Содержание к диссертации
Введение
1. Радиоастрономическая юстировка антенн переменного профиля: Большого Пулковского Радиотелескопа (БПР) и Радиотелескопа Академии Наук (РАТАН - 600)
1.1 Методика и анализ результатов радиоастрономической юстировки по Солнцу Большого Пулковского Радиотелескопа (БПР) 31
1.1.1 Принцип метода радиоастрономической юстировки 31
1.1.2 Методика расчета установки отражагощих элементов главного зеркала БПР для проведення радиоастрономической юстировки 34
1.1.3 Юстировка отражающих элементов по азимуту и исследование точности азимутальных шкал 36
1.1.4 Юстировка по углу места 39
1.1.5 Юстировка радиальных шкал БПР 40
1.1.6 Практическое использование результатов радиоастрономической юстировки БПР 50
1.2 Исследование систематических ошибок радиоастрономической юстировки с помощью математического моделирования 53
1.2.1 Влияние смещения эффективного центра радиоизлучения Солнца на результаты радиоастрономической юстирки 53
1.2.2 О накоплении случайных ошибок при радиоастрономической юстировке радиальных шкал отражающих элементов АЛЛ 61
1.3 Радиоастрономическая юстировка РАТАН-600 67
1.3.1 Порядок и интервалы времени проведения юстировки РАТАН-600 68
1.3.2 Юстировка отражающих элементов по угловым координатам 68
1.3.3 Юстировка радиальных шкал отражающих элементов РАТАН-600 71
1.3.4 Оценка качества отражающей поверхности Северного сектора РАТАН-600 с использованием результатов радиоастрономической юстировки 74
1.3.5 О необходимости и возможности радиоастрономических юстировок РАТАН-600 по Луне и источникам космического радиоизлучения 77
1.4 Заключение 84
1.5 Выводы 85
2. Метод "эстафеты" 88
2.1 Методика расчёта установки главного зеркала PAT АН - 600 для наблюдений в режиме "эстафеты" 89
2.2 Диаграмма направленности РАТАН-600 в режиме "эстафеты" 97
2.2.1 Горизонтальная диаграмма направленности антенны в режиме "эстафеты".. 98
2.2.2 Вертикальная диаграмма направленности антенны в режиме "эстафеты" 104
2.3 Метод "экспресс - контроля" наведения диаграммы направленности антенны по углу места... 106
2.4 Результаты наблюдений на РАТАН-600 методом "эстафеты" солнечного затмения 31,07.81 г. и развития всплесков , , 111
2.4.1 Наблюдение солнечного затмения 31 июля 1981 г. наРАТАН-600 на волнах 2.3 см и 4,5 см методом "эстафеты" 112
2.4.2 Наблюдение всплеска радиоизлучения Солнца 12 июля 1982 г. на западном секторе РАТАН - 600 на волнах 2.3 см и 4.5 см методом "эстафты"..., „ 117
2.4.3 Наблюдение всплеска радиоизлучения Солнца4 августа 1983 г. на западном секторе РАТАН - 600 на волнах 2.3 см и 4.5 см методом "эстафеты" 127
2.5 Выводы 131
3. Метод "эстафеты с зонированием" и возможности его использования для наблюдений на РАТАН -600 136
3.1. Принцип метода наблюдений "эстафета с зонированием" на РАТАН-600 136
3.1.1 О возможности наблюдений в режиме "эстафеты с зонированием" при неподвижном вторичном отражателе, расположенном в центре поворотного круга, и с использованием вращения поворотного круга в соответствии с суточным изменением азимута наблюдаемого источника 138
3.1.2 О возможности наблюдений методом "эстафеты с зонированием" при вторичном отражателе, смещённом относительно центра поворотного круга 142
3.1.3 Оценка допустимой полосы пропускания частот радиометра и изменение величины сигнала источника при наблюдении на РАТАН - 600 методом "эстафеты с зонированием" 144
3.1 Экспериментальные наблюдения на радиотелескопе РАТАН - 600 в режиме "эстафеты с зонированием" 148
3.2.1 Результаты наблюдений радиоизлучения W 49 методом "эстафеты с зонированием" 149
3.2.2 Экспериментальные наблюдения источника Лебедь А в режиме "эстафеты с зонированием" 153
3.2.3 Экспериментальные наблюдения радиоизлучения Солнца на РАТАН - 600 в режиме "эстафеты с зонированием" 154
3 Наблюдение радиоизлучения Солнца в режиме "эстафеты с зонированием" с использованием вторичного отражателя с конической поверхностью 156
3.3.1 Методика наблюдений наРАТАН-600 в режиме "эстафеты с зонированием" с использованием вторичного отражателя с конической поверхностью 157
3.3.2 Особенности методики обработки наблюдений Солнца, полученных в режиме "эстафеты с зонированием" с использованием вторичного отражателя с конической поверхностью ..160
3.3.3 Построение двумерного изображения Солнца по данным наблюдений, полученных на РАТАН-600 в режиме "эстафеты с зонированием" с применением вторичного отражателя с конической поверхностью ., 165
4 Выводы 171
Исследование синхронных уярченнн источников солнечного радиоизлу чения в сантиметровом диапазоне длин волн на РАТАН-600 173
1 Краткий исторический обзор исследований (1936 - 2004 гг.), посвященных проблеме симпатических вспышек и всплесков в оптическом, радио - и рентгеновском диапазонах , 173
4.1.1 Наблюдения симпатических вспышек в На линии 174
