基于空間矢量天線的太陽(yáng)低頻射電爆發(fā)探測(cè)研究

陳林杰，顏毅華,2，譚寶林,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái) 太陽(yáng)活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 天文學(xué)與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100047）

引 言

由太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)引起的太陽(yáng)風(fēng)、日冕物質(zhì)拋射、行星際激波和高能粒子事件被稱為太陽(yáng)電磁風(fēng)暴，超級(jí)太陽(yáng)爆發(fā)將會(huì)引起一系列的空間災(zāi)害性影響。因此，探索和掌握這些事件的發(fā)生、發(fā)展和活動(dòng)規(guī)律，不僅在空間科學(xué)領(lǐng)域，在人類社會(huì)發(fā)展方面也有著重要的意義。

從日球?qū)用芏饶Ｐ涂傻贸觯?yáng)射電輻射的頻率與日冕高度之間具有直接的聯(lián)系：輻射頻率越高，其輻射源區(qū)越接近太陽(yáng)表面，頻率越低其源區(qū)則距離太陽(yáng)表面越遠(yuǎn)。來(lái)自太陽(yáng)的日冕物質(zhì)拋射（Coronal Mass Ejection，CME）、高能粒子流和太陽(yáng)風(fēng)暴等現(xiàn)象，當(dāng)它們離開太陽(yáng)表面附近空間后，隨著等離子體密度的迅速降低，其輻射頻率也將迅速降低，從而使光學(xué)、紅外、紫外、X射線、微波及米波射電探測(cè)都失去了作用。我們無(wú)法知道這些高速擾動(dòng)源在離開太陽(yáng)表面附近以后在日地之間廣闊空間里是如何傳播和演化的。目前在軌運(yùn)行的各種空間太陽(yáng)探測(cè)器中，其探測(cè)波段主要為可見(jiàn)光、紫外線、X射線等波段，這些波段的太陽(yáng)輻射源區(qū)基本上均位于距離太陽(yáng)表面1～2個(gè)太陽(yáng)半徑以內(nèi)的空間范圍。這類探測(cè)對(duì)于離開太陽(yáng)表面2個(gè)太陽(yáng)半徑以外到地球附近的廣闊空間里所發(fā)生的物理過(guò)程幾乎無(wú)能為力，而甚低頻射電探測(cè)則有可能在這個(gè)領(lǐng)域里取得明顯突破。

射電天文學(xué)中的甚低頻（≤ 30 MHz），作為最后幾個(gè)未被實(shí)質(zhì)觀測(cè)的頻譜窗口之一，一直受到天文學(xué)家的重視。然而，在低于30 MHz的頻段，大量人為的射電干擾嚴(yán)重限制了人們對(duì)宇宙低頻射電輻射的觀測(cè)，而且地球電離層的截止頻率白天很少會(huì)低于10 MHz，即使夜晚也不會(huì)低于幾MHz，因此基于地基射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙甚低頻射電輻射進(jìn)行觀測(cè)很難或者幾乎不可能。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)這一頻段的射電觀測(cè)，空間射電望遠(yuǎn)鏡成為了唯一的選擇。

近年來(lái)，隨著空間科學(xué)探測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展，包括我國(guó)在內(nèi)的一些國(guó)家已經(jīng)將空間大型甚低頻射電探測(cè)項(xiàng)目列入未來(lái)的空間科學(xué)計(jì)劃之中，并為此開展了一系列的研究。為了盡可能地減小地球干擾的影響，空間甚低頻射電探測(cè)可以選擇不同的探測(cè)地點(diǎn)。月球由于巨大的體積能夠遮擋地球的干擾，因此其背面提供了近乎理想的甚低頻射電觀測(cè)條件[1-2]。另一方面，隨著距離的增加，射電干擾也會(huì)相應(yīng)地衰減。研究表明，當(dāng)遠(yuǎn)離地球約100萬(wàn)km以上時(shí)，地球射電干擾將會(huì)衰減到宇宙背景噪聲以下，達(dá)到研究可以接受的水平。因此，在不同的探測(cè)地點(diǎn)，其受到地球射電干擾的影響也是不同的。地球軌道的探測(cè)器由于受到的干擾比較強(qiáng)，很難開展實(shí)質(zhì)的甚低頻射電天文觀測(cè)。月球軌道的甚低頻探測(cè)器由于可以部分時(shí)間被月球遮擋，因此也可以開展一些靈敏度要求高的射電天文研究，且探測(cè)器的實(shí)施相對(duì)于月球背面來(lái)說(shuō)比較容易[3]。而其它軌道如日?地朗格朗日點(diǎn)（如L2、L4或L5點(diǎn)），由于其特殊的位置，它們能夠提前一定時(shí)間對(duì)太陽(yáng)電磁風(fēng)暴進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)于日地空間天氣研究來(lái)說(shuō)具有重要意義。

