一款观测太阳流量应用软件的设计和实现

李有生 张永宏 肖旺

摘要： 太阳射电望远镜是对太阳射电辐射变化和太阳射电爆发的常规观测平台，是地面上探测太阳活动的主要常规设备，被广泛地应用于太阳活动的研究和监测工作之中，也被广泛应用于太阳活动的研究与预报业务中。本应用软件是实现通过射电望远镜接收到的数据进行保存、处理和分析，生成实时谱图、太阳流量图。

关键词：太阳射电望远镜;爆发;跟踪;太阳流量

1 研究背景

太阳射电辐射有三种分量，即宁静太阳射电、太阳缓变射电和太阳射电爆发，分别起源于宁静太阳大气、某些亮区（局部射电源）和像太阳耀斑之类的瞬变扰动。太阳射电辐射观测研究表明，平时太阳射电辐射是在缓慢变化着的，太阳上有剧烈爆发现象如耀斑爆发时，也会出现剧烈瞬变的“射电爆发”。太阳射电爆发是太阳受到强烈扰动时（如日面上耀斑爆发时）所产生的一种强度急剧增加的射电辐射，起源于从低色球到外日冕的整个太阳大气中，占据的波段从毫米波一直扩展到米波。太阳射电爆发的强度范围大约从接收机噪声以上刚能辨别的流量密度数值（一般最小为几个sfu）一直到几千甚至上万sfu。这里1 sfu=10-22 Wm-2 Hz-1即为太阳射电辐射流量单位。剧烈的太阳射电爆发可引起地球磁场和电离层的强烈扰动，导致短波无线电通讯中断等空间天气灾害事件。太阳射电辐射流量监测是空间天气监测预警不可或缺的一部分。

本太阳射电望远镜系统是对太阳射电辐射变化和太阳射电爆发的观测平台，能够实时监测太阳数据并转换为太阳流量数据，记录太阳流量宁静及爆发的时间和数值，为研究提供数据支持。

2 系统组成

太阳射电望远镜由天线分系统、射频传输分系统、系统控制和数据分析分系统等组成。如图1所示。

分系统组成如下：

1） 天线分系统由天线（天线面、天线座架、馈源），伺服控制（天线控制、天线驱动等）组成;

2） 射频传输分系统由前置单元、射频光纤传输器和后置单元等组成;

3） 系统控制和数据处理分系统由接收机（频谱仪）、系统控制终端（本地服务器）、串口服务器、交换机、保障终端和远程控制终端等组成。

射电望远镜软件主要完成远程控制和监视天线运行的动作，读取仪器设备数据并保存，通过数据合成处理计算太阳流量数据，保存数据并生成流量图进行图形界面显示，同时软件要监控机房的工作环境，软件模块划分如图2所示。

1） 仪器控制模块，完成对仪器的频率设置，数据读取的功能;

2） 数据记录模块，完成对频谱仪读取到的数据保存的功能;

3） 天线伺服控制模块，实现对天线位置的控制和读取的功能;

4） 机房环境监测模块，实现对风速，UPS数据的读取监控功能;

5） 频谱仪控制程序，完成定时读取频谱仪数据，设置频率，传输数据的功能;

6） 频谱计算合成模块，将水平和垂直极化的频谱仪数据读取后，进行数据计算合成为一个合成的频谱数据;

7） 频谱绘制模块，将合成后的频谱数据绘制到显示器上;

8） 太阳流量计算模块，将频谱数据通过太阳流量计算公式进行换算得到太阳流量的数据;

9） 太阳射电谱图绘制模块，将天线计算得到的流量数据绘制在一个谱图上;

10） 天线位置图绘制模块，将当前天线位置以三维的方式显示到显示器上;

