Введение к работе
Актуальность. Исследования в области физики Солнца занимают особое положение в современной астрофизике и имеют огромное научное и прикладное значение. Это вызвано целым рядом причин. Во-первых, Солнце, являясь центральным светилом и основным первоисточником энергии нашей планетной системы, играет решающую роль в поддержании физических условий на Земле — среде обитания человечества. В то же время солнечная активность оказывает существенное влияние на ионосферу и магнитное поле Земли, что сказывается на метеоявлениях и процессах в биосфере. Во-вторых, это единственная типичная звезда нашей Галактики, которая благодаря небольшому удалению от Земли, доступна для детального изучения. В-третьих, Солнце - это уникальная естественная лаборатория для исследований по физике плазмы, в которой вещество, излучение и магнитное поле находятся в таком состоянии, которого невозможно достичь в земных лабораториях.
Значительную и часто уникальную долю информации о состоянии солнечной атмосферы дают радиоастрономические методы исследований. В частности, радиоастрономические наблюдения Солнца, проводимые на одном из крупнейших в мире радиотелескопе РАТАН-600, в диапазоне от 8 мм до 30 см в интенсивности и круговой поляризации с высоким пространственным разрешением позволяют детально исследовать строение верхней хромосферы и короны Солнца, т.е. тех областей, где развиваются такие мощные геоэффективные явления, как хромосферные вспышки и корональные дыры. Более того, только такие спектрально-поляризационные радионаблюдения могут дать информацию для детального исследования структуры магнитных полей в короне и переходной зоне над солнечными пятнами. Общепризнано, что именно магнитные поля играют решающую роль в развитии активных явлений на Солнце.
Между тем современная радиоастрономическая аппаратура, используемая для выполнения наблюдений Солнца на РАТАН-600, характеризуется большим числом частотных каналов, высоким временным разрешением, возможностью программного управления параметрами СВЧ-приемников и НЧ-усилителями во время процесса наблюдения с целью
повышения динамического диапазона, переложением части функций, прежде реализуемых аппаратно, на программное обеспечение, например, детектирования. Эти причины обуславливают большую значимость программной составляющей современных наблюдательных комплексов, занимающей в них весьма весомую долю, и, соответственно, актуальность программно-методических разработок, которым посвящена значительная часть настоящей работы.
Помимо программно-методических разработок для обеспечения наблюдений Солнца значительные усилия автора были направлены на решение проблем обработки, архивизации и представления данных радиоастрономических наблюдений, богатейший архив которых накоплен Пулковской группой радиоастрономов-солнечников. Этот архив включает практически непрерывный ряд наблюдений с 1966 года на Большом пулковском радиотелескопе (БПР), которые продолжаются в настоящее время и частично публикуются в бюллетене "Солнечные данные", и архив данных наблюдений на РАТАН-600, ведущихся с 1975 года. Для данных наблюдений на РАТАН-600 характерен постоянный рост объема получаемой информации, особенно ускорившийся в последнее время благодаря вступлению в строй современного программно-аппаратного комплекса — Панорамного анализатора спектра (ПАС).
Основными целями работы являются:
-
Разработка новой методики и программного обеспечения для архивизации, обработки и представления данных наблюдений Солнца на БПР, в частности, с целью подготовки к публикации в ежемесячном бюллетене "Солнечные данные";
-
Разработка концепций, методики и алгоритмов программного обеспечения системы сбора данных и управления процессом наблюдений на РАТАН-600 на новом наблюдательном комплексе — Панорамном анализаторе спектра;
-
Разработка концепций, методики и программного обеспечения для архивизации и обработки данных наблюдений Солнца на РАТАН-600 за всю историю наблюдений;
4. Исследование структуры магнитных полей над солнечными пятнами на основе материала, полученного с использованием программно-методических разработок автора.
Научная новизна работы. Новизна и уникальность аппаратуры определила новизну и уникальность соответствующей программно-методической разработки. Впервые была разработана и реализована методика для программного обеспечения системы сбора и управления наблюдением с использованием не имеющего аналогов в мире программно-аппаратного солнечного наблюдательного комплекса — Панорамного анализатора спектра для радиотелескопа РАТАН-600. Программно, и следовательно с существенно более гибкими возможностями, были реализованы функции, прежде реализуемые аппаратно: генерация меандра модуляции для СВЧ-приемников, детектирование фазово-модулирован-ного сигнала, реализация постоянной времени. Был разработан и реализован довольно сложный алгоритм анализа входного фазово-модули-рованного сигнала (независимо для отдельных частей периода модуляции) с целью управлением усилением по низкой частоте во время наблюдения в зависимости от принимаемого сигнала от Солнца. Также были разработаны и реализованы специальные алгоритмы для быстрой визуализации принимаемых сигналов по всем регистрируемым каналам непосредственно во время наблюдения и текущего состояния программно-управляемых параметров аппаратуры. Разработанная программная компонента нового наблюдательного комплекса позволила максимально эффективно использовать его аппаратные возможности.
