Исследование микроволнового излучения Солнца на ССРТ с помощью акустооптического приемника тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 523.75:523.164 ЛЕСОВОЙ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЦА НА ССРТ С ПОМОЩЬЮ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА

01.03.03 - гелиофизика и физика солнечной системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук

А. Т. Алтынцев

Иркутск 1998

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ....................................................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ССРТ КАК ФИЛЬТР ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЧАСТОТ..........................................7

1.1 Целесообразность рассмотрения ССРТ как фильтра пространственных частот...............7

1.2 Отличия спектральной чувствительности ССРТ и систем апертурного синтеза..............7

1.3 Элемент с/к-плоскости ССРТ...................................................................................................8

1.4 Влияние фазовых ошибок на элемент гж-плоскости ССРТ................................................11

1.5 Влияние ошибок в пространственном расположении антенн на элемент 1/к-шюскости ССРТ.............................................................................................................................................................13

1.6 Влияние затенения антенн на спектральную чувствительность ССРТ............................16

1.7 Выводы...................................................................................................................................22

ГЛАВА 2. ССРТ КАК ИНСТРУМЕНТ С ЧАСТОТНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ......................24

2.1 Что необходимо знать о ДН на практике..............................................................................24

2.2 Взаимное расположение интерференционных лепестков ССРТ и траектории Солнца... 24

2.3 Формирование диаграммы направленности методом частотного сканирования.........27

2.4 Качественная оценка параметров диаграммы направленности ССРТ.............................28

2.5 Выводы......................................................................................................................................31

ГЛАВА 3. АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК ССРТ............................................................32

3.1 Структура АОП.........................................................................................................................32

3.2 Акустооптический анализатор спектра...............................................................................33

3.3 Фотоприемное устройство акустооптического приемника..............................................33

3.4 Система управления и сбора информации акустооптического приемника.....................34

3.5 Программное обеспечение......................................................................................................36

Выводы...........................................................................................................................................46

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ АОП ССРТ..................................................................................................................................................................47

4.1 Новый метод регистрации корреляционного сигнала с сохранением аддитивных составляющих............................................................................................................................................47

4.2 Реализация метода регистрации корреляционного сигнала с переключением фазы на ССРТ с помощью АОП................................................................................................................................48

4.3 Алгоритм построения двумерного изображения.................................................................48

4.4 Алгоритм калибровки двумерного изображения..................................................................51

4.5 Методика измерения фазового распределения по анализу изображений.........................55

4.6 Выводы......................................................................................................................................65

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ......67

5.1 Результаты наблюдений спайков на других инструментах..................!............................67

5.2 Возможности АОП ССРТ по наблюдению спайков............................................................67

5.3 Результаты наблюдений.........................................................................................................68

5.4 Выводы......................................................................................................................................71

ГЛАВА 6. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ В ДВУМЕРНОМ РЕЖИМЕ..................................76

6.1 Выбор наблюдаемых структур................................................................................................76

6.2 Результаты наблюдений волокон в радиодиапазоне с 1970 по 1990 гг.............................76

6.3 Результаты наблюдений радиоволокон на ССРТ.................................................................77

6.4 Выводы......................................................................................................................................89

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................93

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................................................95

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ДРАЙВЕР АОП ССРТ ДЛЯ WINDOWS NT 4.0............................................97

П1.1 Общие сведения о драйверах Windows NT.........................................................................97

П1.2 Требования к драйверу АОП ССРТ, определяющие его структуру................................100

П2.3 Реализация драйвера АОП ССРТ.......................................................................................105

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ФОРМАТЫ ФАЙЛА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ АОП ССРТ......................107

П2.1 Форматы данных до 1998 г.................................................................................................107

П2.2 Формат данных с 1998 г......................................................................................................108

Введение

Исследования атмосферы Солнца представляют интерес как с точки зрения физики плазмы - это уникальная природная лаборатория, так и с точки зрения прогноза геоэффективных событий - протонных вспышек и выбросов корональной массы. Радиоастрономические методы исследования солнечной атмосферы позволяют получать информацию о параметрах плазмы в короне и верхней хромосфере, о корональных магнитных полях активных областей и о вспышечных процессах. В последнее время интерес солнечных радиоастрономов привлекают быстрые процессы - всплески радиоизлучения с субсекундной длительностью (спайки) - и картографирование Солнца. Быстрые процессы связывают с первичным энерговыделением во время вспышек. Исследуя их, можно получить информацию об источнике вспышечной энергии. Исходя из этого, требовались модернизация приемного устройства ССРТ с целью регистрации быстропротекающих процессов и проведение серии наблюдений, позволяющей выполнить статистический анализ этих событий.

