2 840 MHz太阳射电辐射流量计的升级改造

杜　静，颜毅华，徐之材，殷兴辉，王　威，谭程明，陈志军

(1. 中国科学院国家天文台太阳活动重点实验室，北京　100012; 2. 中国科学院大学，北京　100049；



2 840 MHz太阳射电辐射流量计的升级改造

杜静1,2，颜毅华1，徐之材3，殷兴辉4，王威1，谭程明1，陈志军1

(1. 中国科学院国家天文台太阳活动重点实验室，北京100012; 2. 中国科学院大学，北京100049；

3. 南京射电天文技术研究所，江苏 南京210024; 4. 河海大学，江苏 南京211100)

摘要：叙述了国家天文台升级改造后的2 840 MHz太阳射电辐射流量计的设计特点、性能、结构及观测结果。升级改造后的太阳射电辐射流量计将在较高时间分辨率上实时得到2 840 MHz频率上的太阳流量，为太阳物理研究积累丰富的观测数据，是太阳活动监测和预报的重要参数之一。

关键词：射电天文；太阳射电辐射流量计；流量观测；辐射计

太阳微波辐射流量与黑子相对数、耀斑爆发、X射线爆发以及高能电子质子事件均有一定的关系[1]，而2 840 MHz(波长为10.7 cm)的太阳射电辐射流量与黑子相对数及高能电子和质子事件的关系最为密切，是地球空间物理的重要输入参数。因此，2 840 MHz的射电辐射流量监测对研究太阳活动规律、太阳长期演化行为，建立更加完善的太阳活动预报模型以及太阳射电天文学的发展等具有极其重要的意义。国家天文台怀柔2 840 MHz太阳射电辐射流量计长期参与国际联网观测，连续三十多年为国际太阳和地球物理数据中心提供观测数据，为国际太阳活动预报提供可靠的数据支持。文[2]利用怀柔2 840 MHz太阳射电辐射流量计的长期观测数据研究太阳活动周的相似性行为，并预测第24活动周的开始时间和最大活动强度。文[3]利用2 840 MHz射电辐射流量的长期观测数据研究了太阳长期活动行为，发现太阳活动的中短时间尺度的周期性与太阳系行星运动之间有较强的相关性。同时，2 840 MHz太阳射电辐射流量计也是中国空间环境监测网的重要组成部分，为国家航空航天任务提供空间环境保障发挥了重要作用。

2 840 MHz太阳射电辐射流量计位于国家天文台怀柔太阳观测基地怀柔水库北岸，距离北京市中心约60 km，北纬40.3°，东经116.6°，海拔高度64 m。附近有较强的机场雷达信号干扰，但干扰信号特征明显，数据处理过程中，可通过成熟的数据处理方法予以剔除。21世纪初，该设备由于长年运行，多数元器件老化停止了观测，考虑到2 840 MHz太阳射电辐射流量计是国内唯一的单频射电辐射流量计及其在太阳活动研究方面的重要意义，经过充分调研，对2 840 MHz太阳射电辐射流量计进行了升级改造。新设备对包括微波前端(从低噪放开始)、模拟接收系统、数字采集系统、存储及显示系统都进行了升级改造，天线采用2 m抛物面反射面天线，赤道式装置。同时，采用了K因子辐射计和新的定标技术，使得定标更加高效，定标结果更加精确可信[4]。目前，该设备已获取了一些良好的观测结果。

1系统指标

太阳射电望远镜系统是自动化程度较高的空间探测装备，具有定标系统、自动采集观测数据、自动生成和传送设备，同时具有较高的可靠性、稳定性，能全天候长期、连续地运行。系统指标如表1。

2系统结构

2 840 MHz太阳射电辐射流量主要用于太阳活动长期行为的研究和太阳预报，对测量精度和数据的稳定性要求很高，因此，在本次升级改造过程中采用镜像抑制的超外差式接收机方案，可很好地抑制干扰，选用K因子辐射计保证仪器的灵敏度和稳定性。同时，近年来关于太阳活动的短期行为也不断受到太阳物理学家的高度重视，而2 840 MHz太阳射电流量有最灵敏的响应，因此，为了满足这方面的科学需求，采用了衰减器和对数放大器2种方法以提高数据的动态范围。系统结构如图1。

