2 840 MHz太陽射電輻射流量計的升級改造

杜　靜，顏毅華，徐之材，殷興輝，王　威，譚程明，陳志軍

(1. 中國科學院國家天文臺太陽活動重點實驗室，北京　100012; 2. 中國科學院大學，北京　100049；

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2 840 MHz太陽射電輻射流量計的升級改造

杜靜1,2，顏毅華1，徐之材3，殷興輝4，王威1，譚程明1，陳志軍1

(1. 中國科學院國家天文臺太陽活動重點實驗室，北京100012; 2. 中國科學院大學，北京100049；

3. 南京射電天文技術(shù)研究所，江蘇 南京210024; 4. 河海大學，江蘇 南京211100)

摘要：敘述了國家天文臺升級改造后的2 840 MHz太陽射電輻射流量計的設(shè)計特點、性能、結(jié)構(gòu)及觀測結(jié)果。升級改造后的太陽射電輻射流量計將在較高時間分辨率上實時得到2 840 MHz頻率上的太陽流量，為太陽物理研究積累豐富的觀測數(shù)據(jù)，是太陽活動監(jiān)測和預報的重要參數(shù)之一。

關(guān)鍵詞：射電天文；太陽射電輻射流量計；流量觀測；輻射計

太陽微波輻射流量與黑子相對數(shù)、耀斑爆發(fā)、X射線爆發(fā)以及高能電子質(zhì)子事件均有一定的關(guān)系[1]，而2 840 MHz(波長為10.7 cm)的太陽射電輻射流量與黑子相對數(shù)及高能電子和質(zhì)子事件的關(guān)系最為密切，是地球空間物理的重要輸入?yún)?shù)。因此，2 840 MHz的射電輻射流量監(jiān)測對研究太陽活動規(guī)律、太陽長期演化行為，建立更加完善的太陽活動預報模型以及太陽射電天文學的發(fā)展等具有極其重要的意義。國家天文臺懷柔2 840 MHz太陽射電輻射流量計長期參與國際聯(lián)網(wǎng)觀測，連續(xù)三十多年為國際太陽和地球物理數(shù)據(jù)中心提供觀測數(shù)據(jù)，為國際太陽活動預報提供可靠的數(shù)據(jù)支持。文[2]利用懷柔2 840 MHz太陽射電輻射流量計的長期觀測數(shù)據(jù)研究太陽活動周的相似性行為，并預測第24活動周的開始時間和最大活動強度。文[3]利用2 840 MHz射電輻射流量的長期觀測數(shù)據(jù)研究了太陽長期活動行為，發(fā)現(xiàn)太陽活動的中短時間尺度的周期性與太陽系行星運動之間有較強的相關(guān)性。同時，2 840 MHz太陽射電輻射流量計也是中國空間環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)的重要組成部分，為國家航空航天任務提供空間環(huán)境保障發(fā)揮了重要作用。

2 840 MHz太陽射電輻射流量計位于國家天文臺懷柔太陽觀測基地懷柔水庫北岸，距離北京市中心約60 km，北緯40.3°，東經(jīng)116.6°，海拔高度64 m。附近有較強的機場雷達信號干擾，但干擾信號特征明顯，數(shù)據(jù)處理過程中，可通過成熟的數(shù)據(jù)處理方法予以剔除。21世紀初，該設(shè)備由于長年運行，多數(shù)元器件老化停止了觀測，考慮到2 840 MHz太陽射電輻射流量計是國內(nèi)唯一的單頻射電輻射流量計及其在太陽活動研究方面的重要意義，經(jīng)過充分調(diào)研，對2 840 MHz太陽射電輻射流量計進行了升級改造。新設(shè)備對包括微波前端(從低噪放開始)、模擬接收系統(tǒng)、數(shù)字采集系統(tǒng)、存儲及顯示系統(tǒng)都進行了升級改造，天線采用2 m拋物面反射面天線，赤道式裝置。同時，采用了K因子輻射計和新的定標技術(shù)，使得定標更加高效，定標結(jié)果更加精確可信[4]。目前，該設(shè)備已獲取了一些良好的觀測結(jié)果。

