Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах

Предложен комплекс аппаратуры для определения угловых характеристик источников, связанных с солнечным радиоизлучением на декаметровых волнах. Метод измерений основан на интерферометрическом подходе с использованием секционной структуры радиотелескопа УТР-2. Описана простая методика наблюдений и обра...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2015
Main Author:	Шепелев, В.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2015
Series:	Радиофизика и радиоастрономия
Subjects:	Радиоастрономия и астрофизика
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106324
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах / В.А. Шепелев // Радиофизика и радиоастрономия. — 2015. — Т. 20, № 1. — С. 20-29. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106324
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1063242025-02-09T13:54:52Z Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах Визначення кутових параметрів джерел радіовипромінювання Cонця на декаметрових хвилях Determination of Angular Parameters of the Sources of Solar Radio Emission at Decameter Wavelengths Шепелев, В.А. Радиоастрономия и астрофизика Предложен комплекс аппаратуры для определения угловых характеристик источников, связанных с солнечным радиоизлучением на декаметровых волнах. Метод измерений основан на интерферометрическом подходе с использованием секционной структуры радиотелескопа УТР-2. Описана простая методика наблюдений и обработки данных, не требующая калибровок антенны. Проведены наблюдения спокойного Солнца и всплесков его спорадической активности, позволившие определить как угловые размеры источников, так и их взаимное положение. Запропоновано комплекс апаратури для визначення кутових характеристик джерел, пов’язаних із сонячним радіовипромінюванням на декаметрових хвилях. Метод вимірювань грунтується на інтерферометричному підході з використанням секційної структури радіотелескопа УТР-2. Описано просту методику спостережень та обробки даних, що не вимагає калібрувань антени. Виконано спостереження спокійного Сонця і сплесків його спорадичної активності, що дозволили визначити як кутові розміри джерел, так і їх взаємне розташування. Facilities for measurement of angular characteristics of the sources associated with solar radio emission at decameter wavelengths have been developed. The measurement method is based on the interferometer approach using the sectional structure of the UTR-2 radio telescope. A simple method of observation and data reduction is described which does not require antenna calibration. The observations of the quiet Sun and bursts of its sporadic activity have been made that enables to determine the angular size of sources and their relative position. 2015 Article Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах / В.А. Шепелев // Радиофизика и радиоастрономия. — 2015. — Т. 20, № 1. — С. 20-29. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1027-9636 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106324 520.274; 523.9 ru Радиофизика и радиоастрономия application/pdf Радіоастрономічний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Радиоастрономия и астрофизика Радиоастрономия и астрофизика
spellingShingle	Радиоастрономия и астрофизика Радиоастрономия и астрофизика Шепелев, В.А. Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах Радиофизика и радиоастрономия
description	Предложен комплекс аппаратуры для определения угловых характеристик источников, связанных с солнечным радиоизлучением на декаметровых волнах. Метод измерений основан на интерферометрическом подходе с использованием секционной структуры радиотелескопа УТР-2. Описана простая методика наблюдений и обработки данных, не требующая калибровок антенны. Проведены наблюдения спокойного Солнца и всплесков его спорадической активности, позволившие определить как угловые размеры источников, так и их взаимное положение.
format	Article
author	Шепелев, В.А.
author_facet	Шепелев, В.А.
author_sort	Шепелев, В.А.
title	Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах
title_short	Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах
title_full	Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах
title_fullStr	Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах
title_full_unstemmed	Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах
title_sort	определение угловых параметров источников радиоизлучения cолнца на декаметровых волнах
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Радиоастрономия и астрофизика
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106324
citation_txt	Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах / В.А. Шепелев // Радиофизика и радиоастрономия. — 2015. — Т. 20, № 1. — С. 20-29. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Радиофизика и радиоастрономия
work_keys_str_mv	AT šepelevva opredelenieuglovyhparametrovistočnikovradioizlučeniâcolncanadekametrovyhvolnah AT šepelevva viznačennâkutovihparametrívdžerelradíovipromínûvannâconcânadekametrovihhvilâh AT šepelevva determinationofangularparametersofthesourcesofsolarradioemissionatdecameterwavelengths
first_indexed	2025-11-26T12:54:09Z
last_indexed	2025-11-26T12:54:09Z
_version_	1849857569987756032