Двумерные изображения Солнца дают не только количественный прирост информации. Появляется возможность наблюдать в радиодиапазоне такие образования, как волокна, которые являются источником выбросов корональной массы. Интерес к картографированию со стороны эксперимента стимулируется вводом в работу радиогелиографа в Нобеяме и, как надеется автор, выходом на проектный режим ССРТ.

Основными целями работы являются:

Создание инструментально-методического обеспечения наблюдений на ССРТ с помощью акустооптического приемника.

Регулярные наблюдения быстрых процессов в конце 22 цикла солнечной активности.

Отработка методики и регулярное получение двумерных радиоизображений Солнца.

Анализ результатов наблюдений субсекундных всплесков радиоизлучения и радиоволокон.

Научная новизна работы.

Предложен и реализован метод регистрации двумерных изображений с сохранением информации о быстрых процессах.

Предложен и реализован метод определения фазовых характеристик антенно-фидерного тракта интерферометров по анализу двумерного изображения.

Впервые была проведена трехлетняя серия непрерывных ежедневных наблюдений быстрых процессов по всему диску Солнца с высоким пространственным разрешением.

Установлено, что источники микроволновых спайков в более чем 90 % случаев совпадают с источником континуума всплеска.

Сделан вывод о влиянии рассеяния в короне на наблюдаемый размер источников спайков в сантиметровом диапазоне.

В результате регулярных наблюдений в двумерном режиме слабоконтрастных образований выделены два типа радиоволокон. Особенностью первого типа является то, что области повышенной яркости с разных сторон радиоволокна соответствуют магнитным полям различной полярности, а область депрессии - области раздела полярности. Для радиоволокон без ярких краев такой связи не наблюдается.

Научное и практическое значение.

Разработанные методики и программное обеспечение используются в регулярных наблюдениях на ССРТ. Показано, что под управлением Windows NT можно создавать системы сбора информации в реальном времени. Проведены наблюдения Солнца в течение семи лет. Создан архив одномерных данных по быстрым процессам с 1992 по 1995 г. Создается архив двумерных данных с 1995 г. Архивы данных используются для интерпретации солнечных явлений.

На защиту выносятся:

• методики проведения двумерных наблюдений и построения двумерных изображений;

• программное обеспечение наблюдений и первичной обработки данных акустооптического приемника (АОП);

• методика определения фазовой характеристики антенно-фидерных трактов интерферометров по анализу двумерных изображений и результаты ее реализации;

• метод получения двумерных изображений одновременно с аддитивными составляющими для наблюдения быстрых процессов и его реализация;

• данные о размере и положении источников спайк-подобных событий, полученные с помощью АОП, позволяющие сделать вывод о влиянии рассеяния в короне на видимые размеры радиоисточников;

• анализ результатов наблюдений радиоволокон в двумерном режиме.

Апробация работы.

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на конференциях в Нижнем Новгороде "XXV Радиоастрономическая конференция" (1992), Санкт-Петербурге "XXVI Радиоастрономическая конференция" (1995), Workshop on "The occasion of the 350th anniversary of the Astronomical Institute" Utrecht (1993), Workshop on "Coronal magnetic energy releases" Kaputh (1994), Санкт-Петербурге "XXVII Радиоастрономическая конференция" (1997), на совещании по созданию нового солнечного радиотелескопа (США, 1995) и семинарах Радиоастрофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН, Радио Обсерватории Нобеяма и Пекинской обсерватории. На метод регистрации корреляционного сигнала без потерь аддитивных получено авторское свидетельство. Практической апробацией результатов работы было их использование в течение семи лет в наблюдениях на ССРТ и обработке данных.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ.