1系統(tǒng)指標

太陽射電望遠鏡系統(tǒng)是自動化程度較高的空間探測裝備，具有定標系統(tǒng)、自動采集觀測數(shù)據(jù)、自動生成和傳送設(shè)備，同時具有較高的可靠性、穩(wěn)定性，能全天候長期、連續(xù)地運行。系統(tǒng)指標如表1。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 840 MHz太陽射電輻射流量主要用于太陽活動長期行為的研究和太陽預報，對測量精度和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性要求很高，因此，在本次升級改造過程中采用鏡像抑制的超外差式接收機方案，可很好地抑制干擾，選用K因子輻射計保證儀器的靈敏度和穩(wěn)定性。同時，近年來關(guān)于太陽活動的短期行為也不斷受到太陽物理學家的高度重視，而2 840 MHz太陽射電流量有最靈敏的響應，因此，為了滿足這方面的科學需求，采用了衰減器和對數(shù)放大器2種方法以提高數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

3系統(tǒng)特點

3.1良好的抗干擾設(shè)計

采用鏡像抑制的超外差式接收機，在混頻器前加2 840 MHz的聲表面帶通濾波器，選用較高中頻fo=225 MHz，中頻帶寬BWIF=10 MHz，采用BW/fo=5%的聲表面帶通濾波器，矩形系數(shù)接近1，帶外衰減大，對鏡頻可抑制20～30 dB，從而有效抑制鏡頻干擾和帶外干擾，保證觀測數(shù)據(jù)的可靠性。同時，采用合理的微波放大器，有效抑制交調(diào)互調(diào)干擾信號的產(chǎn)生，采用良好的電磁兼容性設(shè)計，防止干擾信號寄生耦合到信號通道。模數(shù)轉(zhuǎn)換器放在接收機機箱內(nèi)，與低放輸出短線相接，減小50 Hz等低頻干擾。

圖12 840 MHz太陽射電輻射流量計方框圖

Fig.1The block diagram of the upgraded Solar Radio

Flux Telescope working at 2840MHz

3.2大動態(tài)范圍

采用衰減器和對數(shù)放大器2種方法擴大測量動態(tài)范圍的技術(shù)，構(gòu)成2個并行輸出的信號。衰減器法采用1 dB步進的最大衰減量為31 dB的數(shù)控步進衰減器，用它調(diào)整中頻輸出信號電平，數(shù)控步進衰減器由計算機自動控制[5]。衰減器法測寧靜太陽和小爆發(fā)的精度較高，但觀測大爆發(fā)時由于衰減量變化，產(chǎn)生觀測數(shù)據(jù)的跳變，雖然計算處理后能恢復連續(xù)變化特性，但精度有所下降。對數(shù)放大器法可獲得連續(xù)變化的記錄，特別適用于記錄大爆發(fā)，精度可達0.2 dB。

3.3采用K因子輻射計

K因子輻射計是根據(jù)德國天文學家Keen提出的K因子測量原理而發(fā)展的新型輻射計，其信號路工作在全功率計狀態(tài)，靈敏度高。采用天線溫度定標的噪聲源與K因子輻射計調(diào)制式噪聲源合一的方案，通過測量定標常數(shù)Cs對系統(tǒng)進行定標，實現(xiàn)觀測與溫度標定同時自動進行，提高了標定精度[6-7]。升級改造后的2 840 MHz太陽射電輻射流量計采用K因子式輻射計，其原理圖如圖2，圖中對應部件代碼和符號見表2。

3.3.1K因子輻射計的基本關(guān)系

采用理想平方律檢波器，且放大器工作在線性態(tài)時，VDC和VAC兩路輸出與Ta、Tr和ΔT的關(guān)系[8-9]：

(1)

(2)