fulltext	ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 1, 201520 Радиофизика и радиоастрономия. 2015, Т. 20, № 1, c. 20–29 © В. А. Шепелев, 2015 В. А. ШЕПЕЛЕВ Радиоастрономический институт НАН Украины, ул. Краснознаменная, 4, г. Харьков, 61002, Украина E-mail: shep@ri.kharkov.ua ÎÏÐÅÄÅËÅÍÈÅ ÓÃËÎÂÛÕ ÏÀÐÀÌÅÒÐÎÂ ÈÑÒÎ×ÍÈÊÎÂ ÐÀÄÈÎÈÇËÓ×ÅÍÈß CÎËÍÖÀ ÍÀ ÄÅÊÀÌÅÒÐÎÂÛÕ ÂÎËÍÀÕ Предложен комплекс аппаратуры для определения угловых характеристик источников, связанных с солнечным радио- излучением на декаметровых волнах. Метод измерений основан на интерферометрическом подходе с использованием секционной структуры радиотелескопа УТР-2. Описана простая методика наблюдений и обработки данных, не тре- бующая калибровок антенны. Проведены наблюдения спокойного Солнца и всплесков его спорадической активности, позволившие определить как угловые размеры источников, так и их взаимное положение. Ключевые слова: интерферометр, угловой размер, Солнце, всплески III типа УДК 520.274; 523.9 1. Ââåäåíèå Солнечное радиоизлучение интенсивно иссле- дуется много лет с помощью как наземных, так и космических радиотелескопов. Наиболее часто в наблюдениях определяются временные и спек- тральные характеристики излучения и гораздо реже его угловая структура. В то же время про- странственные характеристики излучения как спо- койного Солнца, так и его спорадического компо- нента весьма важны для построения моделей фи- зических процессов, происходящих в солнечной короне. Особенно мало таких исследований про- ведено в декаметровом диапазоне – на самых длинных волнах, допускающих проведение наблю- дений с поверхности Земли. Угловой размер объекта можно определить с помощью радиотелескопа с остронаправленной антенной. При сканировании лучом антенны на выходе радиотелескопа получают изображение в виде свертки распределения яркости наблюдае- мого радиоисточника с диаграммой направленнос- ти антенны. Антенное сглаживание приводит к тому, что ширина измеренного отклика становится боль- ше истинных размеров источника. Для определе- ния истинного размера объекта ширина луча ра- диотелескопа должна быть существенно меньше угловых размеров источника. Ширина диаграммы направленности радиотелескопа УТР-2 на частоте 25 МГц составляет 25 . Для сравнения: измерения на УТР-2, проведенные в 1976–1977 гг. [1], показа- ли, что угловой диаметр спокойного Солнца на де- каметровых волнах приблизительно равен 1 на частоте 25 МГц и увеличивается с понижением частоты [2], а угловые размеры источников, свя- занных со всплесками спорадического излучения различного типа на этой частоте, составляют около 20 [3]. Очевидно, что угловые размеры иссле- дуемых объектов в этом случае сравнимы с шири- ной диаграммы направленности телескопа и для определения истинных размеров источников сол- нечного излучения методом сканирования нужно учитывать эффект сглаживания. Антенна радиотелескопа УТР-2, как и другие антенны-решетки, применяемые в низкочастотной радиоастрономии, имеет существенный уровень боковых лепестков. При этом радиометры корре- ляционного типа, используемые для устранения влияния галактического фона, приводят к знакопе- ременному характеру этих лепестков. Двумерная картина боковых лепестков такой антенны сложна и заметно изменяется в зависимости от ориен- тации луча телескопа, что затрудняет учет антен- ного сглаживания. Так, например, модельный рас- чет [1] показал, что при малом диаметре источни- ка ширина одномерного скана УТР-2 на частоте 25 МГц, как и следовало ожидать, больше ис- тинного размера объекта, однако при увеличении диаметра до 1 , что соответствует размеру спо- койного Солнца на этой частоте, влияние боковых лепестков приводит к тому, что ширина отклика становится меньше истинного размера. Исследование угловой структуры солнечных всплесков затрудняется их кратковременностью, поэтому требуется применение многолучевых ан- тенн или быстрое сканирование источника лучом телескопа. Для УТР-2 разработан солнечный гелиограф, где используются оба принципа. Сигналы пяти ножевых лучей, сформированных ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 1, 2015 21 Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах антенной Север–Юг (С–Ю), перемножаются с сигналом антенны Запад–Восток (З–В), образуя пятерку карандашных лучей, которые быстро перемещаются в пространстве с помощью фа- зовращателя, включенного на выходе второй ан- тенны [4]. Таким параллельно-последовательным способом формируется матрица лучей, покры- вающая исследуемый объект. Очевидно, что рас- пределение боковых лепестков отдельных лучей такой матрицы не идентично, что дополнительно затрудняет учет антенного сглаживания. Альтернативным методу сканирования, где раз- меры источника определяются по ширине отклика, является интерферометрический подход, в котором угловые размеры объекта при заданной длине базы интерферометра находят по амплитуде отклика калиброванного интерферометра. Такие экспери- менты в декаметровом диапазоне были проведе- ны, например, в 1975 г. с помощью шести интерфе- рометров с базами от 19 до 1240 м [5]. Антеннами этих интерферометров служили полуволновые виб- раторы, что обусловило невысокую чувствитель- ность инструментов, позволившую, однако, наблю- дать мощные солнечные всплески. Очевидной проблемой солнечной радиоастро- номии декаметрового диапазона является высо- кий уровень искусственных помех, характерный для наблюдений, проводимых в дневное время. Это вынуждает применять узкие полосы пропус- кания в приемной аппаратуре, что дополнительно ограничивает чувствительность. В статье описан интерферометрический комп- лекс, предназначенный для определения угловой структуры источников солнечного радиоизлу- чения. Комплекс создан на основе оборудования сети интерферометров УРАН и использует прин- ципы обработки сигнала, применяющиеся в этой сети [6]. В качестве антенн интерферометров ис- пользуются отдельные секции радиотелескопа УТР-2. Определены возможности этого комплек- са по измерению угловых размеров радиоисточ- ников, предложена методика обработки сигналов, упрощающая калибровку инструмента, приведе- ны результаты первых наблюдений. 