中国科学院国家天文台太阳物理研究20年

中国科学院国家天文台自2001年成立以来,汇集了与太阳物理有关的创新研究队伍和观测基地,是我国规模最大的太阳物理研究群体,拥有理论研究、观测分析和设备研制等综合优势.20年来,国家天文台成功运行着多通道太阳磁场望远镜和太阳射电宽带动态频谱仪等世界一流的观测设备,研制了全日面太阳光学和磁场监测系统及明安图射电频谱日像仪(Mingantu Spectral Radioheliograph,MUSER)等新一代观测设备,正在研制中红外太阳磁场精确测量观测系统(accurate solar infrared magnetic measuring system,AIMS)、我国首个空间太阳望远镜ASO-S(Advanced Space-based Solar Observatory)的有效载荷全日面磁场望远镜(full-disk magnetograph,FMG)、米波-十米波射电频谱日像仪和行星际闪烁射电望远镜等新设备.本文着重回顾近20年国家天文台研究人员取得的一系列开拓性研究成果或亮点研究进展,进一步展望未来我国太阳物理界将主要在太阳磁场、太阳射电和深空太阳探测方面进行的重点突破,推动在太阳和日地物理中解决科学难题,包括太阳磁场与太阳周的起源、日冕加热、太阳爆发起源及其对日地空间环境的作用和影响等.

交通事故发生受太阳活动影响吗?

根据1951-2009年59年间的中国交通事故起数和10 cm太阳射电流量的有关资料,用经验模式分解方法、交叉小波方法、相关分析方法等数学手段对二者之间的关系进行了分析研究。结果表明:中国交通事故的发生与太阳活动的11年周期活动存在具有统计意义的正相关关系,交通事故的发生受太阳活动的影响。最后对这种影响进行了解释。

超高分辨率太阳射电事件及其相关太阳活动的研究

从2004年10月起,国家天文台怀柔射电频谱仪增加了新的超高分辨率观测模式:在1.10～1.34 GHz频带其时间分辨率为1.25 ms,频率分辨率为4 MHz。报告了3个超高分辨率下观测到的太阳射电精细结构事件,包括射电尖峰辐射、鱼群结构和重叠的精细结构,在射电精细结构之后8～14 min,在米波段都发现射电II型爆发,3个事件的米波II型爆发(示踪着日冕激波)都有相关联的日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,CME)。

交通事故死亡人数与太阳活动的统计关系分析

分析1951—2009年间的中国交通事故死亡人数和太阳黑子数的有关资料,用交叉小波、整体平均经验模式分解、相关分析等数学方法来探讨太阳长期活动统计上对交通事故死亡人数的影响。结果表明:中国交通事故死亡人数与太阳活动的11年周期活动存在具有统计意义的正相关关系,严重交通事故的发生的确受太阳活动的影响。

天文因素和气候对突发性聋发病的影响

目的探讨突发性聋发病与天文因素和气候的关系。方法对张晓彤等人(2010)给出的西安交通大学医学院第二附属医院1980～2009年期间收治的突发性聋百分比进行了经验模式分解分析,并将分解成分和太阳黑子数进行相关分析。将该突发性聋百分比的分解成分和当地气温的分解成分进行比对,将一年中每月的突发性聋发病人数与一年中每月的温湿指数进行相关分析。结果突发性聋的周期变化成分和太阳黑子数之间存在具有统计意义的反相关关系;突发性聋存在明显的上升趋势与温度变化的上升趋势一致;突发性聋与温湿指数存在相关关系。结论太阳活动反相关地影响突发性聋的发病,推测其是通过调制宇宙线活动来实现的。高温度相对低温度更容易发生突发性聋病。

三频段太阳射电望远镜与空间天气

基于地基望远镜对太阳射电辐射流量进行长期监测是空间天气预报的一种重要手段,用来预报太阳活动引发的地球上的各种扰动。明安图和塔什库尔干两台新的三频段(10.7 cm,6.6 cm和3.3 cm)太阳射电望远镜将服务于我国的空间天气监测和预报,介绍了系统的结构和设计特性、双噪声源定标方法。系统稳定性优于1%(10 h),灵敏度优于1 sfu。展示了明安图太阳射电望远镜2017年试观测的初步结果。

