世界各國(guó)日像儀主要性能比較

姬國(guó)樞，王 威，何俊波

(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012)

1 射電望遠(yuǎn)鏡全稱、簡(jiǎn)寫(xiě)和中文譯名對(duì)照

NoRH:Nobeyama Radioheliograph(野邊山日像儀)

NRH:Nancay Radioheliograph(南茜日像儀)

SSRT:Siberian Solar Radio Telescope(西伯利亞太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡)

FASR:Frequency Agile Solar Telescope(頻率靈活太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡)

CSRH:Chinese Spectral Radioheliograph(中國(guó)射電頻譜日像儀)

VLA:Very Large Array(甚大陣)

EVLA:Expanded Very Large Array(甚大陣擴(kuò)展)

GMRT:Giant Meterwave Radio Telescope(巨型米波射電望遠(yuǎn)鏡)

BDA:Brazilian Decemetric Array(巴西分米波陣)

WSRT:Westerbork Synthesis Radio Telescope(Westerbork綜合射電望遠(yuǎn)鏡)

ATA:Allen Telescope Array(艾倫望遠(yuǎn)鏡陣)

表1 世界各國(guó)日像儀的科學(xué)目標(biāo)表

續(xù)表

建成時(shí)間科學(xué)目標(biāo)CSRH[6-7]在建瞬變高能現(xiàn)象、日冕磁場(chǎng)和太陽(yáng)大氣結(jié)構(gòu)，確定耀斑與日冕物質(zhì)拋射的源區(qū)特性VLA[8]1973-1980天文學(xué)、空間天氣、衛(wèi)星跟蹤及其它科學(xué)、太陽(yáng)物理GMRT[9]1988-1998年建成星系形成、脈沖星中子星、銀河系與河外星系射電源、太陽(yáng)物理BDA[10]2003年5面天線原型實(shí)驗(yàn)，在建太陽(yáng)物理WSRT[11]1970ATA[12]在建探索地外文明

表2 日像儀的系統(tǒng)參數(shù)表

表3 綜合陣的系統(tǒng)參數(shù)

續(xù)表

天線陣VLAGMRTBDAWSRTATA空間分辨率506″2″(14GHz)20″(150MHz)15arc/min37″(5GHz)/28km時(shí)間分辨率100ms圖像動(dòng)態(tài)范圍>20dB觀測(cè)時(shí)間±4h靈敏度10-4Jy35Jy/beam(1分鐘積分)3mJy/beam極化方式雙線，雙圓L波段 雙線極化；其他波段 雙圓極化雙線極化4個(gè)stokes參量4個(gè)stokes參量

表4 日像儀的天線陣參數(shù)

表5 綜合孔徑的天線陣參數(shù)

FASR和CSRH相對(duì)現(xiàn)存各國(guó)單頻(或幾個(gè)點(diǎn)頻)日像儀，他們是寬頻帶的新一代日像儀。CSRH具有高時(shí)間、高空間、高頻率分辨率能實(shí)時(shí)獲取多通道太陽(yáng)射電圖像。建成后將填補(bǔ)在太陽(yáng)爆發(fā)能量初始釋放區(qū)高分辨射電成像觀測(cè)的國(guó)際空白，對(duì)太陽(yáng)劇烈活動(dòng)的起源和發(fā)生規(guī)律研究有望取得原創(chuàng)性成果。CSRH在世界上首次嘗試螺旋陣列分布，技術(shù)上采用了低剖面寬帶雙極化饋源，寬帶模擬光傳輸、高速數(shù)據(jù)采集等多項(xiàng)當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)。

2 典型的接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

天線和機(jī)房間的數(shù)據(jù)傳輸，早期使用電纜[2,13]，矩型波導(dǎo)[3]、橢圓波導(dǎo)等[8]，這種傳輸線帶寬窄或色散大，限制了日像儀的接收帶寬，90年代后光傳輸技術(shù)逐步成熟[1]，取代了電纜，波導(dǎo)。光傳輸具有損耗小，頻帶寬，無(wú)色散等優(yōu)點(diǎn)。

由于電纜高頻損耗大，因此接收到的電信號(hào)，先在天線前端變頻成中頻再經(jīng)過(guò)電纜傳至機(jī)房后端處理，以減少傳輸損耗，這種方式是傳統(tǒng)方式。

圖1 日像儀方案Ⅰ前端變頻,中頻電纜(光纜)傳輸Fig.1 Scheme Ⅰ for a radioheliograph,where the mixer is at the front end，and the IF signal transmissions is through a cable(or analog optical fiber)

天線機(jī)房間的信號(hào)傳輸?shù)牡?種方式是寬帶模擬光傳輸方式,天線LNA接收到的寬帶射電信號(hào)，經(jīng)寬帶無(wú)色散的光纖傳輸至機(jī)房，再變頻，數(shù)字化處理。典型系統(tǒng)信號(hào)流圖如FASR[4-5]，ATA[12]，CSRH-I[4]采用這種方式。