Глава 1. ССРТ как фильтр пространственных частот

1.1 Целесообразность рассмотрения ССРТ как фильтра пространственных частот

Выходным сигналом ССРТ является изображение, а не набор пространственных частот. Во многих случаях данные ССРТ можно использовать без дополнительной обработки, это касается преимущественно одномерных данных. Однако в двумерном режиме уровень боковых лепестков диаграммы направленности (ДН) ССРТ довольно велик (до 25%), и использование первичных данных сопряжено с очевидными трудностями. Восстановление изображения, полученного на ССРТ, требует работы в спектральной области. С другой стороны, как будет показано ниже, анализ изображений в области пространственных частот, так называемой ^-плоскости, позволяет получить информацию об амплитудно-фазовом распределении ССРТ, необходимую для улучшения вида ДН. Два этих соображения приводят к необходимости рассматривать ССРТ как фильтр пространственных частот.

В этой главе будет рассмотрено отличие спектральной чувствительности ССРТ от систем апертурного синтеза. Получено выражение для элемента ш-плоскости ССРТ. Показано, как с помощью этого выражения можно оценить влияние фазовых ошибок, вызванных разбросом электрических длин тракта и пространственным разбросом антенн, на отклик ССРТ. Выражение для элемента иу-плоскости ССРТ будет использовано в главе 4 при аналитическом обосновании методики измерения фазовых искажений тракта по спектру изображения.

1.2 Отличия спектральной чувствительности ССРТ и систем апертурного синтеза

Спектральная чувствительность характеризует вид фильтра пространственных частот радиотелескопа. Основным отличием спектральной чувствительности ССРТ от систем апертурного синтеза, характеризуемых дискретным набором пространственных частот, является непрерывное заполнение определенного интервала пространственных частот (му-плоскости).

Второе важное отличие вызвано фактом регистрации изображения, т. е. для перехода к му-плоскости необходимо выполнить Фурье преобразование. Здесь необходимо сказать несколько слов об используемой ниже терминологии. Из исходных данных ССРТ можно построить изображение с разным угловым размером. Выражение «угловой размер» кажется автору не совсем удобным в

данном случае. Поэтому ниже вместо него будет использоваться выражение -«поле зрения». Подчеркнем, что это не имеет отношения к характеристике инструмента. Поле зрения изображения, если это потребуется, может перекрывать поле зрения радиотелескопа. В этом случае отдельные участки изображения не будут содержать полезной информации, но спектр такого изображения будет отвечать требованию различимости ближайших пространственных частот. На достоверность представления wv-плоскости, оказывают влияние такие факторы как: дискретизация и поле зрения изображения. Для того чтобы в полученной таким образом wv-плоскости можно было различить значения, соответствующие соседним базам, дискретизация и поле зрения изображения должны подчинятся следующему требованию: количество точек в спектре, приходящееся на интервал полосы пропускания пространственных частот ССРТ, должно быть не меньше количества антенн в решетке. То есть:

Г i л

(<ди, dv) - (&Nut, QNvt), © > max —, — , L> max(á/, Sv),

\ut vtJ

где © - поле зрения изображения, N - число антенн, ut,vt -максимальная пространственная частота интерферометра в данный момент времени, L - число точек в изображении.

1.3 Элемент i/v-плоскости ССРТ

Так как ниже широко будет использоваться термин пространственная частота, определимся, что под этим подразумевается в терминах, принятых для описания работы ССРТ.

Отклик двухэлементного интерферометра можно представить как:

V = 1 + cos(kd) = 1 + cos — d cos(/>) , (1-1)

U J

где p - угол к базе, т. е. угол между направлением на источник и базой интерферометра d, отсчитываемый, для линейки EW, от направления W, для линейки NS - от S (в последнем случае этот угол будем обозначать q). Рассмотрим поведение отклика для линейки EW в окрестности р при малых приращениях последнего, т. е. ф «1:

к(ф) Е= 1 + сое — соз(р + ф)

X

1 + сов

У

1 + сое

ж/

/ил ( \ лй . ( \ 1

—соъ{р)-—$т{р)%) 1 =

'ж/ ^

v

--лидр

X

где введено обозначение

и =

соответственно для линейки N8:

й

Величины и,\ будем называть компонентами пространственной частоты, характеризующей двумерную гармонику. Для индексации пространственных частот будем использовать символы к,1, т. е. для произвольной гармоники, входящей в набор ССРТ, имеем:

Ы .