在空間甚低頻射電探測(cè)方面，最新的研究是基于我國(guó)探月計(jì)劃“嫦娥四號(hào)”開展的甚低頻探測(cè)器項(xiàng)目，這些探測(cè)器將在月球背面或是月球軌道對(duì)空間甚低頻射電輻射進(jìn)行探測(cè)。在所有已開展的研究中，大部分探測(cè)器采用了三極子Tripole矢量天線作為基本的探測(cè)單元。Tripole天線由3個(gè)相互正交的陣子天線組成，具有相同的長(zhǎng)度，中心饋電并向3個(gè)方向伸展。它能夠測(cè)量三維電場(chǎng)分量，并且能夠抑制干擾，不同于空間分布的天線陣列，利用單個(gè)天線就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)入射電磁波的達(dá)波方向估計(jì)。這些都使得Tripole天線成為空間甚低頻觀測(cè)天線的理想選擇。

電磁波的達(dá)波方向估計(jì)有著廣泛的應(yīng)用。目前的算法大部分使用陣列天線技術(shù)[4-5]，也有一些是基于矢量天線來(lái)實(shí)現(xiàn)。這方面的研究主要有2個(gè)方向，提高解析度和降低運(yùn)算量。一些被稱為超解析度的技術(shù)，如以往空間譜估計(jì)采用的MUSIC，Root-MUSIC以及ESPRIT算法，它們基于特征分解技術(shù)，通過(guò)空間平滑來(lái)使信號(hào)源的協(xié)方差矩陣滿足滿秩的要求，以此實(shí)現(xiàn)。這些算法雖然能夠?qū)φl信號(hào)實(shí)現(xiàn)很好的解析度，但是算法的計(jì)算量很大，不易實(shí)現(xiàn)。Sarkar等[4]提出了運(yùn)用矩陣束（MP）的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)達(dá)波方向的估計(jì)，這一算法不需要進(jìn)行空間平滑，因此算法的計(jì)算量有所降低。Haardt在文獻(xiàn)[5]中將一個(gè)單位變換引入到ESPRIT方法中，通過(guò)將一個(gè)復(fù)數(shù)矩陣變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)數(shù)矩陣來(lái)減少頻率估計(jì)中的計(jì)算量。Nuri Yilmazer又將類似的變換運(yùn)用到矩陣束方法中，同樣降低了頻率估計(jì)的復(fù)數(shù)計(jì)算量[6]。為了分析三維電磁場(chǎng)的極化特性，Carozzi等人引入了歸一化的斯托克斯參數(shù)以及三維電磁場(chǎng)的替代描述[7]。通過(guò)三維極化特性參數(shù)計(jì)算入射波的三維極化橢圓方向，多個(gè)來(lái)自不同方向的信號(hào)源可以被同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，這就為利用矢量天線（例如Tripole天線）對(duì)多個(gè)信號(hào)源的達(dá)波方向估計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

本文將重點(diǎn)討論利用三極子矢量天線探測(cè)太陽(yáng)甚低頻射電II和III型爆發(fā)的能力。其中，第1節(jié)主要介紹三極子天線的達(dá)波方向計(jì)算；第2節(jié)重點(diǎn)介紹達(dá)波方向估計(jì)算法；第3節(jié)對(duì)太陽(yáng)射電爆發(fā)的達(dá)波方向估計(jì)進(jìn)行分析；第4節(jié)為“嫦娥四號(hào)”低頻射電頻譜儀數(shù)據(jù)的初步處理；第5節(jié)為結(jié)論及討論。