2. Ñòðóêòóðà è ïàðàìåòðû èíòåðôåðîìåòðè÷åñêîãî êîìïëåêñà Антенные решетки С–Ю и З–В радиотелескопа УТР-2 состоят из отдельных секций, которые уп- равляются одновременно. Каждая из восьми сек- ций антенны С–Ю содержит 180 вибраторов, ском- понованных в шесть рядов, вытянутых вдоль направления север–юг, по 30 вибраторов в каждом. Антенна З–В состоит из четырех секций по 150 вибраторов в каждой, образующих шесть рядов, вытянутых в направлении запад–восток, в каж- дом из которых 25 вибраторов. Благодаря разно- му расстоянию между вибраторами в направле- ниях север–юг и запад–восток секции обеих ан- тенн разнесены на одинаковое* расстояние 225 м. Секции каждой решетки имеют одинаковую схему распределенного усиления и фазирования. Сигналы с их выходов поступают на последний этаж фазирования радиотелескопа, который формирует суммарные диаграммы направленности решеток, однако выходные сигналы каждой секции также доступны для использования [7]. Приемно-регистрирующее устройство, исполь- зуемое в интерферометрах УРАН, имеет четыре независимых канала с полосой регистрации сиг- налов в каждом из них 250 кГц [6]. После пред- варительной фильтрации, усиления и преобразо- вания частоты в аналоговой части приемника и аналогово-цифрового преобразования сигналы поступают в компьютер, где осуществляется их цифровая фильтрация и регистрация. Одной из задач цифровой фильтрации является автома- тическое подавление узкополосных помех искус- ственного происхождения в режиме реального вре- мени, причем разрешающая способность фильт- ра составляет около 100 Гц. Широкополосные помехи импульсного характера, например от гро- зовых разрядов, устраняются при окончательной обработке полученных записей. Сохраненные на жестком диске сигналы могут быть обработаны в программном корреляторе с целью получения корреляционных функций для любой пары прием- ных каналов. Сочетание секционной структуры антенны УТР-2 и многоканального приемника УРАН позволяет образовать несколько интерферо- метрических пар с длинами баз при приеме из зенитного направления от 225 до 675 м в направ- лении запад–восток и до 1575 м в направлении север–юг. Четыре части антенны З–В формаль- но образуют шесть интерферометрических пар, *Здание обсерватории УТР-2 расположено между четвер- той и пятой секциями антенны С–Ю, поэтому расстояние между ними на 52 м больше. 22 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 1, 2015 В. А. Шепелев однако эквидистантное расположение секций по- зволяет иметь только три базы разной длины. Антенна С–Ю в сочетании с четырехканальным приемником позволяет получить одновременно шесть баз разной длины из семи возможных для восьми разнесенных на одинаковое расстояние секций. Для формирования аппаратурного комплекса солнечного интерферометра были использованы два четырехканальных приемника УРАН, что дает возможность проводить наблюдения од- новременно на двух частотах декаметрового диапазона с помощью одной из решеток УТР-2 либо на одной частоте с помощью двух решеток. Для более удобного совместного использования двух приемников в них были объединены мест- ные гетеродины, системы синхронизации и уп- равления. Соответствующие изменения были сделаны и в программном обеспечении, осуще- ствляющем регистрацию сигналов и их последу- ющую обработку. Структурная схема такого вось- миканального комплекса аппаратуры и его под- ключение к секциям антенны С–Ю показаны на рис. 1 для двухчастотного режима наблюдений. При таком подключении каналов приемника к секциям УТР-2 формируются шесть баз раз- личной длины, кратной расстоянию между сек- циями, из семи возможных (исключая пятикрат- ное расстояние), хотя возможны и другие схемы, реализующие иной набор баз. При проведении наблюдений с помощью антенны З–В входы приемников подключаются ко всем секциям ан- тенны, при этом реализуются все возможные базы для этой решетки. Чтобы установить возможности таких интер- ферометров по определению размеров источни- ков солнечного радиоизлучения, построим зави- симости нормированной функции видности n от длины базы интерферометра, рассчитанные для источника с гауссовым распределением яр- кости в соответствии с известным выражением 2 exp , 2 ln 2 n L           (1) где L – проекция базы интерферометра на плос- кость источника,  – угловой диаметр источникаа по половинной яркости,  – длина волны. Видимое склонение Солнца изменяется по мере движения Земли по орбите, достигая максимума 23.5  в середине июня. В соответствии с этим меняется и проекция L, входящая в (1). Для ин- терферометров, расположенных вдоль параллели (антенна З–В), проекция базы при пересечении источником местного меридиана кратна геомет- рическому разносу секций 