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槎山太阳观测站米波高性能太阳射电频谱系统试运行之一
[ 录入者:admin | 时间:2017-06-23 17:09:48 | 作者:杜清府,李昕 | 来源: | 浏览:644次 ]
槎山太阳观测站米波高性能太阳射电频谱系统试运行之一
——分辨率可调的太阳射电频谱分析仪

        太阳射电信号的观测与研究在太阳、空间物理学及相关空间天气预报应用中,具有独特的价值。为了得到一手科学数据和开发新的太阳射电观测技术,山东大学空间科学研究院射电技术实验室在荣成槎山南侧建造了槎山太阳观测站(Chashan Solar Observatory: CSO),安装了独立自主设计开发的米波高性能太阳射电频谱观测系统。该系统采用了新的太阳射电频谱数据记录、处理方法,并在试运行期间测量到太阳射电爆发的新特征,这些研究结果将在以后的系列报道中给出。
        当前,国内外现有的数十处太阳射电观测系统只能提供FFT后的频谱数据,后期数据处理过程中,数据的时间、频率分辨率能力只能减弱不能增加,数据分辨的可调性差。CSO系统首次采用了离线数据分析技术,在时域对太阳射电信号数字化,并实时存储;通过对存储数据开展离线数据分析,得到不同时间、频率分辨率的频谱图,从时间、频率分辨率不同组合的角度上研究同一太阳射电爆发事件。
        观测系统通过采样速度为1 GSPS的高速宽带ADC对太阳射电信号数字化,由FPGA的硬件进行高速运算,通过PCIE总线将数据存储在高速内存中。FPGA首先将ADC数据进行FFT运算,计算出频谱加权功率和,计算结果与设定的阈值进行比较,作为判断频谱系统数据采集的工作模式:爆发和正常模式。其中,爆发模式系统采用密集采集数据,正常模式采用稀疏采集模式,采集到的数据以乒乓方式上传至计算机。
        观测系统于2016年5月开始试运行,已观测到多次太阳射电暴爆发事件。为验证系统观测数据的可靠性,CSO的数据与Learmonth的数据进行了比对,结果在图1中示出。图中,蓝线为CSO的观测结果,红线为Learmonth的观测数据,对比发现两组数据的观测结果基本一致。
 

图1. 245 MHz上CSO和Learmonth的观测数据。

        考虑到频谱数据的噪声与数据的频率分辨率与成反比,数据的频率分辨率越高,数据的噪声越小,频谱仪可探测的信号的强度更低、可分辨的信号的细节越精细。下面将以CSO于2016年7月18日和19日记录的太阳射电爆发事件为例进行试验。
        图2给出了具有相同时间分辨率(Δt= 250 ms),不同频率分辨率Δf=〜1MHz和〜30KHz(FFT的字长N = 1K和32K)的动态频谱。对比发现,右列频谱图的噪声较小,射电爆发的细节更加清晰。
 


图2. 左(右)列为频率分辨率为1 MHz (30 KHz)和时间分辨率约250 ms的动态频谱图。 

        图3(a-b)和图3(d-e)给出了具有相同的时间分辨率、不同频率分辨率的更精细的频谱图。对比发现,图3(a)和(d)存在可观察到的马赛克图案,而在图3(b)和(e)中,由于增加了频谱分辨率,这些马赛克图案被去除,丝状细结构及其漂移趋势和大小能清楚地看出。图3(c)和(f)显示了频谱仪的最高频率分辨能力下的动态频谱图,由于采集数据量的限制,此图并不比图(b)和(e)图更清晰。

图3. 不同频率和时间分辨率大小的动态频谱图的对比。上、中和下三列图的频率分辨率为1 MHz 、30 KHz和 3 KHz;左列(a-b)和(c)图的时间分辨率为250 ms和960 ms,右列(d-e)和(f)图的时间分辨率为1 s和960 ms, 白色矩形框示出爆发精细结构。

        上述内容展示了,使用时间、频率分辨率不同组合的射电频谱数据在射电爆发精细结构的研究中的潜在能力。CSO频谱分析仪的分辨能力具有极大的灵活性和可操控性,这对太阳射电爆发精细结构的观测研究是非常有帮助的。

        该研究结果《A Solar Radio Dynamic Spectrograph with Flexible Temporal-spectral Resolution》已被Research in Astronomy and Astrophysics(RAA)接受,由山东大学空间科学研究院射电技术实验室科研人员完成,将于近期发表。感谢国家自然科学基金和博士后基金的资助。
1. A Solar Radio Dynamic Spectrograph with Flexible Temporal-spectral Resolution, Qing-Fu Du, Lei Chen, Yue-Chang Zhao, Xin Li, Yan Zhou, Jun-Rui Zhang, Fa-Bao Yan, Shi-Wei Feng, Chuan-Yang Li, Yao Chen, Research in Astronomy and Astrophysics, 2017, in press.

 
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