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明安圖射電頻日像儀：三維立體探測太陽！

來源：光明網(wǎng) ? 2021-08-17 13:32:03

常言道“萬物生長靠太陽”，可以說，地球上的一切能源都是直接或間接的來源于太陽。人類的進步離不開太陽，太陽造福著人類，而太陽的劇烈活動也可能給人類帶來災難，對航天器、導航、通信、長距離電力輸送等都有嚴重的影響。

太陽活動最主要的表現(xiàn)為耀斑和日冕物質(zhì)拋射，本質(zhì)為太陽磁場變化而引起的能量釋放、物質(zhì)團迅速運動、高能粒子發(fā)射和相應的輻射增強。為了能夠很好的理解太陽輻射，為空間活動提供預報預警，就需要對太陽進行三維探測。

射電爆發(fā)是這些太陽劇烈活動的即時反應，能夠無縫隙地提供太陽擾動在整個日地范圍內(nèi)信息。因此在無線電波段進行射電觀測是研究太陽活動及其對日地空間環(huán)境影響的一個十分重要的手段。

太陽及其噴射出的物質(zhì)，填充了整個太陽系，涵蓋了從太陽表面到地球附近，甚至整個太陽系空間。上圖表明了在不同觀測頻率下觀測到太陽的不同部分。在不同頻率下相當于觀測到了太陽不同的層次，類似于去剝一個“洋蔥”，頻率越低，觀測的層次約靠外，頻率越高，約接近太陽表面，直到可見光波段，看到太陽光球?qū)樱簿褪谴蠹胰庋劭梢姷奶?。為了能夠在三維上對太陽進行解析，構(gòu)建數(shù)字化太陽，就必須在射電波段進行探測。

在從日心向外的方向上，可以利用不同的射電頻率觀測，綜合其不同的層次得到完成的太陽數(shù)據(jù)。在日地連線的方向上，需要采用干涉成像的方法來得到兩維的射電圖像。一般的射電望遠鏡的空間分辨率可以近似表述為：1.22λ/D，其中λ為觀測波長，D為望遠鏡口徑。因為射電波段的波長遠遠大于光學波段，單一的大口徑天線也無法得到較好的空間分辨。

因此，一般會采用綜合孔徑成像的方法來實現(xiàn)，通過測量太陽信號到達各個天線的相位差來反求太陽亮度分布，專門對太陽觀測的射電干涉陣列也稱之為“射電日像儀”。關(guān)于太陽射電探測技術(shù)的內(nèi)容可見《太陽射電天文學的觀測技術(shù)》(陳林杰)，《太陽射電成像的數(shù)字相關(guān)器》(劉飛)。

與其它的射電源不同，太陽輻射具有一些獨特之處，使得射電日像儀系統(tǒng)有著獨特的設(shè)計要求。

信號的快變性，信號的變化時標最快可達毫秒級。要求成像觀測只能工作在快照模式，無法通過長時間積分提高信噪比;還要求同時多頻率通道探測，實現(xiàn)類似于“CT”般的成像觀測。

展源特性，太陽大概是個32角分的面源，根據(jù)單口徑天線視場公式，為了罩住全日面，天線口徑不能太大。例如日本野邊山日像儀的口徑僅為80cm。

信號的大動態(tài)性。不同頻率下，太陽的信號動態(tài)范圍很大，例如在厘米分米波段，要求接收系統(tǒng)的動態(tài)范圍大于30dB。

中科院國家天文臺在明安圖觀測基地建立的明安圖射電頻日像儀(MUSER)，就是可以實現(xiàn)太陽三維立體探測的一個射電成像望遠鏡，具備快速多通道對太陽的二維成像觀測能力。

由射電日像儀獲得太陽觀測二維圖像后，對這些不同頻率的分層圖像進行處理與三維(3D)重構(gòu)，對二維圖像中的特征點搜索，直觀展現(xiàn)太陽不同高度層，給出有效的科學數(shù)據(jù)展現(xiàn)辦法，實現(xiàn)太陽三維立體空間展示。

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