225 м и уменьшается не более чем на 15 % при смещении источника в пределах 2 часов от меридиана и до 0 по скло- нению. Для интерферометров, составленных из секций антенны С–Ю, проекция расстояния меж- ду соседними секциями на плоскость источника равна 200 м в июне и уменьшается в другие ме- сяцы, однако возрастает при отклонении источ- ника от меридиана. Расчетные зависимости n на частоте 25 МГц от длины базы интерферо- метра и размера источника показаны на рис. 2. Значками на кривых отмечены длины баз ин- Рис. 1. Структурная схема солнечного интерферометра ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 1, 2015 23 Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах терферометров, составленных из секций антенн С–Ю и З–В, соответствующие моменту пере- сечения местного меридиана Солнцем при мак- симальном склонении. Наибольший размер ис- точника на рисунке приблизительно равен угло- вому диаметру спокойного Солнца на частоте 25 МГц, а наименьший выбран таким, чтобы функция видности на наибольшей базе антенны С–Ю была на 20 % меньше ее значения на самой короткой базе. Очевидно, что угловой размер как протяженного, порядка 1 , так и достаточно ком- пактного, 7 , источника может быть надежно из- мерен с помощью такого инструмента. Отметим, что при использовании метода ска- нирования источник с диаметром 7 вызовет увеличение ширины диаграммы направленности радиотелескопа УТР-2 менее чем на 4 %. Существенным является также тот факт, что секции решеток УТР-2 имеют достаточно широ- кую диаграмму направленности в направлении максимального размера антенны (более 4 по полю), которая мало искажает наблюдаемое рас- пределение яркости Солнца. Влияние такой диаг- раммы приведет лишь к небольшому уменьше- нию измеряемой плотности потока спокойного Солнца и, как будет показано ниже, не отразится на точности определения угловых характеристик источников. Однако для устранения эффекта спу- тывания, вызываемого влиянием близких мощ- ных радиоисточников, большая ширина диаграм- мы направленности должна учитываться при пла- нировании наблюдений. Таким образом, особенности конструкции ан- тенны радиотелескопа УТР-2 в сочетании с воз- можностями приемно-регистрирующего комп- лекса интерферометров УРАН позволяют исполь- зовать интерферометрический метод для изме- рения угловых размеров как спокойного Солнца, так и источников, связанных со всплесками его спорадической активности, с диаметрами вплоть до нескольких угловых минут. 3. Ìåòîäèêà îáðàáîòêè Угловую структуру можно исследовать, сравни- вая экспериментальную зависимость функции видности объекта от длины базы интерферомет- ра ( )L с модельным расчетом для источников с разным распределением яркости. Угловой раз- мер однокомпонентного источника с известным законом распределения яркости можно определить по значению нормированной функции видности на одной базе. При гауссовом распределении яр- кости справедливо выражение (1), из которого может быть найден диаметр источника по поло- винной яркости: 2 ln 2 ln .n L       Нормированная величина 0n    определя- ется как отношение функции видности интерфе- рометра на данной базе к функции видности, измеренной с помощью интерферометра с “нуле- вой” базой, на которой источник не разрешен. Заметим, что, измерив функцию видности на двух произвольных базах, можно определить угловой размер как 1 2 2 2 2 1 2 ln 2 ln( ) , ( )L L        (2) где 1L и 2L – длины баз интерферометров, 1 и 2 – измеренные на этих базах функции вид- ности. Очевидно, что использование интерферо- метра с “нулевой” базой является частным слу- чаем выражения (2). При этом как применение выражения (2), так и анализ зависимостей ( )L предполагают посто- янство параметров интерферометра при измене- нии длины базы. При использовании неподвижных интерферометров параметры их антенных систем Рис. 2. Зависимость нормированной функции видности от углового размера (указан у кривых) источника и длины базы интерферометра на частоте 25 МГц. Отмечены длины баз интерферометров, образованных секциями антенны З–В (квадраты) и С–Ю (треугольники) 24 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 1, 2015 В. А. Шепелев должны быть тщательно прокалиброваны. Проце- дура калибровки интерферометров в декаметро- вом диапазоне достаточно сложна и для сети УРАН, использующей антенны с разной конст- рукцией и эффективной площадью, описана в [8]. Однако, если антеннами интерферометра яв- ляются секции телескопа УТР-2, обладающие близкими характеристиками в пределах каждой из его решеток, методика наблюдений может быть существенно упрощена. Мощность сигнала на выходе каждого из кана- лов интерферометра (на входах коррелятора) оп- ределяется излучением исследуемого источника и галактическим фоном, а также собственными шумами приемного устройства. Считая, что пос- ледняя составляющая может быть измерена и вычтена из суммарного сигнала, можно записать  ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) d ,n s bP KA D B B              (3) где P – спектральная мощность сигнала,  – КПД системы фазирования антенны, K – коэффициент передачи приемника, A – максимальное значение эффективной площади антенны в заданном направ- лении, D – нормированная диаграмма направлен- ности по мощности, sB и bB – распределения яр- кости источника и галактического фона,  и  – зенитный угол и угол места, d – элемент теле- сного