三頻段太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡與空間天氣*

耿立紅，譚程明，敦金平，章 宏，賈彥輝，顏毅華，陳志軍，馬素麗,5，劉東浩，杜 靜，蘇 倉(cāng)

(1. 中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (國(guó)家天文臺(tái))，北京 100101; 2. 中國(guó)氣象局空間天氣重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，北京 100081；3. 中國(guó)電子科技集團(tuán)第十六研究所，安徽 合肥 230043，4. 中國(guó)電子科技集團(tuán)第五十四研究所，河北 石家莊 050081；5. 中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 266580)

基于地基望遠(yuǎn)鏡對(duì)太陽(yáng)射電輻射流量進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是空間天氣預(yù)報(bào)的一種重要手段，可預(yù)報(bào)太陽(yáng)活動(dòng)發(fā)生后在地球上產(chǎn)生的各種擾動(dòng)。兩臺(tái)新建成的三頻段太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡 ——明安圖三頻段太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡(Mingantu three bands Solar Telescope, MST)和塔什庫(kù)爾干三頻段太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡(Tashkurghan three bands Solar Telescope, TST)，將對(duì)太陽(yáng)射電輻射流量長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)揮重要作用。高穩(wěn)定性、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍以及可調(diào)時(shí)間分辨率設(shè)計(jì)，使這兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡兼具太陽(yáng)射電爆發(fā)觀測(cè)和輻射流量監(jiān)測(cè)的功能。

1 太陽(yáng)射電流量輻射與空間天氣

太陽(yáng)活動(dòng)等自然現(xiàn)象導(dǎo)致日地空間狀態(tài)發(fā)生的變化被稱為空間天氣，太陽(yáng)活動(dòng)是空間天氣的主要驅(qū)動(dòng)源。劇烈的空間天氣變化可能造成空間天氣災(zāi)害。越來(lái)越多的事實(shí)表明，一次空間天氣災(zāi)害能在通信、導(dǎo)航、航空、航天、勘探及能源等各種技術(shù)層面同時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)的沖擊，導(dǎo)致巨大的影響[1]。許多問題亟待研究和總體規(guī)劃，如建設(shè)空間天氣觀測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)對(duì)空間天氣災(zāi)害、評(píng)估惡劣空間天氣事件的影響、可靠預(yù)報(bào)和減輕空間天氣影響等。

空間天氣災(zāi)害監(jiān)測(cè)需從太陽(yáng)-行星際-磁層空間-電離層和中高層大氣這一空間天氣事件因果鏈上進(jìn)行[2]。太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)是空間天氣預(yù)報(bào)中最重要的方面，主要包括太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射、質(zhì)子事件、太陽(yáng)射電流量和高速太陽(yáng)風(fēng)等。某一波長(zhǎng)處總的太陽(yáng)射電輻射流量反映了日冕中某一層次的太陽(yáng)活動(dòng)水平。太陽(yáng)射電輻射流量與黑子相對(duì)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，以2 840 MHz(波長(zhǎng)10.7 cm)最為顯著。10.7 cm太陽(yáng)射電流量(F10.7)單位為 “太陽(yáng)射電輻射流量單位”(sfu)，寧?kù)o太陽(yáng)射電輻射流量約在50～500 sfu。自20世紀(jì)60年代F10.7一直被作為太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)，是太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)的主要參數(shù)。

對(duì)寧?kù)o太陽(yáng)射電輻射的研究，結(jié)合光學(xué)資料，可以建立更精確的太陽(yáng)大氣(色球和日冕)模型。太陽(yáng)緩變射電流量密度與黑子和譜斑面積有很好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。太陽(yáng)緩變射電源的高度和尺寸通常隨著波長(zhǎng)的增加而增加，流量密度也隨波長(zhǎng)變化。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，緩變射電的頻譜峰值出現(xiàn)于5～20 cm頻段，具體位置隨太陽(yáng)活動(dòng)的增強(qiáng)(如黑子磁場(chǎng)的增強(qiáng))而變化。在多種波長(zhǎng)對(duì)太陽(yáng)緩變射電輻射作同步觀測(cè)，可監(jiān)測(cè)活動(dòng)區(qū)上空不同層次的太陽(yáng)大氣的物理狀態(tài)(如電子密度、電子溫度等)。通常，太陽(yáng)爆發(fā)與太陽(yáng)黑子的大量出現(xiàn)分不開，F(xiàn)10.7與太陽(yáng)黑子數(shù)有較好的線性關(guān)系。太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生在太陽(yáng)射電流量較高的時(shí)段，太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)之前的1～2 d，太陽(yáng)射電流量會(huì)突然增加，射電能譜特性也發(fā)生明顯變化。