K因子定義：K=VDC/VAC，將(1)、 (2)代入上述關(guān)系式，得：K=(Ta+Tr+ΔT)/C，式中：

故Ta=CK-Tr-ΔT。

3.3.2用K因子輻射計觀測射電源

(1)對準射電源時：得到的K因子為Ks，此時，Ta=Ts+Tb，Ts+Tb=CKs-Tr-ΔT。

(2)對準射電源背景時：得到的K因子為Kb，此時，Ta=Tb，Tb=CKb-Tr-ΔT。

以上兩式相減得到：

(3)

Ts為天線溫度中射電源分量；Tb為天線溫度中背景噪聲溫度分量。

3.3.3定標常數(shù)Cs：

圖2K因子輻射計原理圖

Fig.2The block diagram of the radiometer

for the K-factor measurement

圖3K因子輻射計天線口面的噪聲

分量和時變狀態(tài)圖

Fig.3The diagram of the noise components and time

varying state for the antenna of the radiometer

with the K-factor measurement

當天線的波束寬度遠大于射電源視角徑時，Ts=AeS/2k，

(4)

Ae為天線的有效接收面積；k為玻爾茲曼常數(shù)。

結(jié)合(3)、 (4)兩式：C(Ks-Kb)=AeS/2k，

由此可得到：S=Cs(Ks-Kb)，

(5)

(6)

實際操作中，首先采用其它射電望遠鏡獲得太陽等射電源流量S，然后分別對太陽和背景進行觀測獲得Ks和Kb，相對測量的望遠鏡與它比對后，依據(jù)(6)式可獲得定標常數(shù)Cs。 將Cs數(shù)值輸入定標軟件中作為配置參數(shù)使用，之后分別對背景和太陽進行觀測，依據(jù)(5)式即可獲得太陽流量值，相對測量轉(zhuǎn)換為絕對測量。

4系統(tǒng)性能

4.1靈敏度

在射電天文觀測中，靈敏度是射電望遠鏡的重要指標，決定了接收系統(tǒng)檢測弱信號的能力，定義為 “最低可測” 的輻射流量密度Smin[1,10]。

寧靜太陽射電輻射流量：S=80 sfu*http://www.spaceweather.ca/solarflux/sx-5-flux-eng.php?year=2011

天線有效面積：Ae=ηπd2/4=2.67m2，式中，天線直徑d=2 m；天線效率η=85%

天線溫度的太陽分量：Ts=AeS/2k=2.67×80×10-22/(2×1.38×10-23)=774K

輻射計的工作參數(shù)見表3。

K因子輻射計理論靈敏度 (S/N=1)：總插損Li=0.89

天線溫度：Ta=Ts+Tb=804K

系統(tǒng)噪聲溫度：

Tsys=LiTa+(1-Li)To+Tr+ΔT=0.89×804+(1-0.89)×290+290+290=1 327K

噪聲起伏：ΔTmin=Tsys/(2Bwτ)1/2=0.297K/Hz

系統(tǒng)靈敏度：ΔSmin=2kTmin/Ae=2×1.38×10-23×0.297/2.67=0.031sfu

4.2計算機系統(tǒng)及軟件功能

(1)用4路A/D采集監(jiān)測電壓Vm、直流輸出電壓Vdc、交流輸出電壓Vac和對數(shù)放大器輸出電壓Vlog。根據(jù)Vm值控制步進衰減器，令接收機處于合理工作狀態(tài)。根據(jù)人工輸入的 ‘S’(觀測太陽)和 ‘B’(觀測背景)確定Vdc和K因子是Vdcs、Ks還是Vdcb、Kb。進行數(shù)字積分時，標準的積分時間為1 ms和1 s兩種，兩種數(shù)據(jù)可同時顯示和記錄。升級改造后的2 840 MHz太陽射電輻射流量計的觀測軟件界面如圖4。

(2)進行預處理，如：

① 步進衰減器的跳變式記錄變?yōu)檫B續(xù)漸變式記錄；

② 顯示實時的太陽流量；

③ 顯示全天太陽流量變化；

④ 對數(shù)值變換為比值顯示。

(3)數(shù)據(jù)存儲：可同時存儲積分時間為1 ms(.nwm)和1 s(.nws)的觀測數(shù)據(jù)。采用整型數(shù)據(jù)存儲，包括64字節(jié)文件頭和觀測數(shù)據(jù)，每2字節(jié)表示一個采樣點(觀測數(shù)據(jù)點)。毫秒級文件是每10 s存一個文件，每個文件20 KB，每天的數(shù)據(jù)量約為56 M，秒級文件每天的數(shù)據(jù)量約為60 KB (按每天觀測8 h計算)。

