世界各國日像儀主要性能比較

姬國樞，王 威，何俊波

(中國科學院國家天文臺，北京 100012)

1 射電望遠鏡全稱、簡寫和中文譯名對照

NoRH:Nobeyama Radioheliograph(野邊山日像儀)

NRH:Nancay Radioheliograph(南茜日像儀)

SSRT:Siberian Solar Radio Telescope(西伯利亞太陽射電望遠鏡)

FASR:Frequency Agile Solar Telescope(頻率靈活太陽望遠鏡)

CSRH:Chinese Spectral Radioheliograph(中國射電頻譜日像儀)

VLA:Very Large Array(甚大陣)

EVLA:Expanded Very Large Array(甚大陣擴展)

GMRT:Giant Meterwave Radio Telescope(巨型米波射電望遠鏡)

BDA:Brazilian Decemetric Array(巴西分米波陣)

WSRT:Westerbork Synthesis Radio Telescope(Westerbork綜合射電望遠鏡)

ATA:Allen Telescope Array(艾倫望遠鏡陣)

表1 世界各國日像儀的科學目標表

續表

建成時間科學目標CSRH[6-7]在建瞬變高能現象、日冕磁場和太陽大氣結構，確定耀斑與日冕物質拋射的源區特性VLA[8]1973-1980天文學、空間天氣、衛星跟蹤及其它科學、太陽物理GMRT[9]1988-1998年建成星系形成、脈沖星中子星、銀河系與河外星系射電源、太陽物理BDA[10]2003年5面天線原型實驗，在建太陽物理WSRT[11]1970ATA[12]在建探索地外文明

表2 日像儀的系統參數表

表3 綜合陣的系統參數

續表

天線陣VLAGMRTBDAWSRTATA空間分辨率506″2″(14GHz)20″(150MHz)15arc/min37″(5GHz)/28km時間分辨率100ms圖像動態范圍>20dB觀測時間±4h靈敏度10-4Jy35Jy/beam(1分鐘積分)3mJy/beam極化方式雙線，雙圓L波段 雙線極化；其他波段 雙圓極化雙線極化4個stokes參量4個stokes參量

表4 日像儀的天線陣參數

表5 綜合孔徑的天線陣參數

FASR和CSRH相對現存各國單頻(或幾個點頻)日像儀，他們是寬頻帶的新一代日像儀。CSRH具有高時間、高空間、高頻率分辨率能實時獲取多通道太陽射電圖像。建成后將填補在太陽爆發能量初始釋放區高分辨射電成像觀測的國際空白，對太陽劇烈活動的起源和發生規律研究有望取得原創性成果。CSRH在世界上首次嘗試螺旋陣列分布，技術上采用了低剖面寬帶雙極化饋源，寬帶模擬光傳輸、高速數據采集等多項當前先進技術。

2 典型的接收系統結構

天線和機房間的數據傳輸，早期使用電纜[2,13]，矩型波導[3]、橢圓波導等[8]，這種傳輸線帶寬窄或色散大，限制了日像儀的接收帶寬，90年代后光傳輸技術逐步成熟[1]，取代了電纜，波導。光傳輸具有損耗小，頻帶寬，無色散等優點。

由于電纜高頻損耗大，因此接收到的電信號，先在天線前端變頻成中頻再經過電纜傳至機房后端處理，以減少傳輸損耗，這種方式是傳統方式。

圖1 日像儀方案Ⅰ前端變頻,中頻電纜(光纜)傳輸Fig.1 Scheme Ⅰ for a radioheliograph,where the mixer is at the front end，and the IF signal transmissions is through a cable(or analog optical fiber)

天線機房間的信號傳輸的第2種方式是寬帶模擬光傳輸方式,天線LNA接收到的寬帶射電信號，經寬帶無色散的光纖傳輸至機房，再變頻，數字化處理。典型系統信號流圖如FASR[4-5]，ATA[12]，CSRH-I[4]采用這種方式。