11） 状态显示模块，完成机房环境信息的显示功能。

3 太阳角度跟踪、数据接收存储和分析

太阳射电望远镜系统工作时，射电望远镜软件控制天线跟随太阳运转，接收太阳射电信号;太阳射电信号经过射频传输分系统，输入接收机中，经采样得到太阳射电原始数据;系统控制终端从接收机中读取数据，并将这些数据存储在本地服务器中;本地服务器通过对原始数据进行分析和计算，得出太阳射电流量数据，并形成太阳射电流量变化曲线图;当有太阳活动异常时，发出警报;射电望远镜软件将计算后的流量数据自动传输到远程终端。

3.1太阳角度跟踪

跟踪指向的工作原理实际上就是天文学上两种天球坐标系的转换原理，即第二赤道坐标系与地平坐标系的转换。

赤道坐标系的第一坐标称为赤经，计作[α]，它由春分点起沿赤道逆时针计量，不取负值;赤道坐标系的第二坐标称为赤纬，计作[δ]，它由赤道作为计量起点，向北为正，向南为负。

地平坐标系又叫作方位角仰角坐标系，地平坐标系的第一坐标是方位角坐标，计作Az，从当地（观测点）的正北方向开始以顺时针方向计量，由0度到360度;地平坐标系的第二坐标是仰角坐标，计作El，它是地平坐标原点与天体之间连线和连线在地平面的投影之间夹角的大小。

通过上面的两个公式，将天文年历提供的各时刻的赤经赤纬数据转换成各时刻的方位角仰角数据，天线控制单元再将这些方位角仰角数据和两个轴角传感器传来的数据进行比较，由天线驱动单元经天线的方位驱动装置和俯仰驱动装置驱动天线运动实现对观测目标的指向跟踪，太阳角度跟踪模块的流程图见图3。

3.2数据接收存储和分析

射电望远镜软件将获得的太阳射电原始数据，以二进制的形式，每秒钟存储601个数值点，供分析使用。采用每小时保存一个数据文件，命名格式为年月日-小时。数据处理工作流程框图，见图4：

数据处理采用对观测数据的平滑和干扰抑制方法：

将干扰视为小概率事件。根据随机误差概率密度函数的有界性，在一次实验中，概率极小的事件是实际上不可能发生的事件。所谓概率极小，尚有多种判别准则，在未加特别规定时，可使用3[δ]判别准则。

则认为[xp]为概率极小事件，将其剔除，可以有效抑制瞬时干扰，然后进行数据拟合，完成数据的平滑处理。[δ]为数据方差，[μ]为数据均值。

目前太阳射电望远镜没有提供一个可查的[A（f）]，但是可以通过式（4）经过一段时间得到一个相对稳定的[A（f）]，再将[A（f）]带入到式（5）确定每天的定标系数，获取静太阳射电流量。

通过太阳射电数据的相对定标的结果，对不同频点上的太阳射电流量进行统计分析，确定各频点宁静时期流量的变化，设定合适阈值，进行射电流量异常预警。同时监测大的环境干扰对接收带来的影响。

3.3实验数据展示

4结束语

本文主要阐述了太阳流量软件在太阳射电望远镜系统的应用，通过对天线角度的控制，获得仪器设备对准太阳时接收到的太阳数据，通过一定的算法处理后得到太阳的流量值，由此来判断太阳活动的情况。随着科学技术的不断发展，太阳望远镜技术也在不断发展进步，目前在研究日地关系、空间环境及通讯电磁影响等方面有着广泛的应用。

参考文献：

[1] 周树荣.大天线太阳射电观测和流量归算的一种方法[J].天文学报，1996（1）：60-67.

[2] 陈邦媛.射频通信电路[M].2版.北京：科学出版社，2006.

[3] 陈国强，曹文达，杨开平.2130MHz太阳射电望远镜中频放大器的调试[J].云南天文台台刊，1994（2）：47-53.

[4] 紀志浩.辐射计接收系统的非线性影响及改正方法[J].中国科学院上海天文台年刊，1996（17）：265-269.

【通联编辑：朱宝贵】