遮擋效應(yīng)的太陽(yáng)射電觀測(cè)和仿真

耿立紅，蘇 倉(cāng)，杜 靜，劉東浩，顏毅華，陳林杰，王 威

(1. 空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100101)

占地378畝、位于內(nèi)蒙古正鑲白旗的明安圖野外科學(xué)觀測(cè)研究站(簡(jiǎn)稱明安圖臺(tái)站，東經(jīng)115°15′，北緯42°12′，海拔1 365 m)是進(jìn)行寬頻帶、高分辨率太陽(yáng)射電輻射成像及頻譜觀測(cè)，開展太陽(yáng)物理和空間天氣研究，集觀測(cè)、科研、科普和國(guó)際交流為一體的重要平臺(tái)，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施 “空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)” 項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱子午工程二期)建設(shè)完成后，各類天線總數(shù)將達(dá)到373套。包括現(xiàn)有的60面2 m和40面4.5 m拋物面天線的明安圖射電頻譜日像儀[1](Mingantu Spectral Radioheliograph, MUSER)、40個(gè)振子天線的甚低頻觀測(cè)設(shè)備[2]、3 m拋物面天線的太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡[3]和2面20 m拋物面天線[4](圖1)，以及在建的3面140 m × 40 m拋物柱面天線[5]、224面振子天線及2 m, 4.5 m和16 m拋物面天線各一，分屬行星際閃爍監(jiān)測(cè)儀、米波-十米波射電日像儀、超寬帶太陽(yáng)射電頻譜儀和定標(biāo)，組成復(fù)雜的電磁環(huán)境和天線布局，遮擋效應(yīng)是這類多天線區(qū)域復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要考慮因素之一。

受限于測(cè)試場(chǎng)地以及模型復(fù)雜度、計(jì)算量或精度[6-7]，遮擋效應(yīng)特別對(duì)電大尺寸障礙物通常很難進(jìn)行實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)。在明安圖臺(tái)站，太陽(yáng)、3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡及兩者間的西20 m天線和遠(yuǎn)方的丘陵，構(gòu)成獨(dú)特的遮擋效應(yīng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)。3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡在2017～2020年太陽(yáng)射電輻射的觀測(cè)數(shù)據(jù)，顯示了以20 m天線和丘陵為障礙物的遮擋效應(yīng)圖像，并可以分為天線、大氣和丘陵3個(gè)不同特性區(qū)域。在遮擋損耗預(yù)測(cè)方面，本文基于國(guó)際電聯(lián)無(wú)線電通信部門(Radio communication Sector of ITU, ITU-R)的ITU-R P.526-15建議書[8](Propagation by diffraction)單刃峰繞射損耗預(yù)測(cè)方法，建立20 m天線反射面模型并作近似計(jì)算。

1 遮擋效應(yīng)的太陽(yáng)射電觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理

3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡工作在S, C和X頻段[3]，S頻段還是空間天氣預(yù)報(bào)中關(guān)鍵的F10.7指數(shù)觀測(cè)頻段，波長(zhǎng)10.7 cm, 6.6 cm和3.3 cm，雙圓極化，3 m口徑拋物面天線半功率波束寬度分別約為2.5°, 1.5°和0.8°，經(jīng)校準(zhǔn)溫度響應(yīng)后，與日本NoRP(Nobeyama Radio Polarimeter)多頻點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)及國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心F10.7數(shù)據(jù)比對(duì)[9]，S, C和X頻段絕對(duì)流量均方根誤差分別為2.7 sfu, 5.7 sfu和20 sfu，相對(duì)誤差為4%, 6%和8%。3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡在2017～2020年分別有149, 251, 283和320個(gè)有效觀測(cè)天數(shù)。本文討論被遮擋部分的觀測(cè)數(shù)據(jù)處理過程。

圖1 明安圖臺(tái)站20 m天線和太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡3 m天線Fig.1 20 m antenna and 3 m antenna of MST in Mingantu Station

20 m天線用于明安圖射電頻譜日像儀低頻陣系統(tǒng)定標(biāo)，通常處于朝天收藏狀態(tài)，距離3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡104 m(圖2)，相對(duì)張角約11°，對(duì)3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡的遮擋發(fā)生在冬季下午低太陽(yáng)軌道方向。圖3為2020年1月4日單日有遮擋的太陽(yáng)射電輻射流量觀測(cè)曲線，時(shí)間分辨率1 s，圖中還可見X頻段雷達(dá)干擾。圖4(a)為2019年第300～365天4:00～5:30 pm多日有遮擋的S頻段左旋觀測(cè)數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率1 min，圖4(b)為對(duì)應(yīng)等高線圖。連續(xù)的射電流量變化表明遮擋的規(guī)律性。

圖2 明安圖臺(tái)站20 m天線和太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡3 m天線相對(duì)幾何位置關(guān)系

圖3 太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡3頻段左旋觀測(cè)流量曲線(dB)(2020年1月4日，時(shí)間分辨率1 s)