(4)數(shù)據(jù)發(fā)布：望遠鏡從1977年開始觀測，2010年進行設(shè)備的升級改造，其數(shù)據(jù)已連續(xù)積累三十多年，定期發(fā)布在國家天文臺太陽數(shù)據(jù)中心(http://csrh.bao.ac.cn/data/)，用戶可自由下載。

圖4觀測軟件界面

Fig.4The interface of the observation software

5觀測結(jié)果

利用經(jīng)過上述升級改造后的2 840 MHz太陽射電輻射流量計對太陽進行觀測，成功觀測到2011年2月15日X2.2級大耀斑爆發(fā)(圖5)。該事件是一個典型的長持續(xù)(近1個小時)復雜型(多峰)射電爆發(fā)事件。復雜的多峰結(jié)構(gòu)對應同頻率的頻譜觀測中有斑馬紋、脈動、慢漂移等豐富的精細結(jié)構(gòu)[11]。

6結(jié)論

本文介紹了國家天文臺懷柔觀測站2 840 MHz太陽輻射流量計的升級改造。新設(shè)備采用了K因子輻射計及新的定標技術(shù)，對微波前端、模擬接收系統(tǒng)、數(shù)字采集系統(tǒng)、存儲顯示系統(tǒng)也進行了升級改造。通過設(shè)備的升級改造，改進了天線的觀測性能，其數(shù)據(jù)對研究耀斑物理動力學過程、能量釋放、太陽活動規(guī)律及太陽長期演化行為等具有重要意義，為相關(guān)研究提供了豐富的觀測依據(jù)。

圖52011.2.15 X2.2級耀斑-新系統(tǒng)

Fig.5The X2.2 solar flareon Feb.15, 2011

observed with the new system

致謝：衷心感謝設(shè)備安裝、調(diào)試過程中南京射電天文技術(shù)研究所吳楓、河海大學沈亞明等的大力支持和幫助。

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CN 53-1189/PISSN 1672-7673

Upgrading the Solar Radio Flux Telescope with the Frequency of 2.84GHz

Du Jing1,2, Yan Yihua1, Xu Zhicai3, Yin Xinghui4, Wang Wei1, Tan Chengming1, Chen Zhijun1

(1. Key Laboratory of Solar Activity, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China,Email: jdu@nao.cas.cn; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Nanjing Institute of Radio Astronomical Technology, Nanjing 210024, China; 4. Hehai University, Nanjing 211100, China)

Key words:Radio astronomy; Solar radio flux telescope; Flux measurement; Radiometer

Abstract:The solar radio flux telescope with the frequency of 2.84GHz is an important instrument to monitor and forecast the solar activities by collecting and analyzing the solarradio fluxes. At the beginning of the 21st century, the regular monitoring by using such an instrument was stopped due to ageing of most components and difficult to repair during the long running. Now we have updated the microwave front-end, the analog receiving system, the digital acquisition system, the storage and display system, and the 2m parabolic antenna to the system. In the new system we adopted a radiometer for k-factor measurement and a new self-calibration technique which makes the calibration more efficient and accurate. At present, the upgraded solar radio flux telescope working at 2.84GHz has achieved some good results.

基金項目：國家自然科學基金 (11103044, 11273030, 11221063, 11433006)；科技部科學基礎(chǔ)性工作專項 (2014FY120300) 和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃 (973計劃) (2011CB11401) 資助.

收稿日期：2015-03-28；

修訂日期：2015-04-16

作者簡介：杜靜， 女， 博士. 研究方向：太陽射電. Email: jdu@nao.cas.cn

中圖分類號：P111.44

文獻標識碼：A

文章編號:1672-7673(2016)01-0052-06