3系统特点

3.1良好的抗干扰设计

采用镜像抑制的超外差式接收机，在混频器前加2 840 MHz的声表面带通滤波器，选用较高中频fo=225 MHz，中频带宽BWIF=10 MHz，采用BW/fo=5%的声表面带通滤波器，矩形系数接近1，带外衰减大，对镜频可抑制20～30 dB，从而有效抑制镜频干扰和带外干扰，保证观测数据的可靠性。同时，采用合理的微波放大器，有效抑制交调互调干扰信号的产生，采用良好的电磁兼容性设计，防止干扰信号寄生耦合到信号通道。模数转换器放在接收机机箱内，与低放输出短线相接，减小50 Hz等低频干扰。

图12 840 MHz太阳射电辐射流量计方框图

Fig.1The block diagram of the upgraded Solar Radio

Flux Telescope working at 2840MHz

3.2大动态范围

采用衰减器和对数放大器2种方法扩大测量动态范围的技术，构成2个并行输出的信号。衰减器法采用1 dB步进的最大衰减量为31 dB的数控步进衰减器，用它调整中频输出信号电平，数控步进衰减器由计算机自动控制[5]。衰减器法测宁静太阳和小爆发的精度较高，但观测大爆发时由于衰减量变化，产生观测数据的跳变，虽然计算处理后能恢复连续变化特性，但精度有所下降。对数放大器法可获得连续变化的记录，特别适用于记录大爆发，精度可达0.2 dB。

3.3采用K因子辐射计

K因子辐射计是根据德国天文学家Keen提出的K因子测量原理而发展的新型辐射计，其信号路工作在全功率计状态，灵敏度高。采用天线温度定标的噪声源与K因子辐射计调制式噪声源合一的方案，通过测量定标常数Cs对系统进行定标，实现观测与温度标定同时自动进行，提高了标定精度[6-7]。升级改造后的2 840 MHz太阳射电辐射流量计采用K因子式辐射计，其原理图如图2，图中对应部件代码和符号见表2。

3.3.1K因子辐射计的基本关系

采用理想平方律检波器，且放大器工作在线性态时，VDC和VAC两路输出与Ta、Tr和ΔT的关系[8-9]：

(1)

(2)

K因子定义：K=VDC/VAC，将(1)、 (2)代入上述关系式，得：K=(Ta+Tr+ΔT)/C，式中：

故Ta=CK-Tr-ΔT。

3.3.2用K因子辐射计观测射电源

(1)对准射电源时：得到的K因子为Ks，此时，Ta=Ts+Tb，Ts+Tb=CKs-Tr-ΔT。

(2)对准射电源背景时：得到的K因子为Kb，此时，Ta=Tb，Tb=CKb-Tr-ΔT。

以上两式相减得到：

(3)

Ts为天线温度中射电源分量；Tb为天线温度中背景噪声温度分量。

3.3.3定标常数Cs：

图2K因子辐射计原理图

Fig.2The block diagram of the radiometer

for the K-factor measurement

图3K因子辐射计天线口面的噪声

分量和时变状态图

Fig.3The diagram of the noise components and time

varying state for the antenna of the radiometer

with the K-factor measurement

当天线的波束宽度远大于射电源视角径时，Ts=AeS/2k，

(4)

Ae为天线的有效接收面积；k为玻尔兹曼常数。

结合(3)、 (4)两式：C(Ks-Kb)=AeS/2k，

由此可得到：S=Cs(Ks-Kb)，

(5)

(6)

实际操作中，首先采用其它射电望远镜获得太阳等射电源流量S，然后分别对太阳和背景进行观测获得Ks和Kb，相对测量的望远镜与它比对后，依据(6)式可获得定标常数Cs。 将Cs数值输入定标软件中作为配置参数使用，之后分别对背景和太阳进行观测，依据(5)式即可获得太阳流量值，相对测量转换为绝对测量。