圖4 2019年第300到365天4:00～5:30 pm 3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡S頻段左旋極化觀測(cè)。(a)射電流量(dB)；(b)等高線圖

由于每年太陽(yáng)運(yùn)行軌跡并不重合，我們對(duì)2017～2020年觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合成處理。首先，把每天3:00 pm觀測(cè)值作為參考值從當(dāng)天觀測(cè)數(shù)據(jù)中減去，去除太陽(yáng)和背景射電輻射流量及溫度變化的影響，得到當(dāng)日因遮擋產(chǎn)生的額外損耗，這里稱之為遮擋損耗；然后，因3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡為赤道式座架，觀測(cè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)太陽(yáng)時(shí)角赤緯坐標(biāo)，把時(shí)角37～73°、赤緯-23.44～-12.2°的角度范圍劃分200 × 200網(wǎng)格并用有效觀測(cè)數(shù)據(jù)作插值，插值時(shí)舍去偏離較大的值，如雷達(dá)干擾；最后，得到赤道坐標(biāo)系下3頻段和雙極化的總遮擋損耗(dB)，圖5顯示了其中S頻段左旋極化的遮擋情況。

圖5 赤道坐標(biāo)系下3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡S頻段左旋極化的遮擋損耗Fig.5 Observed diffraction loss (dB) by MST on S-band left-polarization in equatorial coordinate system

進(jìn)一步地，通過赤道坐標(biāo)到地平坐標(biāo)的變換[10]，圖5中的遮擋效應(yīng)轉(zhuǎn)換成為圖6的形狀，清晰可見20 m天線和遠(yuǎn)處丘陵的輪廓，圖6右上角為從3 m天線看向20 m天線的實(shí)景圖。圖7在2017～2020年3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡跟蹤觀測(cè)太陽(yáng)的所有軌跡上疊加了觀測(cè)被遮擋的位置，從占比看，遮擋對(duì)3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)效影響較小。

圖6 3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的地平坐標(biāo)系下S頻段左旋極化的遮擋損耗(右上角：從3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡看向20 m天線現(xiàn)場(chǎng)照片)

圖7 地平坐標(biāo)系下疊加了遮擋效應(yīng)的2017～2020年太陽(yáng)軌跡

用等高線圖(32層)來(lái)進(jìn)一步分析地平坐標(biāo)系下3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡3頻段雙圓極化的遮擋效應(yīng)特征，見圖8，上下兩排對(duì)應(yīng)左旋和右旋極化的遮擋效應(yīng)無(wú)顯著區(qū)別。左中右3列對(duì)應(yīng)S, C和X頻段。按遮擋變化特征劃分3個(gè)區(qū)域：天線區(qū)、大氣區(qū)和丘陵區(qū)。天線區(qū)遮擋主要是繞射，隨頻率升高而降低，S, C和X頻段繞射影響方位角范圍約15°, 14°和12°，遮擋損耗最大值分別高出背景約0.6 dB, 0.4 dB和0.1 dB，最小值則分別低于背景約4.0 dB, 2.8 dB和5.3 dB，從下節(jié)可看出，該最小值受接收系統(tǒng)噪底限制，遠(yuǎn)未到達(dá)計(jì)算的損耗值。大氣區(qū)受大氣吸收影響，衰減隨頻率升高而增加，仰角越低衰減越大，從圖中可以看出逐漸增加的層次，S, C和X頻段衰減約0.2 dB, 0.25 dB和1.1 dB，這與ITU-RP-676-13建議書[11]一致，即20 GHz以下大氣衰減隨頻率升高而升高，10 GHz時(shí)約為0.02 dB/km，對(duì)50 km視距衰減約1.0 dB，X頻段10°仰角已有衰減。丘陵區(qū)因距離3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡和太陽(yáng)源較遠(yuǎn)，繞射損耗衰減很快，變化不明顯。

2 基于ITU-R P.526-15建立單刃峰障礙物仿真模型和繞射損耗近似計(jì)算

2.1 原理和模型

為預(yù)測(cè)電波傳播特性，ITU-R從1978年開始制定，至2019年更新到第15版的ITU-R P.526-15建議書，綜合了理論計(jì)算繞射問題的解析解和通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)繞射問題規(guī)律的傳播預(yù)測(cè)曲線兩方面，并提供了傳播中單刃峰、雙刃峰和單圓形峰繞射算法。繞射損耗預(yù)測(cè)需要了解障礙物和地形的工程資料，本節(jié)僅計(jì)算由20 m天線反射面引起的附加傳播損耗。

圖8 地平坐標(biāo)系3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡S, C和X 3頻段雙極化下遮擋效應(yīng)的等高線圖Fig.8 Contours of observed shadowing effect by MST in S, C, X 3-bands 2-polarizations in horizontal coordinate system

