮光罩進(jìn)入光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)色散分光后到達(dá)焦面電路，最后經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元處理后傳輸?shù)叫l(wèi)星平臺(tái)。整機(jī)采用輻冷器被動(dòng)制冷，紅外探測(cè)器采用制冷機(jī)主動(dòng)制冷。光譜儀整機(jī)系統(tǒng)主要包括光學(xué)子系統(tǒng)、電子學(xué)子系統(tǒng)和熱控子系統(tǒng)。光譜儀系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 可見(jiàn)紅外成像光譜儀系統(tǒng)組成Fig.2 Block diagram of visible and infrared imaging spectrometer

光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)采用全反射式，由前置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和光譜成像系統(tǒng)兩部分組成。采用Shafer 望遠(yuǎn)鏡+Offner 光柵光譜儀型式。通過(guò)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)覆蓋全譜段，沒(méi)有校正鏡、分光鏡、物鏡等元件，可大大減小系統(tǒng)的體積和重量。光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型如圖3所示?？梢?jiàn)光和紅外兩個(gè)譜段的分光通過(guò)在同一個(gè)光柵基底上的不同區(qū)域刻蝕不同密度的凹槽來(lái)實(shí)現(xiàn)，光柵設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示。

圖3 可見(jiàn)紅外成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型圖Fig.3 Optical system of visible and infrared imaging spectrometer

可見(jiàn)紅外成像光譜儀的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 可見(jiàn)紅外成像光譜儀技術(shù)指標(biāo)Table 3 Specifications of visible and infrared imaging spectrometer

可見(jiàn)紅外成像光譜儀的設(shè)計(jì)涉及以下關(guān)鍵技術(shù)：

1）寬譜段緊湊型光譜分光技術(shù)

小天體物質(zhì)成分探測(cè)存在很多未知因素，礦物類(lèi)型及其光譜曲線(xiàn)通常不具備經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，光譜儀的譜段越寬、光譜分辨率越高，越有利于獲取盡可能豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足物質(zhì)成分的探測(cè)和識(shí)別?？梢?jiàn)紅外成像光譜儀覆蓋可見(jiàn)至中波紅外波段，對(duì)通道的劃分、光譜分光元件的設(shè)計(jì)和加工等均提出了很高要求，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在保證性能要求的前提下，需采用十分緊湊的光路布局，以滿(mǎn)足深空探測(cè)載荷的輕小型化要求。本儀器通過(guò)采用復(fù)用型光柵分光元件、折疊光路布局等方法，使用盡可能少的光學(xué)元件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，并可實(shí)現(xiàn)光柵衍射效率、光譜畸變校正等指標(biāo)的最優(yōu)化，同時(shí)保證高成像質(zhì)量。

2）高靈敏度光譜成像技術(shù)

通常深空探測(cè)目標(biāo)的反射率和亮溫均較低，同時(shí)具備高空間分辨率和高光譜分辨率的光譜儀由于瞬時(shí)視場(chǎng)小和色散分光的特點(diǎn)，每個(gè)光譜通道的能量十分微弱，這就對(duì)系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度提出了很高要求?？梢?jiàn)紅外成像光譜儀工作至5 μm 的中波紅外譜段，除了進(jìn)行探測(cè)器暗電流及其噪聲的有效抑制，需將系統(tǒng)自身產(chǎn)生的紅外背景輻射噪聲降低至可忽略的量級(jí)。需對(duì)全探測(cè)鏈路進(jìn)行背景輻射噪聲影響的仿真分析，采用低溫光學(xué)設(shè)計(jì)方法和中波紅外探測(cè)器制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)背景輻射和暗電流噪聲的有效抑制。

3.2 熱輻射光譜儀

熱輻射光譜儀采用RC 系統(tǒng)前光學(xué)壓束+時(shí)間調(diào)制型傅里葉干涉分光+非制冷熱釋電探測(cè)的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍、高光譜分辨率、高信噪比和定標(biāo)精度的系統(tǒng)要求。熱輻射光譜儀系統(tǒng)組成如圖5所示，被測(cè)目標(biāo)光輻射信號(hào)經(jīng)光學(xué)組件引入干涉儀，干涉儀對(duì)輸入光束進(jìn)行干涉調(diào)制，經(jīng)輸出光學(xué)組件匯聚引入探測(cè)器并被轉(zhuǎn)換為干涉圖信號(hào)。干涉圖信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理器和數(shù)據(jù)處理單元處理可獲得探測(cè)目標(biāo)的光譜信息。