1 三極子天線的達(dá)波方向計(jì)算

Tripole天線包括3個(gè)相互垂直的共中心陣子天線，它可以被看做是一個(gè)由3個(gè)天線組成的小型天線陣，如圖1所示。為了便于分析，建立如圖所示的坐標(biāo)系，每一個(gè)陣子天線與xy平面的夾角為35.3°。對(duì)于這一種天線配置，如果Tripole天線被建在一個(gè)與xy平面平行的介質(zhì)表面，則可以看出3個(gè)陣子的條件完全相同，必然有著相同的性能，這將使得Tripole天線的后續(xù)校準(zhǔn)非常簡(jiǎn)單。這一點(diǎn)，對(duì)于空間基的天線來(lái)說(shuō)尤為重要。

圖1 Tripole天線對(duì)電場(chǎng)所掃偏振橢圓進(jìn)行3D采樣示意圖Fig. 1 A radio wave sensed by a tripole antenna propagates with a wave vector k sweeping out the polarization ellipse

為了研究Tipole天線上入射波的極化特性，電場(chǎng)矢量可以由3個(gè)與陣子平行的電場(chǎng)分量表示

這里A1、A2、A3和θ1、θ2、θ3分別代表3個(gè)電場(chǎng)分量的幅度和相位。為了對(duì)圖1所示的天線配置進(jìn)行計(jì)算，將這3個(gè)電場(chǎng)分量在xyz坐標(biāo)系下進(jìn)行投影，得到新坐標(biāo)系下的分量

這里T為轉(zhuǎn)換矩陣。引入一個(gè)三維相干張量[7]如下

式（3）稱之為頻譜張量。通常情況下，相干張量用來(lái)對(duì)電場(chǎng)的時(shí)域極化特性進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)的頻域張量被稱為頻譜張量，為了使用相干張量，要求式中的信號(hào)為準(zhǔn)單色波，但是對(duì)于頻譜張量，則沒(méi)有這一限制。

斯托克斯參數(shù)中I描述的是場(chǎng)的總強(qiáng)度，這里等于上述張量的跡，

參照斯托克斯參數(shù)V，引入一個(gè)三維廣義矢量V，其中Im表示求虛部

分析這一矢量可知，它平行于入射波的波矢量k，如圖1所示，因此，通過(guò)計(jì)算矢量V的方向就可以得到入射波的波達(dá)方向。在球面極坐標(biāo)系下，歸一化的矢量V可以表示為

其中：歸一化的幅度v=|V|/I，表示入射波的圓極化度，零為線極化，而一則為圓極化；θ和φ分別指俯仰角和方位角。于是，達(dá)波方向參數(shù)可以由式（6）在極坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算[8]

2 射電信號(hào)達(dá)波方向估計(jì)算法

在月基甚低頻射電天文研究中，一個(gè)重要的科學(xué)目標(biāo)是對(duì)太陽(yáng)低頻射電爆發(fā)的探測(cè)。而我們知道，太陽(yáng)的射電爆發(fā)信號(hào)不管是Ⅱ型暴、Ⅲ型暴或是Ⅳ型暴，其都是一個(gè)寬帶信號(hào)。除此之外，有高能宇宙射電或者中微子撞擊月球表面也會(huì)產(chǎn)生寬帶的射電脈沖信號(hào)。為了確定寬帶射電信號(hào)的來(lái)源，基于Tripole天線，對(duì)其的達(dá)波方向估計(jì)進(jìn)行了研究。由于信號(hào)的寬頻帶特性，文獻(xiàn)[8]和[9]中的頻率估計(jì)算法將不再有效。但對(duì)于太陽(yáng)爆發(fā)信號(hào)，大部分情況下，觀測(cè)到的信號(hào)都明顯大于背景噪聲，達(dá)到10～20 dB以上，這就意味著對(duì)于不同頻率的信號(hào)僅有一個(gè)來(lái)波方向需要確定。

對(duì)于單個(gè)或是多個(gè)準(zhǔn)單色波，信號(hào)的頻率分量可以由基于矩陣束和最小二乘法的算法進(jìn)行估計(jì)[9]。由于具有濾除噪聲的功能，因此相比與快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT），上述算法能夠?qū)崿F(xiàn)更高的頻率估計(jì)精度和效率，從而保證了達(dá)波方向估計(jì)的精度。而對(duì)于寬帶信號(hào)，上述估計(jì)算法則是無(wú)效的，這里考慮通過(guò)FFT來(lái)獲得信號(hào)的頻譜，然后用公式（7）來(lái)計(jì)算每一個(gè)頻率分量所對(duì)應(yīng)的達(dá)波方向。由于不同頻率的信號(hào)僅有一個(gè)方向，因此考慮對(duì)相鄰的不同頻率分量的達(dá)波方向進(jìn)行平均，以此來(lái)提高方向估計(jì)的精度[1]，具體的算法圖2所示。