太陽(yáng)紫外輻射影響地球高層的大氣密度，而高層大氣密度變化對(duì)航天器產(chǎn)生曳力效應(yīng)，影響衛(wèi)星軌道，即大氣層曳力與太陽(yáng)紫外輻射通量密切相關(guān)，目前大多數(shù)曳力模式以F10.7代表太陽(yáng)紫外輻射通量。地球高層大氣也有十分明顯的11年周期的長(zhǎng)期變化特征，對(duì)長(zhǎng)期飛行的航天器軌道和壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3]。

總之，太陽(yáng)射電流量是最有用的太陽(yáng)活動(dòng)和太陽(yáng)紫外輻射爆發(fā)的指示器，表征著太陽(yáng)活動(dòng)的總體水平。

2 三頻段太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡MST和TST

至今國(guó)際上依然有大量單天線的點(diǎn)頻或多頻太陽(yáng)射電流量觀測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行，如加拿大Ottawa/penticton 2 800 MHz系統(tǒng)，自1947年2月開始常規(guī)觀測(cè)至今，日均太陽(yáng)流量密度是國(guó)際公認(rèn)的太陽(yáng)活動(dòng)指標(biāo)，絕對(duì)精度優(yōu)于5%，數(shù)十年相對(duì)穩(wěn)定性優(yōu)于2%。日本野邊山天文臺(tái)的1.0、2.0、3.75、9.4、17、35、80 GHz共7個(gè)單頻偏振計(jì)，是國(guó)際公認(rèn)的太陽(yáng)射電流量譜標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。美國(guó)空軍全球太陽(yáng)射電監(jiān)測(cè)網(wǎng)(US Air Force Radio Solar Telescope Network, RSTN)，由4個(gè)站組成24 h不間斷觀測(cè)，0.245、0.41、0.606、1.415、2.695、4.995、8.8、15.4、35 GHz 9個(gè)頻點(diǎn)。瑞士伯爾尼大學(xué)應(yīng)用物理研究所的射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)在8個(gè)頻點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)，包括3.2、5.2、8.4、11.8、19.6、35.0、50.0和92.5 GHz。還有國(guó)家天文臺(tái)2 840 MHz系統(tǒng)，自20世紀(jì)70年代開始常規(guī)觀測(cè)。

但是，過(guò)去國(guó)內(nèi)在空間天氣預(yù)報(bào)方面F10.7指數(shù)更多依賴國(guó)外的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲取信息的時(shí)間滯后且信息量有限，每天只有一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。塔什庫(kù)爾干三頻段太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡是中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心在全國(guó)范圍內(nèi)用于空間天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的地基太陽(yáng)觀測(cè)系統(tǒng)總體規(guī)劃的一部分，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)總體負(fù)責(zé)，以發(fā)展我國(guó)空間天氣綜合的無(wú)縫隙探測(cè)業(yè)務(wù)。

綜合考慮維護(hù)、氣候和太陽(yáng)觀測(cè)條件，在塔什庫(kù)爾干和國(guó)家天文臺(tái)內(nèi)蒙古明安圖觀測(cè)基地，各建設(shè)完成1臺(tái)三頻段2 801 MHz/4 542 MHz/9 084 MHz(波長(zhǎng)10.7 cm，6.6 cm和3.3 cm)太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡(TST，位置：37.78° N, 75.23°E，3 091 m H；MST，位置：42.22°N, 115.24°E，1 356 m H)，見圖1。兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡橫貫中國(guó)東西，相距約5 000 km，時(shí)差約2 h 40 min，能提供更長(zhǎng)太陽(yáng)觀測(cè)時(shí)間覆蓋。觀測(cè)結(jié)果可以互相驗(yàn)證和補(bǔ)充，經(jīng)定標(biāo)后，及時(shí)傳送到中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣預(yù)警中心，為太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)和太陽(yáng)風(fēng)暴事件的實(shí)時(shí)警報(bào)提供及時(shí)可靠的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。