天線機(jī)房間信號(hào)的第3種傳輸方式是數(shù)字光傳輸方式[14]，寬帶射電信號(hào)在前端射電頻率上數(shù)字化，再經(jīng)數(shù)字光纖傳至機(jī)房進(jìn)行相關(guān)處理。典型信號(hào)流圖如EVLA的L波段電路結(jié)構(gòu)。

圖2 日像儀方案Ⅰ—射頻模擬光傳輸Fig.2 Scheme Ⅱ for a radioheliograph,where the analog RF transmission is through optical fibers

圖3 日像儀方案Ⅲ—前端RF采樣,數(shù)字光傳輸Fig.3 Scheme Ⅲ for a radioheliograph,where the RF sampling is at the front end and the digital optical fiber transmission is used

3 典型天線陣排列

圖4.1 NoRH天線陣(T形)Fig.4.1 Antenna array of NoRH in Japan(T configuration)

圖4.3 美國(guó) VLA 天線陣(Y字形)Fig.4.3 Antenna array of VLA in U.S.A.(Y configuration)

圖5 NRH天線排列Fig.5 Antenna array of NRH

4 典型的接收系統(tǒng)

圖6 NoRH接收系統(tǒng)框圖[1]Fig.6 System blocks of the receiver of NoRH

圖7 NRH接收系統(tǒng)框圖[15]Fig.7 System blocks of the receiver of NRH

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)進(jìn)步，原有系統(tǒng)不斷進(jìn)行改造，光纜替代電纜、波導(dǎo),寬帶取代點(diǎn)頻,新建系統(tǒng)的性能朝寬頻帶、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍方向發(fā)展，技術(shù)朝光傳輸、前端數(shù)字化、高采樣率方向發(fā)展。

本文資料來(lái)自于文獻(xiàn)、會(huì)議資料、internet、國(guó)內(nèi)外互訪交流等。本文目的是為了日像儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)備研制者提供尋找資料的捷徑。限于篇幅未列出射電史上一些知名天線陣[16-18]，也不能刊出各國(guó)日像儀詳細(xì)介紹,有需求者可通過(guò)電子郵件免費(fèi)索取電子版。

附錄

1 天線陣列的靈敏度

天線陣列的信噪比R為：

(1)

靈敏度定義為最小可測(cè)流量密度Smin，當(dāng)最小可用信噪比為Rmin時(shí)，

(2)

式中，S是射電源流量密度;Ae是天線接收面積，k是玻爾茲曼常數(shù)，T為天線分支接收系統(tǒng)噪聲溫度，τ為積分時(shí)間，△f為積分帶寬，n為天線個(gè)數(shù)，N為相關(guān)對(duì)數(shù)，N=n(n-1)/2。

這就是一些經(jīng)典著作及參考資料給出的等天線口徑陣列的信噪比公式[8，19]。推廣到不同口徑天線陣列，陣列信噪比(觀測(cè)普通射電源)：

(3)

式中，A1,A2……An為第1、第2……第n個(gè)天線有效口徑。

當(dāng)觀測(cè)對(duì)象為強(qiáng)源時(shí)，例如太陽(yáng)。以天線陣列中有兩種口徑尺寸為例，小口徑天線個(gè)數(shù)為n1，口徑為A1，相關(guān)對(duì)數(shù)為N1。大口徑天線個(gè)數(shù)為n2，口徑為A2，相關(guān)對(duì)數(shù)為N2。大小口徑天線相關(guān)對(duì)數(shù)為N3=N-N1-N2，n=n1+n2，N=n(n-1)/2。

小口徑天線支路噪聲溫度為T(mén)1,大口徑天線支路噪聲溫度為T(mén)2,設(shè)T2/T1=p，則：

(4)

2 天線陣列動(dòng)態(tài)范圍

圖像動(dòng)態(tài)范圍D指圖像的保真度(圖像峰值/圖像殘差的均方根值)。圖像動(dòng)態(tài)范圍是[20-21]：

(5)

式中N是天線陣列相干對(duì)數(shù)；δ是幅度、相位誤差。幅度誤差百分比與相位誤差弧度等同。

如果天線口徑不一，設(shè)僅兩種口徑，小口徑天線個(gè)數(shù)為n1，相關(guān)對(duì)數(shù)為N1；大口徑天線個(gè)數(shù)為n2，相關(guān)對(duì)數(shù)為N2。

(6)

式中m是大口徑與小口徑天線有效面積之比。

3 其 他

表格中未列出天線陣列其他指標(biāo)，其計(jì)算公式及要求如下。

由動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)，按(5)式，可計(jì)算出幅、相誤差要求。在兩次幅、相校準(zhǔn)周期之間。幅、相不穩(wěn)定度要小于幅、相誤差要求。

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