圖2 寬帶脈沖信號(hào)的達(dá)波方向估計(jì)算法Fig. 2 DOA Estimation for broad-band pulse signal

在具體的算法中，對(duì)采集的太陽(yáng)射電爆發(fā)信號(hào)首先進(jìn)行頻譜變換或是信道化，得到不同頻率的子帶信號(hào)，然后按上節(jié)所述的方法建立針對(duì)不同頻率的廣義三維矢量V，以此求得不同頻率信號(hào)的達(dá)波方向，并對(duì)其在一定頻率帶寬內(nèi)進(jìn)行平均，以此得到不同頻率更為準(zhǔn)確的達(dá)波方向。

理論上，該算法僅適用于理想情況下/自由空間的小天線，然而，大多情況下，天線并不是工作在自由空間，而是安裝在一個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)之上或是在一個(gè)大的介質(zhì)表面（如月面）上。衛(wèi)星平臺(tái)或是介質(zhì)會(huì)影響天線的輻射方向圖，如圖3所示：天線的長(zhǎng)度為2.5 m，天線距離地面1 m，其中的月面電參數(shù)為εr= 3 +j0.01，σ= 10?14S/m；沙漠的電參數(shù)為εr= 3 &σ= 5 ×10?5S/m；純凈水為εr= 80 + j0.001 &σ= 0.001 S/m；田地電參數(shù)為εr= 15&σ= 0.02 S/m；以及理想地面。εr和σ分別表示相對(duì)介電常數(shù)以及電導(dǎo)率。圖中不同地面介質(zhì)的電參數(shù)取值都為其典型值，所示的方向圖（φ= 0°）為Tripole天線中的單個(gè)陣子的方向圖。可以看出，月球表面的結(jié)果和沙漠上的幾乎重合在一起，并且接近于自由空間里的方向圖，這是因?yàn)樵旅婧蜕衬畬?duì)電磁波的損耗比較小。然而，其它的方向圖，由于介質(zhì)損耗比較大，則與自由空間的差別非常大。將上述算法運(yùn)用到不同的地面介質(zhì)，可發(fā)現(xiàn)不同方向圖與自由空間的差別決定了達(dá)波方向的估計(jì)誤差，其中方向圖的差別越大，DOA估計(jì)的誤差也就越大。為此，需要對(duì)天線的方向圖相對(duì)于自由空間的方向圖進(jìn)行校正，從而得到準(zhǔn)確的信號(hào)達(dá)波方向。

圖3 Tripole天線5 MHz的歸一化方向圖Fig. 3 Normalized far-field patterns at 5 MHz Tripole

對(duì)于天線方向圖的校準(zhǔn)，在自由空間和有平臺(tái)或是介質(zhì)情況下建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系，通過(guò)天線方向圖的仿真數(shù)據(jù)或是測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)信號(hào)DOA估計(jì)的誤差進(jìn)行確定，在不同方向建立一一對(duì)應(yīng)的誤差校正關(guān)系。當(dāng)然，如果利用仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性將直接影響校正的效果。另外，如果利用測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，測(cè)試的精度也將直接影響最終DOA估計(jì)的精度。

3 太陽(yáng)射電爆發(fā)的達(dá)波方向估計(jì)