世界各国太阳射电望远镜概况

详细汇总了国内太阳射电望远镜的技术性能及原理框图。收集了部分国外太阳射电望远镜技术指标。对射电望远镜系统参数灵敏度、信噪比、交叉计划隔离度的计算方法作了介绍。

太阳射电频谱观测数据分析系统方案设计

中国太阳射电宽带动态频谱仪(Solar Broadband Radio Spectrometer)在太阳物理研究和国际合作交流中发挥了重要作用。为进一步扩大该设备观测数据的国际交流和共享、挖掘数据的深层信息、加快科学产出,有必要开发一套与SSW(Solar Soft Ware)兼容的数据分析系统。该系统具有以下主要特点:(1)按SSW规范设计编写,既可以在SSW环境下运行也可以独立安装使用;(2)新界面设计更易于用户上手,也可以进行复杂深层的数值分析;(3)规范明晰的功能模块和流程设计减少了漏洞和排错时间,定标和特征信息提取等多种亟需功能的完善为科学研究开拓了空间,节省了时间;(4)利用MySQL关系数据库管理系统建设一个安全稳定、易于升级管理的数据库,便于浏览搜索和批量下载。此外,该数据分析系统的开发将为正在研制的中国太阳射电频谱日像仪积累经验和储备技术,并为国内其它台站提供模式和经验。

全日面太阳磁场望远镜精密温控系统研制

双折射滤光器是太阳观测中的重要设备,其中的双折射晶体的折射率对温度变化非常敏感,光学设计要求滤光器温度控制系统的稳定精度达到0.01℃以内,才能保证滤光器精确稳定地工作。太阳望远镜中双折射滤光器构型复杂,使用环境恶劣,其高精度温控一直是国际公认的核心技术。针对全日面太阳望远镜滤光器的温控问题,设计了基于积分分离PI加前馈的复合温控系统,实现了对滤光器的高精度恒温控制。系统使用24位AD实现高精度温度采集,采用数字滤波算法提高测温精确度;积分分离PI结合环境温度作为参数的前馈控制的复合控制方法,输出脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)控制策略,实现对滤光器高精度温控。相比原有的滤光器温控系统,本系统在保持原有温控精度的前提下,大大简化了系统设计。结果表明,当设定温度为42.216℃时,在实验室中,温控精度达到±0.001℃。该温控系统已经在怀柔观测基地投入使用,最大温度波动0.0075℃,控制效果准确稳定,获得大量高质量科学数据。

太阳磁场非势性研究中的光流技术法

综述了太阳磁场非势性研究中几种光流技术法,并进一步讨论了光流技术应用后可得到的新非势性参量。主要内容分为以下两部分:(1)光流技术法是近年来太阳磁场非势性研究中新兴起的一系列图像分析法的统称,主要包括LCT、ILCT、MEF、DAVE和NAVE。对它们的计算条件、适用范围和优缺点进行了详细说明和比较。(2)应用光流技术,人们可以由时间序列的磁图得到磁结构的光流,从而直接由观测资料计算求得磁力线足点的水平流速度,进而得出磁螺度流(磁螺度由光球向日冕的注入率)、太阳表面的感应电场,光球表面的非势磁应力(其面积分就是洛伦兹力)等一系列新的非势性参量。前期研究表明,这些参量与耀斑、日珥爆发、CME等大的太阳爆发事件密切相关。

太阳米粒组织目标特性对望远镜相关跟踪系统的影响

研究太阳目标特性对太阳望远镜相关跟踪图像稳定系统的影响,采用Hinode太阳光学望远镜的观测数据,对以2min为时间间隔采样的5幅太阳米粒组织图像进行相关计算.针对国家天文台正在研制的空间太阳望远镜(SST)主光学望远镜(MOT)相关跟踪图像稳定系统,分析了太阳米粒组织随时间衍化对相关跟踪系统图像移动计算精度的影响以及米粒组织动态变化对望远镜曝光时间的影响.仿真结果表明,更换参考图像时间不能大于2min,并且在保证算法实时性的情况下,选用参考图像的尺寸与相关跟踪系统定位精度成正比.

太阳目标哈特曼波前探测研究

分别对Hinode光学望远镜SOT观测太阳黑子的本影和半影图像以及太阳米粒组织图像进行了空间频谱计算和相关计算,分析了太阳不同结构区域图像的时域和空域特性对哈特曼波前探测精度的影响。计算和分析结果表明,在子孔径波面倾斜小于0.25″情况下,米粒组织图像采样时间在2 min内、本影和半影采样时间在4 min内,对子孔径波面倾斜探测精度的影响极小;并且由太阳目标特性引起的哈特曼波面探测误差随波面畸变量的增大而增大。这些研究结果可为太阳望远镜哈特曼波前探测器研制和应用提供依据和参考。

一种Ka频段超低交叉极化宽频带波纹喇叭天线

波纹喇叭天线是一种结构紧凑、具有良好辐射性能的馈源天线,特别是轴向槽波纹喇叭天线可以在宽频段内实现极低的交叉极化,对扩展工作频段、实现极化复用有重要的价值。文章对轴向槽波纹喇叭天线的设计方法进行了研究,利用模式匹配法和全波算法软件设计了一种Ka频段超低交叉极化宽频带轴向槽波纹喇叭天线。实测数据表明,该喇叭天线工作频段可覆盖整个Ka频段(26.5~40 GHz),在频段内回波损耗小于-20 d B、交叉极化小于-45 d B,同时天线具备良好的方向图对称性和相位中心稳定性,在卫星通信领域具有广阔的应用前景。