圖5 熱輻射光譜儀系統(tǒng)框圖Fig.5 Composing of thermal emission spectrometer

圖6 熱輻射光譜儀光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型圖Fig.6 Optical system of thermal emission spectrometer

表4 熱輻射光譜儀技術(shù)指標(biāo)Table 4 Specifications of thermal emission spectrometer

熱輻射光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)包括前光學(xué)系統(tǒng)、干涉儀系統(tǒng)、輸出光學(xué)系統(tǒng)，光路示意圖如圖6所示。前光學(xué)采用卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)，滿(mǎn)足大口徑光學(xué)輸入的同時(shí)，通過(guò)光學(xué)壓束，使輸出光路口徑適應(yīng)干涉系統(tǒng)要求，有效增加輸入輻射能量。光譜儀的核心是一臺(tái)時(shí)間調(diào)制型雙角鏡擺臂式干涉儀，干涉儀機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度大、對(duì)振動(dòng)不敏感等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于紅外譜段；采用自補(bǔ)償分束器，即一塊平行平板，無(wú)楔角設(shè)計(jì)且不需鍍膜，有效避免了傳統(tǒng)分束器+補(bǔ)償器方案鍍膜難度大、紅外膜系材料穩(wěn)定性差、楔角帶來(lái)的寬譜段色散難以有效補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題；配置高穩(wěn)定性的計(jì)量激光用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)鏡的運(yùn)動(dòng)控制和干涉信號(hào)采樣。輸出光學(xué)系統(tǒng)采用匯聚光路將干涉儀輸出的干涉光匯聚至焦面探測(cè)器。

小行星探測(cè)中遠(yuǎn)紅外熱輻射光譜儀技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

基于上述指標(biāo)需求和工作原理，熱輻射光譜儀的設(shè)計(jì)需突破如下關(guān)鍵技術(shù)：

1）高效率熱輻射干涉分光技術(shù)

干涉儀的功能是對(duì)被測(cè)光束進(jìn)行干涉調(diào)制，其關(guān)鍵性能指標(biāo)是透過(guò)率、調(diào)制效率和掃描穩(wěn)定度，它們影響著系統(tǒng)的信噪比指標(biāo)。需進(jìn)行干涉儀構(gòu)型和光路優(yōu)化配置，保證干涉儀的高透過(guò)率和高調(diào)制效率；優(yōu)化干涉儀控制和激光計(jì)量方案，提高控制的魯棒性和速度穩(wěn)定度；干涉儀的裝調(diào)方案需確保不引入額外的光程差。

2）非制冷熱釋電弱干涉信號(hào)采集與處理技術(shù)

針對(duì)紅外干涉信號(hào)弱、熱釋電探測(cè)器時(shí)間常數(shù)較大并伴有各類(lèi)噪聲和多種干擾的探測(cè)條件，熱輻射光譜儀需通過(guò)對(duì)微弱的紅外干涉信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)理，降低電路系統(tǒng)噪聲，提高信號(hào)抗干擾能力，同時(shí)采用高分辨率ADC 來(lái)滿(mǎn)足大動(dòng)態(tài)范圍干涉信號(hào)的探測(cè)需求。同時(shí)，采用基于算法的延時(shí)匹配技術(shù)解決干涉信號(hào)的同步問(wèn)題。該技術(shù)不依賴(lài)于硬件電路，僅通過(guò)數(shù)據(jù)采集和處理標(biāo)定出需要補(bǔ)償?shù)难訒r(shí)量，再經(jīng)算法計(jì)算即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步，可有效提高系統(tǒng)信噪比。

4 結(jié) 論

基于主帶彗星133P已有的可見(jiàn)-近紅外反射光譜和熱發(fā)射觀測(cè)數(shù)據(jù)以及光譜探測(cè)主帶彗星的科學(xué)目標(biāo)，提出光譜儀的譜段需覆蓋0.4～50 μm，儀器包括一臺(tái)可見(jiàn)近紅外成像光譜儀（0.4～5 μm）和一臺(tái)傅立葉變換熱發(fā)射光譜儀（5～50 μm）。通過(guò)借鑒國(guó)外已開(kāi)展的深空探測(cè)任務(wù)中的光譜儀設(shè)計(jì)和其應(yīng)用需求，提出了適用于小行星和彗星探測(cè)的可見(jiàn)紅外成像光譜儀的技術(shù)方案和關(guān)鍵技術(shù)，可為后續(xù)我國(guó)相關(guān)任務(wù)的規(guī)劃提供技術(shù)參考。

致 謝

感謝李薦揚(yáng)博士對(duì)133P光學(xué)特性的有益討論。