20 m天線相對(duì)3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡接收天線的幾何位置關(guān)系容易確定(見圖2)，反射面采用標(biāo)準(zhǔn)拋物面形式，由不銹鋼鋼絲焊成10 mm×10 mm網(wǎng)孔，約為3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡最短工作波長(zhǎng)的三分之一，近似計(jì)算中忽略網(wǎng)面透射影響。太陽(yáng)射電輻射信號(hào)直達(dá)或經(jīng)20 m天線繞射到3 m天線，20 m天線反射面邊緣在視線方向厚度相對(duì)于波長(zhǎng)也可以忽略，視作尖形障礙即刀刃，反射面與周圍地形之間相互影響小。沿傳播路徑看，20 m天線反射面邊緣上每點(diǎn)都近似為孤立刀刃形障礙物(圖9)。設(shè)來(lái)波在邊緣每一點(diǎn)均形成繞射，繞射損耗J(ν)與路徑長(zhǎng)度d1和d2、波長(zhǎng)λ及高度h(繞射點(diǎn)B到源端A和接收端R連線的距離)有關(guān)。ITU-R P.526-15用綜合幾何參數(shù)ν確定它們的關(guān)系，源A太陽(yáng)可看作無(wú)窮遠(yuǎn)，d1=∞。由ν求出復(fù)數(shù)菲涅爾積分Fc(υ)公式中正、余弦積分S(ν),C(ν)及A在B點(diǎn)的繞射損耗J(ν)[8]：

(1)

(2)

(3)

在20 m天線反射面模型(圖10)中，xy水平面經(jīng)過3 m天線饋源R點(diǎn)，原點(diǎn)O為20 m天線中心在xy面上的投影，天線反射面投影在xz面上(陰影部分)，x,y和z軸分別為寬度、距離和高度，單位為m。R點(diǎn)坐標(biāo)(0, -104, 0)，A點(diǎn)為到達(dá)R點(diǎn)的來(lái)波方向，與xz平面交點(diǎn)，坐標(biāo)范圍(-20～20, 0, 0～15)，即計(jì)算范圍為40 m×15 m。20 m天線焦徑比f(wàn)/D=0.35，上邊沿高出R點(diǎn)10 m，B1和B2分別為口徑邊緣和拋物線邊緣上的繞射點(diǎn)，B1坐標(biāo)(-10～10, 0, 10)，B2坐標(biāo)(x, 0,z)滿足

(4)

圖9 20 m天線反射面邊緣一點(diǎn)作為單刃峰障礙物

圖10 20 m天線反射面仿真模型Fig.10 Simulation model of 20 m antenna reflector

將A方向來(lái)波沿B1和B2分成m,n份射線管，m和n大小由計(jì)算步距設(shè)定。設(shè)j1(ν)和j2(ν)為B1和B2的繞射損耗真值，沿B1和B2取值范圍對(duì)j1(ν)和j2(ν)進(jìn)行積分，得到R接收A方向來(lái)波的總最小繞射損耗Jmin為

(5)

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2.2 結(jié)果分析和討論

圖11 基于單刃峰障礙物模型的20 m天線反射面繞射損耗仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results based on single knife-edge obstacle model of 20 m antenna reflector

子午工程二期位于四川稻城的太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡由313面6 m拋物面天線組成直徑1 km的圓環(huán)陣，文[12]計(jì)算了300 MHz時(shí)相鄰兩單元與三單元的遮擋效應(yīng)，并基于仿真結(jié)果認(rèn)為，在遮擋間距小于1倍波長(zhǎng)時(shí)，相應(yīng)的幅值和相位偏差可通過后期數(shù)據(jù)補(bǔ)償校正。從3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)和仿真結(jié)果看，數(shù)據(jù)恢復(fù)需要精確確定綜合幾何參數(shù)、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、天線波束等參量。為避免天線間遮擋，下一代阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡建設(shè)白皮書[13]概念設(shè)計(jì)中，1 112面9 m或400面15 m拋物面天線將布置在共面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，從而形成一個(gè)面積約等效于300 m口徑的大天線。經(jīng)濟(jì)條件允許并滿足空間分辨率時(shí)，多天線系統(tǒng)也許可以借鑒這樣的共面結(jié)構(gòu)方案。

3 結(jié) 論

由3 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡S, C和X頻段太陽(yáng)射電觀測(cè)得到的大尺度障礙物遮擋效應(yīng)為該類研究提供了一個(gè)新視角。基于ITU-R P.526-15建議書單刃峰障礙物繞射損耗預(yù)測(cè)方法，建立20 m天線反射面仿真模型進(jìn)行近似計(jì)算的結(jié)果和觀測(cè)基本一致，頻段間其他頻點(diǎn)遮擋效應(yīng)可由該3頻段推測(cè)。遮擋效應(yīng)與波長(zhǎng)、障礙物特性及其相對(duì)源和接收天線的距離和角度、接收設(shè)備的天線波束和動(dòng)態(tài)范圍等有關(guān)。遮擋數(shù)據(jù)恢復(fù)要考慮多因素的限制。以太陽(yáng)為輻射源、利用明安圖臺(tái)站將建設(shè)完成的超寬頻帶射電頻譜儀等子午二期工程設(shè)備可以為更全面研究遮擋效應(yīng)、電波傳播特性及地球大氣特性提供更多觀測(cè)依據(jù)。