天線機房間信號的第3種傳輸方式是數字光傳輸方式[14]，寬帶射電信號在前端射電頻率上數字化，再經數字光纖傳至機房進行相關處理。典型信號流圖如EVLA的L波段電路結構。

圖2 日像儀方案Ⅰ—射頻模擬光傳輸Fig.2 Scheme Ⅱ for a radioheliograph,where the analog RF transmission is through optical fibers

圖3 日像儀方案Ⅲ—前端RF采樣,數字光傳輸Fig.3 Scheme Ⅲ for a radioheliograph,where the RF sampling is at the front end and the digital optical fiber transmission is used

3 典型天線陣排列

圖4.1 NoRH天線陣(T形)Fig.4.1 Antenna array of NoRH in Japan(T configuration)

圖4.3 美國 VLA 天線陣(Y字形)Fig.4.3 Antenna array of VLA in U.S.A.(Y configuration)

圖5 NRH天線排列Fig.5 Antenna array of NRH

4 典型的接收系統

圖6 NoRH接收系統框圖[1]Fig.6 System blocks of the receiver of NoRH

圖7 NRH接收系統框圖[15]Fig.7 System blocks of the receiver of NRH

5 結束語

隨著技術進步，原有系統不斷進行改造，光纜替代電纜、波導,寬帶取代點頻,新建系統的性能朝寬頻帶、高靈敏度、大動態范圍方向發展，技術朝光傳輸、前端數字化、高采樣率方向發展。

本文資料來自于文獻、會議資料、internet、國內外互訪交流等。本文目的是為了日像儀系統設計，設備研制者提供尋找資料的捷徑。限于篇幅未列出射電史上一些知名天線陣[16-18]，也不能刊出各國日像儀詳細介紹,有需求者可通過電子郵件免費索取電子版。

附錄

1 天線陣列的靈敏度

天線陣列的信噪比R為：

(1)

靈敏度定義為最小可測流量密度Smin，當最小可用信噪比為Rmin時，

(2)

式中，S是射電源流量密度;Ae是天線接收面積，k是玻爾茲曼常數，T為天線分支接收系統噪聲溫度，τ為積分時間，△f為積分帶寬，n為天線個數，N為相關對數，N=n(n-1)/2。

這就是一些經典著作及參考資料給出的等天線口徑陣列的信噪比公式[8，19]。推廣到不同口徑天線陣列，陣列信噪比(觀測普通射電源)：

(3)

式中，A1,A2……An為第1、第2……第n個天線有效口徑。

當觀測對象為強源時，例如太陽。以天線陣列中有兩種口徑尺寸為例，小口徑天線個數為n1，口徑為A1，相關對數為N1。大口徑天線個數為n2，口徑為A2，相關對數為N2。大小口徑天線相關對數為N3=N-N1-N2，n=n1+n2，N=n(n-1)/2。

小口徑天線支路噪聲溫度為T1,大口徑天線支路噪聲溫度為T2,設T2/T1=p，則：

(4)

2 天線陣列動態范圍

圖像動態范圍D指圖像的保真度(圖像峰值/圖像殘差的均方根值)。圖像動態范圍是[20-21]：

(5)

式中N是天線陣列相干對數；δ是幅度、相位誤差。幅度誤差百分比與相位誤差弧度等同。

如果天線口徑不一，設僅兩種口徑，小口徑天線個數為n1，相關對數為N1；大口徑天線個數為n2，相關對數為N2。

(6)

式中m是大口徑與小口徑天線有效面積之比。

3 其 他

表格中未列出天線陣列其他指標，其計算公式及要求如下。

由動態范圍指標，按(5)式，可計算出幅、相誤差要求。在兩次幅、相校準周期之間。幅、相不穩定度要小于幅、相誤差要求。

[1] Hiroshi Nakajima,et al.The Nobeyama Rodioheliograph[J].Proc IEEE,1994,82:705.

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