угла. Отметим, что КПД  разных секций УТР-2 несколько различаются и могут дискретно изменяться от скана к скану из-за изменения по- терь в системе взаимного фазирования секций, в которой используются кабели большой длины. Первое слагаемое в (3) при интегрировании по телесному углу источника, как известно, сводит- ся к произведению спектральной плотности пото- ка излучения объекта S на коэффициент передачи телескопа в данном направлении: ( , ) ( , ) ( , )d s s s s s s sP KA D B            ( , ) ( , ) ,s s s sKA D S      (4) где s и s определяют направление на источник. Во втором слагаемом интегрирование прово- дится по всей небесной сфере, 4 ( , ) ( , ) ( , )d ,b bP K A D B           и при неоднородном фоне мощность принятого сиг- нала зависит от коэффициента направленного дей- ствия антенны. Однако, поскольку решетки секций УТР-2 имеют одинаковые направленные свойства, интеграл 4 ( , ) ( , ) ( , )d ,bP A D B          равный мощности сигнала фона на выходе телескопа без учета КПД, одинаков для секций и .bP KP  (5) Мощность сигнала на выходе коррелятора ин- терферометра, ковариация его входных напряже- ний 1 2,cP U U определяется сигналом (4), при- нятым антеннами от дискретного источника. При одинаковых свойствах направленности секций, образующих интерферометр, 1 1 2 2( , ) ( , ) ,c n s s s sP SA D K K        (6) где нормированная функция видности n опреде- ляется коэффициентом корреляции входных на- пряжений, наведенных дискретным источником, а индексы 1 и 2 относятся к двум каналам интер- ферометра. Коэффициенты передачи используемых прием- ников достаточно стабильны и могут быть опре- делены в процессе стандартной калибровки. Однако КПД антенного тракта  определить сложнее, он различен для разных секций и зави- сит от точности компенсации потерь в длинных кабелях линий задержки взаимного фазирования секций, следовательно может изменяться при смене ориентации луча. Для упрощения калиб- ровки наблюдений можно определить коэффи- циент корреляции сигналов (3), принятых антен- нами интерферометра: 1 2 1 2 . ( ) ( ) c c s b s b P P R PP P P P P     Используя (4), (5) и (6), а также учитывая одинаковость свойств направленности секций, запишем это выражение, опуская для краткости зависимость от s и ,s    1 1 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 n ADS K K R K ADS K P K ADS K P          .n ADS ADS P    (7) ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 1, 2015 25 Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах Таким образом, коэффициент корреляции R пропорционален нормированной функции виднос- ти и не зависит не только от КПД антенн, но и от коэффициентов усиления приемников, поэтому может быть использован для построения экспе- риментальных зависимостей ( ) ~ ( ).nR L L Время прохождения источника через диаграм- му направленности секции составляет более 10 мин, следовательно для спорадических всплес- ков с длительностью несколько десятков секунд значение диаграммного множителя можно счи- тать постоянным. Однако при наблюдениях кон- тинуального излучения Солнца необходимо учи- тывать изменение R за время десятиминутного скана из-за влияния ( , ).D   В то же время отно- шение коэффициентов корреляции (7), полученных с помощью интерферометров с разными базами, составленными из секций УТР-2, не зависит от диаграммного множителя и равно отношению нормированных функций видности источника. Если зависимость ( )L близка к расчетной кри- вой для источника с гауссовым распределением яркости, то это отношение может быть использо- вано для определения углового размера по фор- муле (2). В этом случае при наблюдениях спокой- ного Солнца можно определять его текущий раз- мер, не производя корректировок на множитель диаграммы. 4. Ðåçóëüòàòû íàáëþäåíèé Для экспериментальной проверки возможностей такого инструмента в течение четырех дней мая 2014 г. были проведены наблюдения радиоизлу- чения Солнца с использованием секций антенны З–В, а в последующие три дня с помощью интер- ферометров, образованных из решетки С–Ю. Выходные сигналы приемников оцифровывались и после цифровой фильтрации, обеспечивающей устранение узкополосных помех и ограничение полосы до 250 кГц, сохранялись в виде отсчетов с тактом 2 мкс. Одновременно производились определение и регистрация средней мощности входных сигналов в интервале 16 мс. Перемно- жение записанных сигналов производилось в про- граммном корреляторе УРАН с накоплением вы- ходных данных в течение тех же 16 мс. Выход- ной сигнал коррелятора вместе со средними мощ- ностями сигналов использовался для определения комплексного коэффициента корреляции R в этих интервалах. С целью проверки принципов обработки сигна- лов и калибровки оборудования после каждых двух десятиминутных сканов Солнца регистри- ровался один скан радиоисточника 3С144 (Кра- бовидная туманность). Этот радиоисточник на декаметровых волнах имеет поток излучения около 3000 Ян и достаточно компактен, чтобы не разрешаться интерферометрами, составленными из секций УТР-2. В период проведения наблюде- ний видимое склонение Солнца практически со- впадало со склонением этого объекта, а разница координат по прямому восхождению составляла около одного часа. На рис. 3 представлены два соседних скана, записанных 28 мая 2014 г. с помощью интерферо- метра, составленного из двух соседних секций антенны З–В. Здесь показана нормированная на мощность