TST建在塔什庫(kù)爾干縣城中心附近的氣象局內(nèi)，電磁環(huán)境給三頻段太陽(yáng)射電觀測(cè)帶來(lái)很大困擾。隨著國(guó)家 “一帶一路” 戰(zhàn)略的推進(jìn)，塔什庫(kù)爾干已成為 “中巴經(jīng)濟(jì)走廊” 在中國(guó)境內(nèi)的重要節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展很快，其東南、西南和西北方向又分別與巴基斯坦、阿富汗、塔吉克斯坦三國(guó)接壤，使電磁環(huán)境更加不容樂觀，需考慮TST移址問題。國(guó)家天文臺(tái)明安圖觀測(cè)基地則采用了多種無(wú)線電環(huán)境保護(hù)措施，離人口較為密集的明安圖鎮(zhèn)直線距離在20 km以外，電磁環(huán)境遠(yuǎn)好于TST。

明安圖射電頻譜日像儀(Mingantu Spectral Radioheliograph, MUSER)位于明安圖觀測(cè)基地，基于綜合孔徑原理，是新一代同時(shí)具有高時(shí)間、高空間和高頻譜分辨率的太陽(yáng)專用成像觀測(cè)設(shè)備[4]，2016年7月通過(guò)驗(yàn)收，是國(guó)際上觀測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、探測(cè)日冕大氣、研究太陽(yáng)物理的最新最有力的武器之一。明安圖射電頻譜日像儀分為高、低頻兩個(gè)陣列，其中高頻陣工作在2.0～15.0 GHz波段，由60面2 m拋物面天線組成3螺旋陣列，常規(guī)觀測(cè)模式為全頻段掃頻(中頻帶寬400 MHz)觀測(cè)，時(shí)間分辨率為206.25 ms，而MST為1 ms。在高頻陣高空間分辨率成像觀測(cè)耀斑爆發(fā)等現(xiàn)象時(shí)，同地點(diǎn)MST的3頻點(diǎn)雙極化同時(shí)觀測(cè)，利于觀測(cè)數(shù)據(jù)的互相檢驗(yàn)，并將可能提供該時(shí)間段內(nèi)對(duì)應(yīng)3個(gè)頻段的太陽(yáng)大氣3個(gè)層次上高時(shí)間分辨率的更精細(xì)的演變過(guò)程。

圖1 (a) 明安圖三頻段太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡; (b) 塔什庫(kù)爾干三頻段太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡
Fig.1 (a) Mingantu Three Bands Solar Telescope-MST; (b) Tashkurghan Three Bands Solar Telescope-TST

3 三頻段太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成和性能

MST和TST具有自動(dòng)采集觀測(cè)數(shù)據(jù)、分析處理、生成和傳送符合氣象業(yè)務(wù)規(guī)范要求的格式化數(shù)據(jù)產(chǎn)品及系統(tǒng)標(biāo)校和自檢的功能，還具有較高的可靠性、穩(wěn)定性，能全天候長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，適應(yīng)惡劣的氣候環(huán)境。系統(tǒng)組成框圖見圖2，并采用全球定位系統(tǒng)校時(shí)，UPS提供備用電源。采用3 m口徑赤道式拋物面天線，效率優(yōu)于40%。寬帶90°合成器將Eleven饋源接收的線極化信號(hào)轉(zhuǎn)換為左、右旋圓極化信號(hào)，工作頻段為2 801 MHz，4 542 MHz和9 084 MHz，時(shí)間分辨率1 s，100 ms和1 ms，瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍大于30 dB。3個(gè)頻段半功率波束寬度分別為150′，92′和46′，覆蓋了全日面，指向精度優(yōu)于工作波長(zhǎng)的1/15，對(duì)日跟蹤時(shí)，指向在計(jì)算機(jī)控制下每秒更新一次。