太陽(yáng)活動(dòng)產(chǎn)生的高能粒子流在甚低頻段主要表現(xiàn)為具有快速頻率漂移的射電Ⅲ爆發(fā)，其主要特點(diǎn)是輻射頻率快速?gòu)母哳l向低頻漂移。通過(guò)對(duì)甚低頻射電Ⅲ爆的定位和監(jiān)測(cè)，將對(duì)高能粒子是否存在二次加速、加速機(jī)制以及加速源區(qū)等問(wèn)題給出新的解釋，并為高能粒子的到達(dá)時(shí)間的預(yù)報(bào)給出可靠的依據(jù)。而ICME和行星際激波在射電甚低頻段主要表現(xiàn)為射電Ⅱ型爆發(fā)。與射電Ⅲ型爆不同，Ⅱ型爆發(fā)具有緩慢的頻漂率。通過(guò)監(jiān)測(cè)射電Ⅱ型爆可以追蹤ICME和行星際激波的位置、空間結(jié)構(gòu)、傳播規(guī)律和演變過(guò)程，從而為災(zāi)害性空間天氣擾動(dòng)事件的預(yù)報(bào)提供可靠依據(jù)。如圖4所示，太陽(yáng)的Ⅲ型暴表現(xiàn)出快速的頻漂特性。而我們知道太陽(yáng)射電輻射的不同頻率對(duì)應(yīng)的輻射源區(qū)也是不同的，也就是說(shuō)我們探測(cè)到的太陽(yáng)不同頻率的輻射可能來(lái)自于不同的方向，這就要求在探測(cè)太陽(yáng)射電爆發(fā)的時(shí)候需要針對(duì)不同的頻率進(jìn)行不同的方向估計(jì)。通過(guò)對(duì)不同頻率太陽(yáng)射電輻射的定位和跟蹤，將能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其在行星際空間的動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及傳播特性進(jìn)行研究，并為預(yù)報(bào)高能粒子的到達(dá)時(shí)間提供更為可靠的依據(jù)。

圖4 STEREO/WAVES觀測(cè)到的太陽(yáng)III型射電爆發(fā)事件（20 190 208）Fig. 4 Solar type III radio burst observed by STEREO/WAVES on Feb.8，2019

為了評(píng)估三極子Tripole天線對(duì)太陽(yáng)射電爆發(fā)的定位和方向估計(jì)能力，對(duì)其進(jìn)行了仿真。根據(jù)太陽(yáng)射電爆發(fā)信號(hào)的特性（如圖5），模擬太陽(yáng)射電爆發(fā)的射電信號(hào)，在時(shí)間域其可以看做是一個(gè)脈沖型的寬帶信號(hào)，而在不同頻率其到達(dá)時(shí)間有一定的時(shí)間差，且不同頻率的來(lái)波方向也是不一樣的。理論上，太陽(yáng)射電爆發(fā)的甚低頻射電輻射位于約2個(gè)太陽(yáng)半徑（30 MHz）到十幾個(gè)太陽(yáng)半徑（1 MHz），也就是說(shuō)距離太陽(yáng)約1°～5°的范圍。對(duì)于仿真來(lái)說(shuō)此范圍太小，不能夠清楚地反映出信號(hào)達(dá)波方向估計(jì)的精度和適用性，為此在仿真時(shí)將不同頻率信號(hào)的來(lái)波方向進(jìn)行隨機(jī)地設(shè)置，在不同信噪比下對(duì)其的達(dá)波方向估計(jì)進(jìn)行了仿真，如圖6所示，圖中（a）、（b）、（c）和（d）分別為信噪比5、10、20及30 dB下的DOA仿真。圖中黑點(diǎn)為每次仿真的DOA估計(jì)，藍(lán)色為方向圖校準(zhǔn)后的DOA結(jié)果，紅色為信號(hào)的理想來(lái)波方向。不同信噪比下的DOA估計(jì)誤差見(jiàn)表1。

圖5 STEREO/WAVES觀測(cè)到的太陽(yáng)III型射電爆發(fā)頻譜Fig. 5 Dynamic spectrum of a solar type III radio burst observed by STEREO/WAVES

圖6 月面不同信噪比下的太陽(yáng)射電爆發(fā)在20 MHz時(shí)達(dá)波方向估計(jì)Fig. 6 DOA estimation results of the solar radio burst at 20 MHz on the Moon surface

表1 不同信噪比下的DOA估計(jì)誤差Table 1 DOA estimation errors for different SNR

由以上仿真結(jié)果可以看出，在信號(hào)的信噪比達(dá)到20 dB以上時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)方向圖的校正（針對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)或是月面的影響），利用空間甚低頻探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)小于1°的達(dá)波方向估計(jì)精度，當(dāng)然這要求方向圖的校準(zhǔn)要實(shí)現(xiàn)度量級(jí)的精度。這一結(jié)果也為研究太陽(yáng)射電爆發(fā)在日地空間的傳播特性提供了可能。