принятых сигналов зависимость от времени амплитуды выходного сигнала корреля- тора интерферометра, т. е. временная зависимость коэффициента корреляции принятых антеннами сигналов ( ),R t задаваемого выражением (7). Первый скан соответствует записи спокойного Солнца с отдельными всплесками спорадическо- го излучения небольшого уровня, а второй полу- чен при ориентации луча на источник 3С144. Существенные флуктуации уровня сигналов пос- леднего вызваны мерцаниями сигнала на неодно- родностях электронной концентрации ионосферы. На скане, соответствующем приему радиоизлу- чения Солнца, такие мерцания подавлены ввиду большой протяженности источника. Отметим также изменение среднего уровня сигналов из-за влияния диаграммы направленности секции. Рис. 3. Временная зависимость модуля коэффициента корреляции сигналов, принятых от Солнца (а) и от радио- источника 3С144 (б) на частоте 25 МГц, с помощью интер- ферометра с базой около 225 м 26 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 1, 2015 В. А. Шепелев Как и следовало ожидать, наблюдения Крабо- видной туманности показали независимость коэффициента корреляции принимаемых интерфе- рометром сигналов от длины базы. Кроме про- верки функционирования инструмента такие на- блюдения были использованы для его амплитуд- ной калибровки, поскольку плотность потока из- лучения 3С144 на декаметровых волнах хорошо известна по результатам наблюдений на УТР-2 и УРАН. Так как Солнце и 3С144 наблюдались при одних и тех же положениях луча антенны и, следовательно, одинаковых значениях КПД сис- темы фазирования, потоки радиоизлучения от солнечных источников определялись сравнением с излучением этого калибровочного источника без дополнительных поправок. Период проведения наблюдений соответство- вал активной части солнечного цикла, тем не ме- нее на ряде сканов не наблюдалось всплесков спорадического излучения. Такие наблюдения мы условно относим к излучению спокойного Солнца. Этот термин применяют к тепловой компоненте излучения и определяют ее поток обычно в мини- муме солнечной активности, когда спорадическое нетепловое излучение практически отсутствует. В данных наблюдениях плотность потока излуче- ния в различные дни наблюдений, определенная посредством сравнения с излучением Крабовид- ной туманности, изменялась от 1600 до 2350 Ян, что в 1.8 2.5 раза превышает значения, соответ- ствующие минимуму солнечной активности [1]. В то же время средний угловой диаметр по поло- винной яркости солнечной короны на частоте 25 МГц, определенный по нескольким сканам ин- терферометров, составленных из секций антенны З–В, оказался приблизительно равен 50 (эквато- риальное сечение Солнца), а с помощью решетки С–Ю – 45 (полярное сечение), что хорошо согла- суется с данными [1], полученными в период ми- нимума солнечной активности. Для иллюстрации наблюдений радиоизлучения “спокойного Солнца” на рис. 4 (серия кривых 1) приведены модули ко- эффициента корреляции для трех баз интерферо- метров антенны З–В. Сплошная кривая соответ- ствует наименьшей базе, равной разносу соседних секций, штриховая получена при удвоенной базе, а пунктирная – утроенной. На рисунке показаны аналогичные зависимости, полученные при наблю- дении 3С144 (серия кривых 2). Уменьшение коэф- фициента корреляции с увеличением длины базы, очевидное для трех кривых 1, соответствует про- тяженному источнику – тепловой компоненте из- лучения Солнца, а для более компактной Крабо- видной туманности экспериментальные зависимо- сти, кривые 2, практически совпадают. Более на- глядно это показано в правой части рисунка, где построена зависимость среднего за скан коэффи- циента корреляции от длины базы после устране- ния влияния диаграммы направленности на уро- вень принимаемого сигнала. Экспериментальные точки 2, полученные при наблюдении 3С144, де- монстрируют отсутствие зависимости, а измере- ния, связанные с Солнцем, (точки 1) хорошо со- впадают с расчетной зависимостью для гауссова источника с угловым диаметром 48 , показанной на правой панели сплошной кривой. В описываемом эксперименте наблюдались также многочисленные случаи увеличения интен- сивности принимаемого излучения, вызванного как широкополосными помехами земного происхожде- ния, так и солнечными явлениями. Для того чтобы отличать всплески спорадического излучения Солнца от помех в данных наблюдениях, одновре- менно проводилась регистрация принимаемого из- лучения с помощью широкополосных цифровых приемников DSP-Z [9]. Анализ спектров сигналов, полученных с их помощью, позволял идентифици- ровать всплески и определять их тип. Одна такая характерная запись – часть деся- тиминутного скана, содержащая мощный всплеск III типа, – приведена на рис. 5. Здесь показаны корреляционные функции для всех шести баз интерферометров, сформированных из секций антенны С–Ю, полученные на частотах 25 МГц (рис. 5, а) и 20 МГц (рис. 5, б). Верхняя кривая на Рис. 4. Экспериментальные зависимости коэффициента кор- реляции от времени (слева) и длины базы (справа), получен- ные при наблюдении спокойного Солнца (1) и Крабовидной туманности (2) на интерферометрах антенны З–В ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 1, 2015 27 Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах обеих панелях соответствует самой короткой базе, а каждая последующая демонстрирует уменьше- ние коэффициента корреляции, т. е. частичное