圖2 太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)組成框圖
Fig.2 System Block Diagram of MST and TST

兩個(gè)站址氣候條件惡劣，為保障系統(tǒng)性能穩(wěn)定，降低系統(tǒng)噪聲，采用雙路低噪聲放大器，溫度敏感的室外射頻前端組件置于靠近饋源的高精度恒溫箱內(nèi)，這沿用了模擬室外前端的方法[5]，并采用低損耗同軸電纜進(jìn)行射頻信號(hào)傳輸，增益起伏小于1%/10 h。室外接收前端可工作在-30～+60 ℃環(huán)境下，溫度控制范圍10～40 ℃，可根據(jù)環(huán)境溫度設(shè)定，經(jīng)測(cè)試溫控精度優(yōu)于 ± 0.05 ℃。圖3為恒溫室外前端內(nèi)部裝配示意圖和實(shí)物圖。

圖3 恒溫室外前端內(nèi)部裝配示意圖和實(shí)物圖
Fig.3 Configuration diagram and picture of thermostatic RF front end box

其中，Rmin為最小可用信噪比，一般Rmin=5；波爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K；接收天線幾何面積A=πD2/4，D=3 m；積分時(shí)間τ=100 ms；積分帶寬Δf=10 MHz；天線效率η=0.4。

Ts≈b(Ta+Tsun)+T0(1-b)+Trec，

其中，Ta+Tsun為天線噪聲(指向冷空)和寧?kù)o太陽(yáng)輻射功率；b為從天線輸出端到接收機(jī)輸入端之間的傳輸系數(shù)；取Ta≈100 K，2 801 MHz處，Tsun≈500 K，b≈0.5，T0=290 K；采用的雙路限幅低噪聲放大器在工作頻帶內(nèi)的噪聲系數(shù)經(jīng)測(cè)量 < 2.5 dB，接收機(jī)系統(tǒng)噪聲系數(shù) < 3.0 dB，接收機(jī)系統(tǒng)噪聲溫度Trec< 290 K，Ts≈735 K，從而得到系統(tǒng)靈敏度ΔSmin≈0.36 sfu。MST和TST的相對(duì)靈敏度優(yōu)于1%，并具備探測(cè)幾sfu的小爆發(fā)的能力。

3.2 用戶友好界面

MST和TST操作界面友好美觀，方便易操作，見圖4。主界面上顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以設(shè)置時(shí)間分辨率、選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)磁盤，另可以通過(guò)上方按鈕，進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置和狀態(tài)顯示、天線控制和狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)功率顯示等界面。界面簡(jiǎn)潔，一目了然，易于操作。自動(dòng)觀測(cè)模式下，系統(tǒng)自動(dòng)按時(shí)啟動(dòng)和停止觀測(cè)，并在停止后使天線處于收藏狀態(tài)，同時(shí)可以查看系統(tǒng)狀態(tài)和實(shí)時(shí)功率。天線控制界面可設(shè)置天線指向某一方向，可選擇天線在赤經(jīng)和赤緯兩個(gè)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，也可使天線根據(jù)給定軌道自動(dòng)跟蹤目標(biāo)。實(shí)時(shí)功率顯示界面，放大和縮小兩個(gè)軸向的顯示尺度，并可任意選擇顯示3個(gè)頻段，選擇數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示或當(dāng)日數(shù)據(jù)回放顯示。

3.3 定標(biāo)

定標(biāo)是確定接收機(jī)數(shù)值與信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系。只有經(jīng)過(guò)定標(biāo)，觀測(cè)數(shù)據(jù)才有物理意義，才能與其它設(shè)備觀測(cè)結(jié)果有可比性。太陽(yáng)是一顆 “變星”，太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡在各波段上的逐日定標(biāo)是其觀測(cè)流程中的重要一環(huán)[6]。太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡定標(biāo)方法[7-10]有絕對(duì)定標(biāo)、相對(duì)定標(biāo)和非線性定標(biāo)。相對(duì)定標(biāo)較為常用，即利用已知標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)。定標(biāo)參數(shù)是頻率、溫度、考慮大氣吸收時(shí)天頂距Z的函數(shù)。