此外，由于不同頻率天線的方向圖是不一樣的，而且隨著頻率的增加，方向圖可能會(huì)產(chǎn)生裂瓣。為此，利用空間三極子天線在不同頻率下對(duì)太陽(yáng)的射電爆發(fā)進(jìn)行了達(dá)波方向估計(jì)仿真。

圖7及表2顯示了4個(gè)頻率的達(dá)波方向估計(jì)結(jié)果，圖7中黑點(diǎn)為每次仿真的DOA估計(jì)，藍(lán)色為方向圖校準(zhǔn)后的DOA結(jié)果，紅色為理想來(lái)波方向?？梢钥闯觯啾扔谛旁氡?，不同頻率對(duì)達(dá)波方向估計(jì)的精度影響不大，且比較穩(wěn)定，精度在1.5°左右。

圖7 不同頻率太陽(yáng)射電爆發(fā)的達(dá)波方向估計(jì)Fig. 7 DOA estimation results of solar radio burst for different frequencies

表2 不同頻率的DOA估計(jì)誤差Table 2 DOA estimation errors for different frequencies

為了進(jìn)一步直觀地分析利用空間甚低頻天線對(duì)太陽(yáng)射電II型或III型爆發(fā)的定位能力，模擬了太陽(yáng)射電爆發(fā)的傳播過(guò)程，如圖8所示，圖中的每一個(gè)點(diǎn)為每次仿真的結(jié)果，圓圈為理想的來(lái)波方向，不同的顏色代表不同頻率及不同位置的達(dá)波方向估計(jì)。其中信號(hào)的信噪比為20 dB；不同頻率的爆發(fā)來(lái)自于相互靠近的不同位置，間隔3 °左右。

圖8 太陽(yáng)射電爆發(fā)的傳播過(guò)程模擬Fig. 8 Direction simulations for CME moving from inside to outside

由以上結(jié)果可以看出，利用空間三極子天線基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)射電爆發(fā)在行星際空間的定位和跟蹤。

4 低頻射電頻譜儀數(shù)據(jù)處理

“嫦娥四號(hào)”任務(wù)的中繼星和著陸器分別搭載有中–荷低頻探測(cè)儀（Netherlands-China Low frequency Explorer，NCLE）和低頻射電頻譜儀（Low Frequency Radio Spectrometer，LFRS）兩臺(tái)設(shè)備，兩者都可以對(duì)宇宙的甚低頻射電輻射進(jìn)行探測(cè)。其中NCLE剛完成了天線的在軌展開，還未開展正式的科學(xué)觀測(cè)。而LFRS已經(jīng)開展了十幾個(gè)月晝的科學(xué)觀測(cè)，并釋放了相關(guān)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

低頻射電頻譜儀LFRS工作在0.1～40 MHz，其天線是由3個(gè)5 m長(zhǎng)的單極子構(gòu)成的Tripole天線。理論上LFRS完全可以利用上述DOA估計(jì)的方法來(lái)對(duì)太陽(yáng)射電爆發(fā)進(jìn)行定位。但由于“嫦娥四號(hào)”著陸器采用的是“嫦娥三號(hào)”的平臺(tái)，并沒(méi)有針對(duì)低頻射電觀測(cè)進(jìn)行專門的電磁兼容設(shè)計(jì)，因此平臺(tái)本身存在著大量的低頻射電干擾，對(duì)射電觀測(cè)帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。為了利用觀測(cè)數(shù)據(jù)開展科學(xué)研究，必須要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾去除的處理。

在實(shí)際的數(shù)據(jù)處理中，采用了將2個(gè)單極子天線組合成偶極子的方法，來(lái)消除兩個(gè)單極子天線上的共模分量。由于來(lái)自平臺(tái)的干擾基本是近場(chǎng)輻射信號(hào)，在不同的天線上會(huì)產(chǎn)生一定的共模信號(hào)，因此這種方法可以在一定程度上減小來(lái)自平臺(tái)的干擾，但這需要天線接收到的原始信號(hào)。