Разработана новая методика и на ее основе программный комплекс для архивизации, обработки и представления данных наблюдений Солнца на БПР, что позволило заметно увеличить объем материала, публикуемого в ежемесячном бюллетене "Солнечные данные", в частности, впервые в мировой практике начать регулярную публикацию поляризационных сканов, при этом с существенным упрощением процедуры подготовки.
Систематизирована информация по многочисленным форматам, в которых хранится архив данных наблюдений Солнца на РАТАН-600, предложен вариант FITS-формата для хранения солнечных наблюде-
ний и разработано программное обеспечение для формирования единого архива.
На основе программно-методических разработок автора выполнен ряд оригинальных работ по исследованию структуры магнитных полей в атмосфере Солнца над пятнами по данным наблюдений на РАТАН-600 с привлечением данных в других диапазонах: оптическом и ультрафиолетовом. Проведено сопоставление результатов измерений напряженности магнитного поля в атмосфере Солнца над пятнами, выполненных на основе радиоастрономических наблюдений и данных, полученных в других диапазонах. Результаты сопоставления показывают сложную структуру магнитного поля активной области, которая может быть объяснена наличием локальных токов, огибающих магнитную силовую трубку пятна.
Научное и практическое значение. Данная работа по созданию программного обеспечения для ПАС была выполнена в рамках проекта по модернизации радиотелескопа РАТАН-600 для участия в программах 22 цикла солнечной активности [19,20].
Разработанное программное обеспечение системы сбора и управления наблюдениями с помощью ПАС использовалось с 1990 по 1994 год для наблюдений Солнца на РАТАН-600, а также для наблюдений солнечных затмений в экспедиционных условиях 22 июля 1990 года в Якутии и 11 июля 1991 года в Мексике. Внедрение разработанного программного обеспечения позволило получить большое количество ценного наблюдательного материала и провести ряд оригинальных исследований, в частности, исследования магнитосфер активных областей Солнца. В 1994 году были сделаны новая плата сбора и новая версия программного обеспечения на основе методической разработки автора и при его курировании, которые используются до сих пор.
Методика и программное обеспечение архивизации, обработки и представления данных наблюдений Солнца на БПР были внедрены в 1987 году и с тех пор использовались для подготовки данных к публикации в ежемесячном бюллетене "Солнечные данные".
Разработанное автором программное обеспечение архивизации и обработки данных радиоастрономических наблюдений Солнца использовалось для проведения исследований структуры магнитных полей над
солнечными пятнами, для первичной обработки данных, используемых для построения двумерных карт Солнца по наблюдениям на РАТАН-600 в нескольких азимутах и может быть использовано при работе с данными многолетнего архива, хранящимися в различных форматах.
Автор выносит на защиту:
-
Метод, алгоритмы и программную реализацию адаптивной регистрации фазово-кодированного сигнала Панорамного анализатора спектра радиотелескопа РАТАН-600;
-
Внедрение программного обеспечения системы сбора и управления наблюдениями Солнца с помощью Панорамного анализатора спектра РАТАН-600, позволившее расширить возможности диагностики солнечной плазмы и получить новые астрофизические результаты;
-
Методику и программное обеспечение, предназначенные для подготовки данных наблюдений Солнца на БПР к публикации в ежемесячном бюллетене "Солнечные данные", позволившие впервые в мировой практике начать регулярную публикацию поляризационных сканов;
-
Результаты исследования магнитного поля в атмосфере Солнца над пятнами по радиоастрономическим наблюдениям с привлечением данных, полученным в оптическом и далеком ультрафиолетовом диапазонах.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XVI Всесоюзной конференции по радиоастрономическим исследованиям солнечной системы (Звенигород, октябрь 1984 г.), Solar Maximum Analysis Workshop (Irkutsk, 17-24 June 1985), Республиканской конференции "Радиоастрономические исследования солнечной системы" (Одесса, 15-17 октября 1985 г.), XX Всесоюзной конференции по радиофизическим исследованиям солнечной системы (пос. Научный, КрАО, 2-6 октября 1988 г.), 5-ом симпозиуме КАПГ "Солнечно-земная физика" (Самарканд, 2-6 октября 1989 года), Межрегиональной конференции по радиоастрономическим исследованиям солнечной
системы (Нижний Новгород, 14-18 сентября 1992г.), IAU Colloquium No. 141, "The Magnetic and Velocity fields of Solar Active Regions" (September 6-12, 1992, Beijing, China), XXIV General Assembly of the URSI (Kyoto, Japan, August 25 - September 2, 1993.), XXV Радиоастрономической конференции (Пущино, 20-24 сентября 1993г.), IAU Colloquium No 144, Solar Coronal Structures (Tatranska Lomnica, Slovak Republic, September 20-24, 1993), XXVI радиоастрономической конференции ( Санкт-Петербург, 18-22 сентября 1995 года.), Colloquium in the framework of IAU Commission N5 "International Cooperation in Dissemination of the Astronomical Data." (2-9 July 1996, Pulkovo observatory, St .-Petersburg), а также на научных семинарах в ГАО и САО.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и 4 приложений и содержит 149 страниц, включая 46 рисунков и 15 таблиц, библиография включает 108 наименований.