圖4 太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡用戶友好界面
Fig.4 User Friendly Interfaces of MST and TST

(1)絕對(duì)定標(biāo)

對(duì)于一個(gè)方向瓣較寬的天線，點(diǎn)源的流量密度可以表示為

其中，S(ν)為點(diǎn)源在頻率ν處的流量；k為玻爾茲曼常數(shù)；D0為天線方向性系數(shù)；K為天線方向圖改正因子；τ0為大氣吸收因子；z為天頂距；eτ0sec(z)是大氣改正因子，通?？山茷?；天線增益G=ηD0；ΔTA為天體(太陽(yáng))的天線溫度增量。由于太陽(yáng)的ΔTA每天都有所變化，因而穩(wěn)定又可靠的ΔTA測(cè)量是絕對(duì)定標(biāo)的先決條件[6]。要獲得太陽(yáng)的絕對(duì)流量密度，須通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到天線增益及標(biāo)準(zhǔn)噪聲源的值，然后由上述公式把天線溫度增量轉(zhuǎn)換成射電輻射流量。絕對(duì)定標(biāo)使射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果不依賴于其它望遠(yuǎn)鏡而成為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)。

(2)相對(duì)定標(biāo)

MST和TST初始設(shè)計(jì)也采用了文[7]闡述的定標(biāo)方法，即利用已知噪聲溫度的噪聲源、匹配負(fù)載、天空背景，確定太陽(yáng)凈射電輻射流量值：

其中，R表示接收機(jī)讀數(shù)；T表示噪聲溫度；下標(biāo)sun，sky，n和t分別對(duì)應(yīng)太陽(yáng)、天空、噪聲源和匹配負(fù)載。

從圓極化饋源輸出的太陽(yáng)左、右旋圓極化信號(hào)分別經(jīng)過(guò)低噪聲放大器，再接四選一微波開關(guān)的兩個(gè)輸入。微波開關(guān)的另外兩個(gè)輸入初始設(shè)計(jì)為超噪比15 dB的噪聲源和50 ohm的匹配負(fù)載。高的接收機(jī)系統(tǒng)后端噪聲抬高了底噪，使微波開關(guān)切換到50 ohm負(fù)載時(shí)，終端讀數(shù)反映等效到微波開關(guān)前的接收機(jī)系統(tǒng)噪聲。采用具有不同超噪比的雙噪聲源進(jìn)行定標(biāo)解決這個(gè)問題，即用Rn1，Rn2和Tn1，Tn2代替Rn，Rt和Tn，Tt，見圖5。

圖5 MST和TST雙噪聲源定標(biāo)的原理框圖
Fig.5 Diagram of calibration of MST and TST

由右旋寧?kù)o太陽(yáng)和天空背景在終端的讀數(shù)相減，得到扣除天空背景輻射后右旋寧?kù)o太陽(yáng)射電輻射凈流量：

RsunR(ν)=[TsunR(ν)GR(ν)+Tr(ν)]Gr(ν)=[SsunR(ν)CkAeR(ν)GR(ν)+Tr(ν)]Gr(ν)，

RskyR(ν)=[TskyR(ν)GR(ν)+Tr(ν)]Gr(ν)=[SskyR(ν)CkAeR(ν)GR(ν)+Tr(ν)]Gr(ν)，

Rn1(ν)=[Tn1(ν)+Tr(ν)]Gr(ν)，

Rn2(ν)=[Tn2(ν)+Tr(ν)]Gr(ν) .