對(duì)LFRS在2019年2月8日觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，如圖9所示：圖中藍(lán)色為3個(gè)單極子天線A、B、C的頻譜，紅色為3個(gè)組合的偶極子的頻譜，其中左邊顯示的是低頻段的結(jié)果，右邊為高頻段的結(jié)果?？梢钥吹浇?jīng)過(guò)偶極子組合后的頻譜中干擾信號(hào)在整個(gè)頻段均得到了一定程度的抑制，在某些頻段甚至達(dá)到20～30 dB。但同時(shí)也看到，由于LFRS單次采集僅得到一小段傅里葉變換點(diǎn)數(shù)的原始數(shù)據(jù)，時(shí)間太短，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的靈敏度不夠，因此頻譜中的噪聲起伏很大。為此，對(duì)一天的數(shù)據(jù)進(jìn)行了積分，獲得了相當(dāng)于在低頻段2 s和高頻段100 ms積分時(shí)間的頻譜，如圖10所示：圖中藍(lán)色為3個(gè)單極子天線A、B、C的頻譜，紅色為3個(gè)組合的偶極子的頻譜，其中左邊顯示的是低頻段的結(jié)果，右邊為高頻段的結(jié)果。

圖9 單極子組合成偶極子的共模抑制頻譜Fig. 9 Common-mode RFI rejections by combining two monopoles to get dipole antenna

圖10 單極子組合成偶極子的積分頻譜Fig. 10 Integrated spectrum for the dipole antenna

可以看出，積分后頻譜的靈敏度得到了明顯的提高，頻譜曲線變得平滑，尤其是高頻頻段。雖然通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積分，可以明顯改善靈敏度，但也損失了時(shí)間分辨率。對(duì)于太陽(yáng)爆發(fā)這種快變信號(hào)來(lái)說(shuō)，很難利用這種方法來(lái)處理。但對(duì)于研究宇宙背景輻射等這類穩(wěn)定的譜信號(hào)，這種處理非常有效。另外看到在整個(gè)頻譜中仍然有大量的干擾，這主要是平臺(tái)的低頻干擾產(chǎn)生的二次和三次諧波。后續(xù)，將對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理，同時(shí)也將改善和利用其它方法來(lái)更有效地去除信號(hào)中的干擾，從而更好地開展科學(xué)研究。

5 結(jié)論及討論

利用空間甚低頻探測(cè)器對(duì)太陽(yáng)射電爆發(fā)進(jìn)行觀測(cè)，將能夠克服地球上在此頻段觀測(cè)的限制，獲得太陽(yáng)射電爆發(fā)超寬帶的頻譜觀測(cè)數(shù)據(jù)，并能從中反演出比以往更為豐富的頻譜精細(xì)結(jié)構(gòu)背后的物理信息。更為重要的是，利用單個(gè)空間甚低頻探測(cè)器便能夠?qū)μ?yáng)甚低頻射電爆發(fā)進(jìn)行定位和跟蹤。在信噪比大于20 dB時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)度量級(jí)的定位精度，基本滿足進(jìn)一步研究的需要，從而為通過(guò)研究太陽(yáng)射電爆發(fā)在日地空間的動(dòng)力學(xué)傳播特性來(lái)進(jìn)行空間災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)奠定一定的基礎(chǔ)。目前，針對(duì)“嫦娥四號(hào)”上搭載的甚低頻探測(cè)設(shè)備，其觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析工作正在進(jìn)行中。

另一方面，也要看到，雖然空間單個(gè)甚低頻探測(cè)器能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)射電爆發(fā)的空間定位，但是其只能實(shí)現(xiàn)爆發(fā)源區(qū)重心的定位，不能反映爆發(fā)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，而這些爆發(fā)的源區(qū)一定存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對(duì)這種源區(qū)結(jié)構(gòu)特征的探測(cè)和研究，必然需要空間甚低頻射電成像設(shè)備。為此，需要將多個(gè)空間探測(cè)器組合構(gòu)成甚低頻陣列才能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。目前基于“嫦娥四號(hào)”上單個(gè)甚低頻探測(cè)設(shè)備進(jìn)行研究，大型的月基甚低頻射電陣列也已經(jīng)被提出，并進(jìn)入實(shí)質(zhì)性研究階段，在其完成并發(fā)射升空后，太陽(yáng)甚低頻射電爆發(fā)的研究必將迎來(lái)新的階段！