子午工程二期宽波段太阳射电频谱监测.pdf
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1、王威,颜毅华,谭宝林,谭程明,冯士伟,刘飞,陈林杰,苏仓.2024.子午工程二期宽波段太阳射电频谱监测.地球与行星物理论评(中英文),55(1):1-5.doi:10.19975/j.dqyxx.2023-016.WangW,YanYH,TanBL,TanCM,FengSW,LiuF,ChenLJ,SuC.2024.Wide-bandsolarradiospectralmonitoringinthePhaseIIofChineseMeridianProject.ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysics,55(1):1-5(inChinese).doi:10.
2、19975/j.dqyxx.2023-016.子午工程二期宽波段太阳射电频谱监测王威1*,颜毅华1,谭宝林2,谭程明1,冯士伟3,刘飞2,陈林杰1,苏仓11中国科学院国家空间科学中心,北京1001902中国科学院国家天文台,北京1001013山东大学(威海),威海264209摘要:为实现太阳射电的全波段观测,子午工程二期太阳-行星际监测链分系统将建设 4 套太阳射电频谱仪,覆盖十米波-米波-分米波-厘米波波段,将为太阳物理和空间天气研究和业务提供可靠的数据支撑.文中介绍了全波段射电频谱仪的系统构成和主要技术参数,对数据产品和定标过程进行了描述.关键词:子午工程;太阳射电;频谱监测doi:10.
3、19975/j.dqyxx.2023-016中图分类号:P352文献标识码:AWide-band solar radio spectral monitoring in thePhase II of Chinese Meridian ProjectWangWei1*,YanYihua1,TanBaolin2,TanChengming1,FengShiwei3,LiuFei2,ChenLinjie1,SuCang11NationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China2NationalAstronomical
4、Observatories,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China3ShandongUniversity,Weihai,Weihai264209,ChinaAbstract:Toachievefull-bandobservationofsolarradioemissions,thesun-planetaryinterstellarmonitoringchainsubsystemofthePhaseIIofChineseMeridianProjectwillconstructfoursetsofsolarradiospectrometerscov
5、eringthedecimeter,meter,decameter,andcentimeterwavebands,providingreliabledatasupportforsolarphysicsandspaceweatherresearchandoperations.Thesystemconfigurationandmaintechnicalparametersofthefull-bandradiospectrometerareintroduced,andthedataproductsandcalibrationprocessdescribed.Keywords:ChineseMerid
6、ianProject;solarradio;spectrummonitoring0引言可见光波段、紫外和极紫外波段的太阳辐射反映的都是热过程的信息,对于太阳爆发中的非热过程,如等离子体不稳定性引起的能量释放、粒子加速和超热粒子传播过程等都是地基光学波段望远镜无法直接观测的.在地基观测中,可利用射电天文手段探测这些非热过程的信息.在地面上,可探测的射电波段(主要为 30MHz 到 15GHz 之间频段)由于不同频段的探测难度不同,尤其是宽带高分辨率的连续频谱观测对技术要求很高.随着新一代厘米-分米波射电日像仪(Mingantuspectralradioheliograph,MUSER)的建成,我