разрешение источника, связанного со всплеском, по мере роста длины базы. Анализ зависимости коэффициента корреляции от длины базы позволил определить угловой размер источника, который составил 23 и 28 на частотах 25 и 20 МГц соответственно. На рис. 5, в приведена спектро- грамма, полученная в диапазоне от 17 до 28.5 МГц с помощью цифрового приемника DSP-Z. Необходимо отметить, что высокая чувстви- тельность предлагаемого инструмента, которая определяется большой эффективной площадью секций УТР-2, используемых в качестве антенн интерферометров, и широкой полосой принимае- мых сигналов, позволяет исследовать всплески солнечной активности с плотностью потока, сравнимой с потоком излучения спокойного Сол- нца. При этом необходимо иметь в виду, что во время всплеска функции видности, измеряемые интерферометрами с недостаточно большими базами, будут определяться не только источни- ком, связанным со всплеском, но и неразрешен- ной протяженной тепловой составляющей солнеч- ного излучения, т. е. двумя источниками с раз- ными размерами и, в общем случае, с различ- ными координатами центров. При наблюдении мощных всплесков влиянием вклада спокойного Солнца можно пренебречь, а при определении параметров менее интенсивных всплесков не- обходимо использовать данные наиболее длин- ных баз антенны С–Ю, на которых, как показа- но на рис. 2, протяженный источник Солнца раз- решен и наблюдается только более компактный объект, связанный со всплеском. Комплексный выходной сигнал программного коррелятора позволяет определить не только амплитуду, но и фазу коррелированного излуче- ния, представляющую собой разность фаз сигна- лов, принятых от источника антеннами интерфе- рометра. Для определения положения наблюдае- мого объекта измеряемая фаза должна быть про- калибрована, т. е. привязана к опорному источни- ку, который наблюдается попеременно с иссле- дуемым. На декаметровых волнах влияние ионос- ферной рефракции и особенности применяемых антенн решеток, в которых фаза принятого сигна- ла меняется при смене ориентации луча, суще- ственно усложняют фазовую калибровку. К тому же в этом диапазоне фазовая информация суще- ственно искажается сильным влиянием ионосфер- ных неоднородностей, вводящих дополнительную задержку в сигналы, принятые антеннами интер- ферометра. Эти факторы приводят к тому, что в исследованиях структуры радиоисточников на интерферометрах УРАН информация о фазе фун- кции видности не используется. Однако в рамках описываемого эксперимента ситуация существен- но отличается. В случае одновременного наблю- дения протяженной тепловой компоненты и более компактного короткого всплеска, т. е. на тех ба- зах, где диск Солнца не разрешен, фазовую инфор- мацию можно использовать. Непрерывное излу- чение Солнца в этом случае служит калибровоч- ным источником – фазовым репером. При воз- никновении всплеска, положение источника кото- рого не совпадает с фазовым центром Солнца, фаза комплексного сигнала на выходе коррелято- ра определяется суммой векторов сигналов двух Рис. 5. Временные зависимости коэффициента корреляции при наблюдении всплеска III типа на интерферометрах С–Ю на частотах 25 МГц (а), 20 МГц (б) и динамический спектр всплеска (в). Стрелками отмечены кривые, соответствую- щие самой короткой базе 28 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 1, 2015 В. А. Шепелев источников, а после окончания всплеска фаза вновь определяется протяженным репером. Если амп- литуда всплеска существенно превышает излу- чение тепловой компоненты, положение его ис- точника относительно фазового центра Солнца может быть прямо определено по разности фаз. Важно также, что ионосферные искажения суще- ственно меньше проявляются на коротких базах УТР-2, а рефракция одинаково воздействует на излучение спокойного Солнца и всплеск на его фоне. На рис. 6, а показан модуль, а на рис. 6, б – фаза коэффициента корреляции, полученные интерфе- рометром с базой равной удвоенному разносу сек- ций антенны С–Ю (426 м в данном случае), для того же скана, что приведен на рис. 5 (показана полная десятиминутная запись). Компенсация вращения Земли (так назы- ваемых останов лепестков интерференционной картины) здесь для наглядности не сделана, и наклонная кривая на графике фазы определяет- ся перемещением Солнца относительно базы интерферометра. В момент появления всплеска, положение источника которого не совпадает с фа- зовым центром Солнца, фаза изменяется и те- перь соответствует его положению, поскольку интенсивность всплеска более чем на порядок превышает интенсивность излучения протяжен- ного компонента. Скачок фазы может быть пере- считан в угловое изменение координат в соответ- ствии с соотношением sin( ) , 2 L     где  – разность угловых координат центра Солн- ца и иcточника, связанного со всплеском;  – скачок фазы, рад. В данном случае эта разность координат оказалась равной 53 . При такомм уровне отношения сигнал/шум, как на рис. 6, впол- не надежно можно определить изменение фазы на порядок меньшее показанного на рисунке. Следо- вательно, точность определения координат таких источников относительно центра Солнца составляет около 5 . Информация об изменении фазы коэффи- циента корреляции может быть использована для корректного определения функции видности и уг- ловых размеров источников всплесков небольшой интенсивности на тех базах, где Солнце не разре- шено, и выходной сигнал коррелятора представ- ляет собой сумму двух векторов. 