【摘 要】
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太阳爆发(耀斑、日冕物质抛射等)是太阳系最剧烈的能量释放过程。其产生的高能粒子可能会使地球周围的环境以及地磁场产生强烈的扰动,影响通讯、卫星等现代化系统,对太阳爆发及其背后动力学机制的研究一直是太阳物理研究中非常重要的课题。目前,对于太阳射电爆发的研究已经有了很大的进展,但是随着研究的深入,常规的爆发数据已经难以满足科研的需求,很多学者开始研究太阳射电爆发的精细结构,这些精细结构包含大量的信息,具
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太阳爆发(耀斑、日冕物质抛射等)是太阳系最剧烈的能量释放过程。其产生的高能粒子可能会使地球周围的环境以及地磁场产生强烈的扰动,影响通讯、卫星等现代化系统,对太阳爆发及其背后动力学机制的研究一直是太阳物理研究中非常重要的课题。目前,对于太阳射电爆发的研究已经有了很大的进展,但是随着研究的深入,常规的爆发数据已经难以满足科研的需求,很多学者开始研究太阳射电爆发的精细结构,这些精细结构包含大量的信息,具有重要的科学研究价值。低频(米波-十米波)段的太阳辐射包含大量的爆发事件,是一个有重大意义的观测频段。世界上已经建立起很多米波-十米波段太阳射电观测系统,但是大多数的低频太阳射电观测系统由于建立时间较早,受限于当时的电子器件和计算机技术,时间分辨率和频率分辨率较低,难以实现太阳射电爆发的精细结构观测。且我国在70 MHz以下专用于太阳射电的高分辨率观测系统较少。因此,课题组从科学需求出发与实际应用出发,提出建立高分辨率低频太阳射电观测系统,本文对观测系统中的接收系统进行了研制,具体内容如下:1)研制低频段高分辨率太阳射电接收系统。基于课题组老师在槎山观测站设计和安装的1×3交叉极化对数周期天线阵列,研制了高分辨率太阳射电接收系统。根据槎山观测站(ChaShan Observatory,CSO)低频电磁环境测试结果,选择25-110 MHz作为观测频段,并结合低频太阳射电流量强度理论计算,确定接收系统总体方案,对器件进行选型。2)通过对比分析选择合适的宽带波束形成算法。基于数字波束形成基本理论以及窄带数字波束形成算法,对宽带数字波束形成算法进行了深入的研究。通过对比分析,选择了基于重采样法的恒定束宽宽带波束形成算法作为本系统的阵列处理算法。对该算法进行了仿真验证和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现。结果表明,该算法适用于本系统,实现了波束指向功能。3)设计实现FPGA中的各数据处理模块。设计数字滤波器以进一步抑制带外干扰;通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)将时域数据转换成频域数据,使用数字极化合成完成线极化信号到圆极化信号的转换,实现爆发偏振信息的观测;设计宽带数字波束形成器实现阵列的指向,完成对太阳轨迹的跟踪;通过频谱累加求平均处理后得到最终数据。对每个功能模块进行截位处理以降低数据量,减小FPGA资源消耗。4)对接收系统进行测试并在槎山观测站实现系统的运行。系统运行前,在实验室对系统模拟单元各器件的主要性能参数进行了测试,对数字接收机各功能子模块的功能进行了验证,最后在山东大学槎山观测站进行了系统的整体测试,实现了系统的运行。目前,系统已经在槎山观测站顺利运行了半年多的时间,观测到二十余次低频太阳爆发。系统可同时观测左/右旋圆极化信号,频率分辨率为30 kHz,时间分辨率0.2-8.4 ms可调。通过系统测试以及数据对比分析表明:本系统能够观测到太阳爆发的精细结构,为太阳爆发的科学研究提供重要的数据支撑。
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