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1.30×10-6 W·cm-2·sr-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。

采用自制的M′波段(4.605~4.755 μm)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。

为了得到不同海拔地区的大气透过率, 探索大气透过率随海拔高度的变化规律, 利用数值模拟、软件计算和实地测量方法分别对阿里(5 km)、德令哈(3 km)和怀柔(0 km)3个不同海拔地区在4605~4755 μm波段25 km以下的大气透过率进行了计算和测量。结果表明: 红外大气透过率随海拔高度增加而增加; 采用数值模拟计算得到3个地方的大气透过率分别为0709、0572和0555; 采用软件计算得到的透过率分别为0849、0766和0596; 采用实测方法得到的透过率分别为0805、0.766和0.673; 阿里地区海拔较高, 相对湿度较低, 能见度高, 大气透过率最好。该结论对国内天文红外观测及空间红外目标辐射特性测量具有重要的借鉴意义。

为研究大气背景辐射和仪器辐射规律、控制仪器热辐射和仪器精度,设计了一套大气背景辐射测量系统。分析了测量系统各组件和辐射定标等各类误差源对总测量误差的影响,还分析了定标精度的影响因素,确定了测量工作的改进方向。结果表明:该系统在定标区间内的测量误差主要是定标误差和随机误差,两者分别为2.4719%和0.0790%;合成误差为2.4732%。当用该系统测量大气背景辐射时,对大多数优良的天文台站而言,大气辐射强度远低于定标时的辐射强度,因此需进行外推测量。对外推测量误差的估计结果表明,外推测量可能导致较大的测量误差。为提高大气背景辐射测量精度,更低辐射强度的标准辐射源不可或缺。研制了大气背景辐射测量系统,并进行了野外实测等工作,这为大口径红外天文望远镜系统的研制并将其实际应用于红外天文观测提供了基础。

提出了基于大气辐射传输方程的红外大气透过率测量方法，使用中波红外辐射亮度测量装置在青海德令哈和北京怀柔对红外大气透过率进行了实测验证；并与模型计算结果进行了对比。只需在短时间内精确测量不同天顶角处的大气辐射亮度，采用大气辐射传输方程对测量数据进行拟合，即可得到测试波段整层大气透过率。实测结果：德令哈大气透过率0.730，相对不确定度2.4%；怀柔大气透过率0.625，相对不确定度0.8%。此测量方法不需使用大口径望远镜，简便易行；更重要的是测量不基于大气外的标准星，透过率测量精度不受标准星亮度精度的影响。

应大口径红外望远镜选址需求,研制了一台红外辐射测量设备,对丽江天文观测站及澄江M'波段(4.605~4.755 μm)大气红外辐射与消光特性进行了实测。用Allan方差法和大气辐射传输方程分别对大气辐射的时间和空间变化数据进行了分析,讨论了辐射时空变化对红外天文观测的影响。结果表明,低频区的辐射涨落较大,Allan方差随积分时间呈指数增加,丽江和澄江的Allan方差拟合参数分别为0.794和1.238。从天顶到60°天顶角,丽江和澄江站的辐射亮度分别增大了68%和72%,透过率分别降至0.46和0.52;红外天文观测需斩波,在丽江站,探测器单像元、2×2 Binning、4×4 Binning最佳斩波频率分别为0.030,0.070,0.144 Hz。实测所得Allan方差、大气消光、最佳斩波频率可用于指导大口径红外望远镜的选址及设计。

针对中国巨型太阳望远镜(CGST)的8 m环形太阳望远镜(8m-RST)设计方案,建立了其边缘传感器和光学传感器响应子镜面内位移量的模型,进而分析了子镜面内位移对环形拼接主镜面形保持的影响。考虑了望远镜桁架因望远镜指向和温度改变所引起的子镜面内位移量,发现该位移量会破坏8m-RST的面形保持效果。为解决面内位移对8m-RST面形保持的不利影响,提出了相应的主镜控制模型改进方案。改进方案是:通过在子镜拼缝处加装两组间隙量传感器和一组剪切量传感器,利用增加的探测量估算子镜的面内位移量,进而修正边缘传感器与光学传感器的设定值。当间隙量和剪切量的探测精度优于23 nm时,改进方案可以满足CGST的8m-RST方案的面形保持要求。