5. Âûâîäû 1. Разработан аппаратурно-программный комплекс для интерферометрического определения угловых параметров солнечного излучения. При разработ- ке были использованы особенности секционного построения решеток радиотелескопа УТР-2 и воз- можности приемной аппаратуры УРАН. 2. Проведены методические наблюдения ком- пактного для данных интерферометров радио- источника 3С144, подтвердившие работоспособ- ность комплекса. 3. Проведены пробные наблюдения источни- ков радиоизлучения Солнца на двух частотах декаметрового диапазона. Определены угловые размеры спокойного Солнца и источников, свя- занных со всплесками спорадической активнос- ти, согласующиеся с наблюдениями на радиоге- лиографе УТР-2. 4. Показана возможность определения относи- тельного положения источников всплесков. 5. В связи с удобством, точностью и информа- тивностью таких измерений можно рекомендо- вать развитие предложенной методики с исполь- зованием широкополосных цифровых приемников DSP-Z, применяемых на УТР-2. Это позволит определять корреляционные зависимости и угло- вые параметры солнечного излучения на любой частоте в диапазоне работы этих приемников с нужной шириной полосы. Для сокращения ап- паратурных расходов можно регистрировать вы- ходные сигналы только трех выбранных секций УТР-2 и использовать выражение (3) для опре- деления углового размера объекта. Рис. 6. Модуль (а) и фаза (б) коэффициента корреляции на частоте 25 МГц при наблюдении всплеска III типа ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 20, № 1, 2015 29 Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 01. Абранин Э. П., Базелян Л. Л. Декаметровое излучение спокойного Солнца: Препр. / Институт радиофизики и электроники АН УССР; № 304. – Харьков: 1986. – 32 c. 02. Браженко А. И., Коваль А. А., Коноваленко А. А., Ста- ниславский А. А., Абранин Э. П., Доровский В. В., Мель- ник В. Н., Ващишин Р. В., Французенко А. В., Боры- сюк О. В. Особенности континуального излучения верх- ней короны Солнца в декаметровом диапазоне радио- волн // Радиофизика и радиоастрономия. – 2012. – Т. 17, № 1. – C. 3–14. 03. Абранин Э. П., Базелян Л. Л., Гончаров Н. Ю., Зай- цев В. В., Зиничев В. А., Рапопорт В. О., Цыбко Я. Г. Об угловых размерах источников солнечных радио- всплесков в декаметровом диапазоне // Астрономичес- кий журнал. – 1975. – Т. 52. – С. 993–998. 04. Станиславский А. А., Абранин Э. П., Коноваленко А. А., Коваль А. А. Гелиограф радиотелескопа УТР-2. I. Общая схема // Радиофизика и радиоастрономия. – 2011. – Т. 16, № 1. – C. 5–14. 05. Chen H. S.-L. and Shawhan S. D. Structure and evolution of solar radio bursts at 26.4 MHz // Sol. Phys. – 1978. – Vol. 57, Is. 1. – P. 205–227. 06. Рашковский С. Л., Белов А. С., Иванов А. С., Лозинс- кий А. Б., Шепелев В. А. Новый аппаратурно-программный комплекс УРАН // Радиофизика и радиоастрономия. – 2012. – Т. 17, № 3. – С. 207–217. 07. Брауде С. Я., Мень А. В., Содин Л. Г. Радиотелескоп декаметрового диапазона волн УТР–2 // Антенны. – Москва: Связь. – 1978. – Вып. 26. – С. 3–14. 08. Рашковский С. Л., Шепелев В. А., Инютин Г. А., Ващи- шин Р. В. Измерение плотности потока излучения ра- диоисточников в интерферометрической сети УРАН // Радиофизика и радиоастрономия. – 2013. – Т. 18, № 4. – С. 291–300. 09. Ryabov V. B., Vavriv D. M., Zarka P., Ryabov B. P., Kozhin R., Vinogradov V. V., and Denis L. A low-noise, high-dynamic- range, digital receiver for radio astronomy applications: an efficient solution for observing radio-bursts from Jupiter, the Sun, pulsars, and other astrophysical plasmas below 30 MHz // Astron. Astrophys. – 2010. – Vol. 510. – id. A16. В. О. Шепелєв Радіоастрономічний інститут НАН України, вул. Червонопрапорна, 4, м. Харків, 61002, Україна ВИЗНАЧЕННЯ КУТОВИХ ПАРАМЕТРІВ ДЖЕРЕЛ РАДІОВИПРОМІНЮВАННЯ CОНЦЯ НА ДЕКАМЕТРОВИХ ХВИЛЯХ Запропоновано комплекс апаратури для визначення ку- тових характеристик джерел, пов’язаних із сонячним ра- діовипромінюванням на декаметрових хвилях. Метод вимі- рювань грунтується на інтерферометричному підході з ви- користанням секційної структури радіотелескопа УТР-2. Описано просту методику спостережень та обробки даних, що не вимагає калібрувань антени. Виконано спостереження спокійного Сонця і сплесків його спорадичної активності, що дозволили визначити як кутові розміри джерел, так і їх взаємне розташування. V. A. Shepelev Institute of Radio Astronomy, National Academy of Sciences of Ukraine, 4, Chervonopraporna St., Kharkiv, 61002, Ukraine DETERMINATION OF ANGULAR PARAMETERS OF THE SOURCES OF SOLAR RADIO EMISSION AT DECAMETER WAVELENGTHS Facilities for measurement of angular characteristics of the sources associated with solar radio emission at decameter wavelengths have been developed. The measurement method is based on the interferometer approach using the sectional structure of the UTR-2 radio telescope. A simple method of observation and data reduction is described which does not require antenna cali- bration. The observations of the quiet Sun and bursts of its sporadic activity have been made that enables to determine the angular size of sources and their relative position. Статья поступила в редакцию 22.01.2015

Определение угловых параметров источников радиоизлучения Cолнца на декаметровых волнах

Institution

Similar Items