槎山太阳观测站米波高性能太阳射电频谱系统试运行之三

——太阳射电频谱观测的数字极化合成方法

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。下面给出为观测系统开发的数字极化合成方法。

太阳射电爆发可被分为I、II、III、IV和V型射电暴，区分这些爆发的一个重要特征是它们的极化信息。不同类型的射电爆发有不同的极化性质，表现为不同大小的左旋或右旋圆极化强度。射电暴的极化特征可用于研究射电暴的辐射机制，诊断辐射源区磁场的方向和大小。因此，精确测量圆极化信号是非常重要的。

对太阳观测，尤其是在米波波段，通常使用一组共面的正交对数周期线极化天线（水平、垂直两路天线，感知入射电磁波对应的线极化分量）来收集信号，利用功率分配器和90°移相器合成为圆极化信号（称为模拟极化合成）。当对此天线系统（天线+功率分配器+90°移相器）进行测试时，会发现其轴比大于3 dB （轴比定义为极化椭圆长轴与短轴的比值，一般用来描述圆极化的程度，0db为纯圆极化，一般<3db认为是圆极化，>20db认为是线极化，值越大，线极化纯度越高），有些频率的轴比甚至高于6 dB，远离了圆极化状态。使用这种天线进行信号接收时，会附加较大的极化误差，且不可调。

为此，我们设计的数字极化合成方法，可以将线极化天线合成为纯圆极化天线，得到更加精确的极化信号。极化合成算法流程图如图1所示，利用极化的定义及能量守恒算出一个合成参数，代入程序中进行合成。

图1 数字极化合成算法流程图

数字极化合成结果与模拟极化数据的对比在图2中示出，该图显示了不同频率下对0°方向进行合成得到的轴比。可以看出，模拟极化合成得到的轴比与频率有关，且只在中心频率（400 MHz）附近轴比较小，约为1 dB，其他频率下轴比较大，会带来很大的极化测量误差，而数字极化合成可以在任意频率得到纯圆极化信号（轴比为0 dB）。

图2 两种方法对0°方向合成结果的轴比对比

该研究结果《A Wideband Digital Polarization Synthesis Method》已于2018年4月24日被《International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering》接收，由山东大学空间科学研究院空间电磁探测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山东省自然科学基金的资助。

A Wideband Digital Polarization Synthesis Method，Junrui Zhang, Lizhong Song, Qingfu Du, Yao Chen, International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, 2018, in press.