基于立体方向图和十字跟踪扫描法校准天线指向

针对明安图射电频谱日像仪(Mingantu spectral radioheliograph, MUSER)天线高指向精度动态跟踪要求,同时为降低非理想因素对复杂系统天线指向测量影响,提出校准天线指向的组合方法.先用网格法测量天线的双圆极化多频率通道立体方向图定性评估系统测量链路状态,后对太阳运行轨道进行十字跟踪扫描测量天线指向偏差,再用最小二乘法拟合获得天线指向模型的8个参数.国家天文台明安图观测基地的2台20 m地平式天线将在MUSER系统观测和校准中起重要作用.对20 m天线跟踪指向进行了校准,指向偏差均方根从12'改善到4.4',验证了方法的可行性,为类似复杂系统的相关工作提供了借鉴和参考.

CSRH灵敏度分析

灵敏度是所有信号接收设备的重要指标之一。在射电天文中,灵敏度定义为最小可检测的流量密度,是衡量射电干涉仪性能的重要因素。描述了射电天文中干涉仪灵敏度和图像灵敏度的物理含义,阐述了干涉仪分别对展源和点源的灵敏度区别;分析了中国频谱日像仪(Chinese Spectral Radioheliograph,CSRH)接收机和图像灵敏度以及系统设计对系统灵敏度的影响。

CSRH阵列设计研究

介绍中国频谱日像仪(Chinese Spectral Radioheliograph,CSRH)天线阵排列的研究工作。根据CSRH观测目标,给出了在UV平面优化设计的性能指标。最后通过对螺旋阵参数的优化,根据洁化处理的图像质量决定了中国频谱日像仪天线阵列的设计方案。

明安图观测基地复杂电磁环境和干扰消减措施

射频干扰是射电天文观测设备无法回避的问题。国家天文台(内蒙古)明安图观测基地多台各具特色的射电观测设备、各类电磁辐射源及其传播路径共同组成了复杂的电磁环境。现有超宽带高分辨太阳射电成像观测设备——明安图射电频谱日像仪,以及即将建设的子午二期工程的太阳行星际监测系统,包括米波-十米波射电日像仪、行星际闪烁望远镜和超宽带射电频谱仪等,全部频率覆盖1 MHz^15 GHz,观测结果用于太阳物理、空间天气监测和预报的关键问题研究,也对电磁环境提出了更高要求。介绍了明安图观测基地的观测设备及其地理环境,给出了方位频率功率谱、立体方向图、时间频率功率谱等射频干扰的初步监测结果,讨论了射频干扰预防、消减及射频干扰自监测方案。

射电日像仪灵敏度测量

灵敏度是射电望远镜的一个重要性能指标,它反映了望远镜监测弱信号的能力。基于明安图射电频谱日像仪(Mingantu Ultrawide Spectral Radioheliograph,MUSER)的调试观测,给出了日像仪灵敏度的测量方法,对天线系统以及整个阵列的灵敏度进行测量分析,得到了日像仪系统整体的灵敏度性能参数。测量同时给出了天线系统的效率以及接收机系统的增益,这将为下一步日像仪展开常规的科学观测提供参考。

月基甚低频射电干涉仪Tripole天线特性研究

对月基甚低频射电干涉仪所用Tripole矢量有源天线进行理论分析,计算了不同激励下的辐射方向图以及给定方向图时所需的激励。不同于传统的天线阵列方法,单一的Tri-pole(三阵子)天线即可实现对入射波达波方向(DOA)的估计。运用改进的基于单位矩阵束(UMP)和最小二乘法(LS)的算法实现了对Tripole天线达波方向的估计,该算法适用于对入射波不同频率分量的DOA估计,计算量小,且估计精度更高,仿真结果表明了算法的有效性。

成像级CdSe中红外波片的表面处理工艺研究

本文利用改进的垂直无籽晶气相升华法生长出尺寸达Φ30×40 mm的优质硒化镉(CdSe)单晶体。解理晶体,通过X射线衍射仪测试精确的获得(001)晶面。然后定向切割、研磨、抛光,获得了尺寸为20×20×3mm^3的CdSe中红外波片初胚。以弱碱性溶液与刚玉粉的混合液作为抛光液,利用化学机械抛光法对CdSe中红外波片进行表面抛光处理。结果显示,抛光处理有效的减少了波片表面的损伤层、划痕及结构缺陷,晶片表面的粗糙度降低,在2~20μm波段透过率较高(达到70%),满足中红外波片的应用需求。