由以上4式可得：

(1)

設(shè)CR(ν)=CkAeR(ν)GR(ν)，(1)式成為：

(2)

同理，得到扣除天空背景輻射后的左旋太陽(yáng)射電輻射凈流量：

(3)

(2)、(3)式右端均為記錄已知值。理想情況下，在觀測(cè)寧?kù)o而沒有黑子的太陽(yáng)時(shí)，所得太陽(yáng)輻射圓偏振應(yīng)該為0，即全日面寧?kù)o太陽(yáng)輻射具有無(wú)圓偏振特性。但對(duì)寧?kù)o太陽(yáng)實(shí)際觀測(cè)時(shí)，左、右旋圓極化輸出讀數(shù)是不等的?？衫脤?kù)o太陽(yáng)無(wú)圓偏振特性校準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡偏振接收特性。實(shí)際寧?kù)o太陽(yáng)左、右旋射電輻射流量均應(yīng)為該頻段1/2太陽(yáng)總射電輻射SΘ(ν)：

SsunR(ν)-SskyR(ν)=SΘR(ν)=SΘL(ν)=SsunL(ν)-SskyL(ν)=SΘ(ν)/2，

(4)

(5)

(6)

在接收機(jī)線性范圍內(nèi)，可對(duì)凈太陽(yáng)射電爆發(fā)流量左、右旋分量進(jìn)行定標(biāo)：

(7)

(8)

環(huán)境及大氣參數(shù)變化會(huì)使定標(biāo)系數(shù)產(chǎn)生短期起伏和周年變化。太陽(yáng)活動(dòng)峰年時(shí)每日定標(biāo)精度會(huì)下降。MST和TST的3個(gè)頻段跨越了厘米-分米范圍，大氣吸收影響對(duì)3個(gè)頻段是不同的。定標(biāo)要求接收機(jī)必須有很好的線性[7]及穩(wěn)定性，要得到精確可靠的定標(biāo)系數(shù)，需對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

4 初步結(jié)果

2016年底，MST和TST開始試觀測(cè)。圖6及表1為2016年12月15日MST與石島及日本野邊山類似太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，MST系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于1%(10 h)。太陽(yáng)在爆發(fā)時(shí)，強(qiáng)烈的無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著增大。即使在無(wú)黑子的寧?kù)o期，望遠(yuǎn)鏡也會(huì)接收來(lái)自不同天體或天空背景的電磁信號(hào)，所以通過(guò)觀測(cè)太陽(yáng)得到系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。另外減少周圍環(huán)境影響是取得長(zhǎng)期穩(wěn)定性的一個(gè)重要保證。今后將對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性作長(zhǎng)期測(cè)試，并進(jìn)一步分析測(cè)試影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素。

圖6 MST(紅色)與類似的太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡-石島(藍(lán)色)及日本野邊山射電極化計(jì)(Nobeyama Radio Polarimeters, NoRP)(黑色)觀測(cè)比對(duì)

Fig.6 Preliminary result of MST on 3-band compared with those of similar solar radio telescopes in Shidao and in Nobeyama, Japan

表1(對(duì)應(yīng)圖6)MST、石島和日本NoRP三臺(tái)太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值Table 1(referred to Figure 6) Relative Standard Deviation of MST, Shidao Telescope and NoRP

系統(tǒng)穩(wěn)定性通常是指接收機(jī)的穩(wěn)定性。Allan檢驗(yàn)[11]是測(cè)量穩(wěn)定性的最終方法，但需要大量的測(cè)量時(shí)間。本文通過(guò)測(cè)量接收機(jī)長(zhǎng)期工作的增益起伏和信噪比得到接收機(jī)的穩(wěn)定性，見圖7。表明接收機(jī)16 h的增益起伏很小，信噪比大于20 dB，可認(rèn)為接收機(jī)穩(wěn)定性優(yōu)于1%。

圖7 2016年11月30日，接收機(jī)系統(tǒng)連續(xù)16 h的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)
Fig.7 Stability monitoring of receiving system lasting 16 hours on Nov. 30, 2016