Ш

или, с использованием номеров интерференционных порядков:

Ы

(1.2)

2 Д2 /й? I , А?

(1.3)

где п,т - номера интерференционных порядков для Е^ЭД^ и N8 соответственно.

Ниже все пространственные величины - (х, у, г), с! считаем

выраженными в длинах волн. Направление системы координат (х,у,г) определим следующим образом: положительное направление оси Ох соответствует направлению от N к 8, аналогично для Оу - от к Е, ось Ог направлена в зенит.

Так как ДН по мощности связана с распределением поля в апертуре через преобразование Фурье автокорреляции поля [1], то достаточно рассмотреть выражение автокорреляции. С учетом метода выделения корреляционного сигнала - вычитания сигналов, отличающихся сдвигом фазы на п между линейными ортогональными решетками, это можно записать как

v

С (и, v) = (Emv + Ет ) * (Eew +ENS)m - (Eew - Ens ) * (Emv -Ens)* =

\\{Eew (£ 17)+Ens (¿¡, 7])){Eew* (%-u,J]-V)+Ens*(4-U,?]- vfy&T,- (1.4),

JJiEBW fc n)- Ens (£ ^{Erw* fe ~ «, Л ~ v) ■- Еш* - и, tj - vjjd&Tj раскрывая скобки в подынтегральных выражениях, получим: С(и, v) = 2 ¡¡Еш (£ v)Ens*(4 - и ,V- v]d^drj +

. С1-5)-

211 Еш

В данном случае нас не интересуют эффекты, связанные с конечными размерами антенн. Поэтому мы можем представить распределение поля по апертуре как набор 5-функций:

EmAl v) = - МШ, Еш (£ г,) = - ш), (! -6)

к 1

где -N/2<kJ<N/2, N - число антенн, а- поле в раскрыве антенны d -

расстояние между соседними антеннами. Рассмотрим первое слагаемое (1.5), используя соотношения (1.6)

\\еш fe v)Ens* (%-u,ti- v]d%dt] =

~ kd)ö(ti^a'S^ - ii)ö{n -Id- vWn =

к 1

J ^ЫХ aiS{t]-ld- v) f + «)£ ak §{<; - kd)d%dr]

l к

Используя фильтрующее свойство 8-функции J S{x - a)f{x)dx =f(a) и то, что S(- х) = £(х), получим

JpwfeУ)Еш*~ 7 - v)d%dr] = %akS(u -kd)^a*S(v + Id).

к l

Для второго слагаемого (1.5) аналогичное выражение имеет вид

\\Еш - и, 7 - v)Em (£ 7])d^dr] = £ a*S{u + ht^afiiy - Id).

к 1

Таким образом, для дискретного распределения поля по апертуре мы получаем следующее выражение функции автокорреляции

С(и, у) = 2

^ак3(и -ЫУ^а*§{у + д{и + ЫУ^аг

(1.7)

В дискретном представлении мы имеем квадратную матрицу размерностью К, каждый элемент которой выглядит как

Ск1 (и, у) = 2 ^1ка*д{и - Ы)д{у + Ш) + ак*а,8(и +

л * 1 ^ ■

2|ака_г +а_к а,]

Так как интересующая ДН по мощности есть величина действительная, то Си(м,у), являющаяся ее спектром, должна подчиняться общим требованиям преобразования Фурье действительной величины. Именно, должно быть выполнено условие С(и,у) = С*(-и,-у). Убедимся в этом, рассмотрев один элемент матрицы Сы(- и-у)

С; (- и,-у) = 2(0^¿>(- и - Ы)а*8(- у + Ш)+акд(- и + М)а,с>(- у - /с/)]* =

акд{и + М)а* д{у - И) + ак 8{и - М)агд{у + Ш) ак + Ы)б{у - Ы)+ака* 8{и - М)д{у + Ш)

= Ск1(и,у)

1.4 Влияние �