7、国在 400MHz15GHz 频段的宽带频谱成收稿日期:20230303;录用日期:20230422基金项目:国家自然科学基金资助项目(U2031134);国家自然科学基金青年基金资助项目(12003049)SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNo.U2031134),andtheNationalNaturalScienceFounda-tionforYoungScientistsofChina(GrantNo.12003049)*通信作者:王威(1979-),男,正高级工程师,主要从事太阳射电技术和数据处理研究
8、.E-mail:第55卷第1期地球与行星物理论评(中英文)Vol.55No.12024年1月ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysicsJan.,2024像占据了国际领先的地位.但是,迄今的太阳射电观测仍然还存在许多空白区,在宽带频谱观测方面,国内近年来虽然也取得了许多进展,在厘米-分米波段的宽带动态频谱观测居国际先进水平并取得了大量研究成果,但是也仍然存在许多频段空白,如 2.062.60GHz、7.6012.00GHz 等;现有的太阳射电频谱仪,在时间分辨率和频率分辨率等参数方面也参差不齐,部分设备年代久远,不能长期稳定运行甚至已经停止运行.无法满足子午工程
9、对探测和研究日冕物质抛射(coronalmassejection,CME)、太阳超热粒子、行星际激波和太阳风的需求.厘米-分米波、米波直到十米波段(频率大约为 20GHz30MHz 左右)的射电辐射可以穿透地球大气到达地表,被地基射电望远镜接收,在这个频段内的地基望远镜基本上不受地球气候条件的限制,可以连续观测太阳爆发信号.频率从 15GHz30MHz 的太阳射电辐射信号的源区大约覆盖了从靠近太阳表面附近的色球层顶到距离太阳表面 1.55R的行星际空间,在这个区域里发生的爆发主要为太阳耀斑、CME、行星际激波、太阳超热粒子发射等过程,其中包括爆发的初始能量释放过程和粒子加速源区、CME 的加速
10、区、行星际激波以及太阳风的出发区(子午工程项目团队,2017).在国内探测方面,我国从上世纪末先后研制建成并投入观测了中国宽带动态频谱仪(solarbroad-bandradiospectrometers,SBRS)的 6 个频段的望远镜设备,观测频率在 70MHz7.60GHz 之间,频率分辨率和时间分辨率均居当前国际同类设备的先进行列.但是,从表 1 可以发现,国内在 70MHz以下和 7.6012.00GHz 之间太阳射电观测还是一个空白区.即使现有的设备也存在时间分辨率和频率分辨率满足不了理论的需求的缺陷.表1宽波段射电频谱仪组成Table1Instrumentsofwidebandr
11、adiospectrometer序号名称观测频段站址(经纬度)计划完成时间1米波十米波射电日像仪30400MHz内蒙古锡林郭勒明安图Lon:E115.25,Lat:N42.71,Alt:1365m2023年11月2米波太阳射电频谱仪90300MHz山东威海荣成槎山Lon:E122.31,Lat:N36.84,Alt:53m2023年11月3分米波太阳射电频谱仪4002000MHz内蒙古锡林郭勒明安图Lon:E115.25,Lat:N42.71,Alt:1365m2023年11月4厘米波太阳射电频谱仪200015000MHz内蒙古锡林郭勒明安图Lon:E115.25,Lat:N42.71,Alt
12、:1365m2023年11月在子午工程中,提出利用谱-像结合方式进行观测,则可以全面反映太阳射电爆发过程的全貌.所谓谱-像结合,是指利用单天线单元和具有高时间分辨率和高频率分辨率的太阳射电宽带频谱仪观测太阳爆发获得宽带频谱特征,其频率分辨率达到中心频率的 0.3%左右,时间分辨率则达到对应频段的 SMB(smallmicrowavebursts)平均寿命的1/3 左右,这样可以识别爆发过程的频谱精细结构和超精细结构;在对应频段利用多天线阵列组成的射电日像仪,其频率分辨率达到中心频率的3%5%左右,时间分辨率则达到秒级,同时具有较高空间分辨率,可以给出爆发源的空间位置和源区结构特征的详细观测(谭
13、宝林等,2018).二者联合观测,同时实现高时间分辨率、高频率分辨率、高空间分辨率和高灵敏度.因此,子午工程“太阳-行星际监测链分系统”中将建设一组具有高时间-频率分辨率的太阳射电超宽带动态频谱仪(30MHz15GHz)和一组宽带射电频谱日像仪(由明安图米波-十米波射电日像仪 30400MHz、稻城圆环阵太阳风射电成像望远镜 150450MHz 和现有的 MUSER400MHz15GHz 组成),可以组成在厘米-分米波、米波、十米波的超宽频带上的综合观测,综合反演太阳耀斑、CME、行星际激波、太阳超热粒子和太阳风从源区到传播路径上的动力学行为和演变规律全貌.子午工程将通过太阳-行星际监测链分系
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