至10月31日，2017年MST共有效觀測(cè)太陽(yáng)148 d。圖8為MST流量值(紅點(diǎn))與加拿大2 800 MHz Penticton[注]https://www.ngdc.noaa.gov/stp/space-weather/solar-data/solar-features/solar-radio/noontime-flux/penticton/penticton_observed/tables/drao_noontime-flux-observed_2017.txt(綠線)比對(duì)，MST數(shù)據(jù)是先將毫秒級(jí)數(shù)據(jù)積分到秒，用正午1點(diǎn)(有爆發(fā)時(shí)避開)左右旋和3個(gè)頻段太陽(yáng)觀測(cè)值分別減去當(dāng)天背景，并乘以對(duì)應(yīng)的校正系數(shù)得到的。2017年3月初對(duì)MST天線、接收機(jī)及軟件進(jìn)一步調(diào)試，并實(shí)現(xiàn)觀測(cè)自動(dòng)化，調(diào)試前后系統(tǒng)狀態(tài)有變化，這可能是圖8中MST和加拿大數(shù)據(jù)比對(duì)時(shí)1月和2月偏離較大的原因，系統(tǒng)狀態(tài)隨季節(jié)變化也會(huì)導(dǎo)致偏離[11]，這也是今后系統(tǒng)定標(biāo)必須考慮的。2017年9月太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)AR2673引起一系列太陽(yáng)爆發(fā)現(xiàn)象，北京時(shí)間2017年9月6日晚20:02，太陽(yáng)爆發(fā)了有史以來(lái)最耀眼的X9.3級(jí)耀斑。圖9給出了MST在9月1日-12日期間的觀測(cè)，圖10為2017年9月6日MST X頻段觀測(cè)結(jié)果的局部細(xì)節(jié)放大。

圖8 MST S頻段2017年1～10月太陽(yáng)射電流量(紅點(diǎn))與加拿大Penticton數(shù)據(jù)(未考慮日地距離變化， 綠線)比對(duì)

Fig.8 Solar flux data of MST S-band in 201701-201710 (red dot) compared with that of Penticton 2800 MHz Solar Flux (green line)

圖9 20170901-20170912期間MST三頻段右旋秒級(jí)觀測(cè)太陽(yáng)數(shù)據(jù)(橫軸：世界時(shí)，縱軸：20170901為基礎(chǔ)逐日加10 dB)

Fig.9 MST 3-band right circular polarization data with 1s time resolution between 20170901 and 20170912 (X: UT, Y: 10dB is added every day after 20170901)

圖10 (a) MST X頻段局部放大圖 (20170906 UT 0:48～1:12); (b) MST X頻段局部放大圖 (20170906 UT 8:30～10:30)

Fig.10 (a) MST X-band enlarged drawing (20170906 UT 0:48-1:12); (b) MST X-band enlarged drawing (20170906 UT 8:30-10:30)

5 結(jié) 論

兩臺(tái)三頻段太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡已分別在國(guó)家天文臺(tái)(內(nèi)蒙古)明安圖觀測(cè)基地和新疆塔什庫(kù)爾干建成。受電磁干擾的困擾，TST正在考慮遷址。MST則已獲得太陽(yáng)流量數(shù)據(jù)，并觀測(cè)到數(shù)次太陽(yáng)爆發(fā)，表明高穩(wěn)定性(優(yōu)于1%/10 h)、高靈敏度(優(yōu)于1 s.f.u)、大動(dòng)態(tài)范圍(30 dB)以及可調(diào)時(shí)間分辨率設(shè)計(jì)，使望遠(yuǎn)鏡兼具太陽(yáng)射電爆發(fā)觀測(cè)和輻射流量監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)然觀測(cè)結(jié)果還有待進(jìn)一步鑒別。本文中首次設(shè)計(jì)采用雙噪聲源定標(biāo)方法。2017年底試觀測(cè)基礎(chǔ)上對(duì)MST再次進(jìn)行了調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，2018年有望獲得更多有效的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以便在系統(tǒng)校準(zhǔn)方面深入開展工作，今后將對(duì)影響穩(wěn)定性的因素作進(jìn)一步分析和測(cè)試。

致謝：感謝支持和參與系統(tǒng)調(diào)試工作的中國(guó)電子科技集團(tuán)第16所的黃文生、劉文齊、孫婷婷，中國(guó)電子科技集團(tuán)第54研究所的耿京朝、武占為、張明，也向提出很好建議并參與系統(tǒng)觀測(cè)等工作的國(guó)家天文臺(tái)明安圖觀測(cè)基地的所有同事表示感謝。