4系统性能

4.1灵敏度

在射电天文观测中，灵敏度是射电望远镜的重要指标，决定了接收系统检测弱信号的能力，定义为 “最低可测” 的辐射流量密度Smin[1,10]。

宁静太阳射电辐射流量：S=80 sfu*http://www.spaceweather.ca/solarflux/sx-5-flux-eng.php?year=2011

天线有效面积：Ae=ηπd2/4=2.67m2，式中，天线直径d=2 m；天线效率η=85%

天线温度的太阳分量：Ts=AeS/2k=2.67×80×10-22/(2×1.38×10-23)=774K

辐射计的工作参数见表3。

K因子辐射计理论灵敏度 (S/N=1)：总插损Li=0.89

天线温度：Ta=Ts+Tb=804K

系统噪声温度：

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

噪声起伏：ΔTmin=Tsys/(2Bwτ)1/2=0.297K/Hz

系统灵敏度：ΔSmin=2kTmin/Ae=2×1.38×10-23×0.297/2.67=0.031sfu

4.2计算机系统及软件功能

(1)用4路A/D采集监测电压Vm、直流输出电压Vdc、交流输出电压Vac和对数放大器输出电压Vlog。根据Vm值控制步进衰减器，令接收机处于合理工作状态。根据人工输入的 ‘S’(观测太阳)和 ‘B’(观测背景)确定Vdc和K因子是Vdcs、Ks还是Vdcb、Kb。进行数字积分时，标准的积分时间为1 ms和1 s两种，两种数据可同时显示和记录。升级改造后的2 840 MHz太阳射电辐射流量计的观测软件界面如图4。

(2)进行预处理，如：

① 步进衰减器的跳变式记录变为连续渐变式记录；

② 显示实时的太阳流量；

③ 显示全天太阳流量变化；

④ 对数值变换为比值显示。

(3)数据存储：可同时存储积分时间为1 ms(.nwm)和1 s(.nws)的观测数据。采用整型数据存储，包括64字节文件头和观测数据，每2字节表示一个采样点(观测数据点)。毫秒级文件是每10 s存一个文件，每个文件20 KB，每天的数据量约为56 M，秒级文件每天的数据量约为60 KB (按每天观测8 h计算)。

(4)数据发布：望远镜从1977年开始观测，2010年进行设备的升级改造，其数据已连续积累三十多年，定期发布在国家天文台太阳数据中心(http://csrh.bao.ac.cn/data/)，用户可自由下载。

图4观测软件界面

Fig.4The interface of the observation software

5观测结果

利用经过上述升级改造后的2 840 MHz太阳射电辐射流量计对太阳进行观测，成功观测到2011年2月15日X2.2级大耀斑爆发(图5)。该事件是一个典型的长持续(近1个小时)复杂型(多峰)射电爆发事件。复杂的多峰结构对应同频率的频谱观测中有斑马纹、脉动、慢漂移等丰富的精细结构[11]。

6结论

本文介绍了国家天文台怀柔观测站2 840 MHz太阳辐射流量计的升级改造。新设备采用了K因子辐射计及新的定标技术，对微波前端、模拟接收系统、数字采集系统、存储显示系统也进行了升级改造。通过设备的升级改造，改进了天线的观测性能，其数据对研究耀斑物理动力学过程、能量释放、太阳活动规律及太阳长期演化行为等具有重要意义，为相关研究提供了丰富的观测依据。

图52011.2.15 X2.2级耀斑-新系统

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

observed with the new system

致谢：衷心感谢设备安装、调试过程中南京射电天文技术研究所吴枫、河海大学沈亚明等的大力支持和帮助。

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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.

基金项目：国家自然科学基金 (11103044, 11273030, 11221063, 11433006)；科技部科学基础性工作专项 (2014FY120300) 和国家重点基础研究发展计划 (973计划) (2011CB11401) 资助.

收稿日期：2015-03-28；

修订日期：2015-04-16

作者简介：杜静， 女， 博士. 研究方向：太阳射电. Email: jdu@nao.cas.cn

中图分类号：P111.44

文献标识码：A

文章编号:1672-7673(2016)01-0052-06