光谱仪器与数据处理

光谱仪使用光栅和棱镜等色散元件将光线分散成光谱，记录的数据在分析前必须进行波长和通量校准。

Definition

光谱数据处理是将原始光谱仪图像转换为经过波长校准（如果可能，也经过通量校准）的一维光谱的校准和提取操作序列。

Scope

本主题涵盖天文光谱仪的设计和操作，包括狭缝、光纤和积分场配置，以及光栅、棱镜和梯形光栅色散器。同时，还包括将原始帧转换为校准光谱的数据处理步骤：偏置和平场校正、光谱提取、弧光灯波长校准以及标准星通量校准。它还包括光谱分辨率和色散的概念。

Core questions

• 光栅、棱镜和梯形光栅配置如何使光线色散，以及什么决定了光谱分辨率？
• 如何根据弧光灯比较光谱建立波长标尺？
• 将原始帧转换为清晰、校准的光谱需要哪些数据处理步骤？
• 如何使用标准星观测对光谱进行通量校准？

Key theories

衍射光栅色散

刻划或全息光栅通过干涉使光线色散，光栅方程将波长与衍射角和级次联系起来，分辨能力由被照亮刻线的数量决定。

波长校准

与目标同时观测已知波长的弧光灯发射线光谱，提供将探测器位置映射到波长的色散解。

Clinical relevance

精密的仪器和数据处理决定了所有光谱结果的精确度，从系外行星探测的径向速度到丰度测量。高分辨率梯形光栅设计实现了行星搜索中使用的每秒米级精度。

History

早期的物镜棱镜巡天逐渐被大型望远镜上的狭缝光谱仪取代；梯形光栅、多目标光纤系统和积分场单元在CCD时代逐步提高了分辨率和多路复用能力。

Seminal works

• schroeder2000
• kitchin1995
• chromey2016

Frequently asked questions

什么是光谱分辨率？

光谱分辨率是光谱仪分离紧密波长的能力，通常表示为波长与最小可分辨波长差之比；更高的分辨率能揭示更精细的谱线细节。

为什么使用弧光灯？

弧光灯在精确已知的波长处发出尖锐的谱线，这些谱线作为参考点，用于将光谱中的像素位置转换为准确的波长标尺。