4.1.2 Радиоастрономические наблюдения симпатических всплесков 175
4.1.3 Взаимодействие активных областей по данным наблюдений в рентгеновском излучении... .176
4.1.4. Триггерные механизмы симпатических вспышек и всплесков 177
2 Исследование синхронных повышений относительных потоков источников солнечного радиоизлучения по данным наблюдений на PAT АН - 600 в режиме "эстафеты" 179
4.2.1 Особенности метода наблюдений синхронных уярчений наРАТАН-600 180
4.2.2 Общая характеристика синхронных уярчений поданным наблюдений на РАТАН-600 181
4.2.3 Наблюдения синхронных уярчений источников солнечного радиоизлучения 17 июля 1981 года на РАТАН-600 184
4.2.4 Наблюдения синхронных уярчений источников солнечного радиоизлучения 9, 10 феврала 1980 г 188
4.2.5 Исследование синхронных уярчений источников солнечного радиоизлучения по данным наблюдений 24 и 29 июля 1981 г. на PAT АН-600 191
4.2.6 Крупномасштабная временная компонента динамики изменения потоков радиоизлучения источников на Солнце по данным наблюдений наРАТАН-600 в режиме "эстафеты" 197
4.3 Исследование синхронных повышений относительных потоков источников солнечного радиоизлучения по данным наблюдений на южном секторе РАТАН-600 с перископом в режиме многоазимутальных наблюдений 207
4.3.1 Методика обработки наблюдений 208
4.3.2 Исследование синхронных уярчений активных областей радиоизлучения Солнца на волнах 2.24 см и 1.92 см 211
4.3.3 Синхронные уярчения источников радиоизлучения Солнца на волнах 3.21 см и 2.74 см 217
4.3.4 Особенности динамики изменения относительного потока радиоизлучения гало AR9608 на волнах 1.92 см, 2.24 см, 2.74 см, 3.21 см 221
4.3.5 Крупномасштабная временная компонента динамики изменения относи -тельных потоков радиоизлучения источников на Солнце 223
4.3.6 Обсуждение результатов наблюдений 226
4.4 Выводы 229
Заключение 230
Литература 239
- Юстировка отражающих элементов по азимуту и исследование точности азимутальных шкал
- Метод "экспресс - контроля" наведения диаграммы направленности антенны по углу места...
- Оценка допустимой полосы пропускания частот радиометра и изменение величины сигнала источника при наблюдении на РАТАН - 600 методом "эстафеты с зонированием"
- Особенности методики обработки наблюдений Солнца, полученных в режиме "эстафеты с зонированием" с использованием вторичного отражателя с конической поверхностью
Введение к работе
Радиоастрономия охватывает широкий круг разнообразных проблем астрофизики, радиофизики, радио и антенной техники. В настоящее время эффективность исследования большинства астрофизических проблем с привлечением радиоастрономических наблюдательных данных связана, прежде всего, с наличием радиотелескопов, отвечающих современным требованиям. Современные требования в экспериментальной радиоастрономии включают в себя высокое пространственно-временное разрешение радиотелескопа, высокую чувствительность по потоку системы радиотелескоп - радиометр, широкодиапазонность и возможность длительного слежения за наблюдаемым источником космического радиоизлучения. Обязательным является также оснащение радиотелескопа современной вычислительной техникой и автоматизированной системой управления и сбора данных. К сожалению, черезвычайно трудно удовлетворить всем перечисленным требованиям одновременно [1 - 4]. В настоящее время не существует радиотелескопа, который обладал бы всеми перечисленными свойствами, необходимыми для решения широкого круга проблем физики радиоизлучения Солнца. Так, например, Большой пулковский радиотелескоп (БПР) [6, 7] и Радиотелескоп Академии Наук (РА-ТАН-600) [8, 9] являются пассажными инструментами с ножевой диаграммой направленности, что существенно ограничивает возможности исследователя при решении многих задач, связанных с длительным сопровождением источника космического радиоизлучения, а также при построении двумерного изображения наблюдаемых радиоисточников.
Изучение развития солнечных всплесков и, в частности, таких явлений, как симпатические всплески, а также исследование источников космического радиоизлучения на волнах й 2 см на антеннах переменного профиля (АПП; БПР и РАТАН-600) требует от радиотелескопов наличия точной фокусирующей поверхности, высокого пространственного разрешения, высокой чувствительности по потоку и специальных методов наблюдений Солнца, обеспечивающих его сопровождение в течение нескольких часов.
Таким образом, чтобы выполнить перечисленные выше требования, предъявляемые к АПП, необходимо было решить ряд проблем в трёх направлениях области радиоастрономии:
разработка и реализация юстировок радиотелескопов;
разработка методов наблюдений на радиотелескопах; исследование сантиметрового радиоизлучения Солнца.
Применительно к АПП необходимо было разработать, внедрить или реализовать радиоастрономические методы юстировок АПП (БПР и РАТАН-600) по Солнцу и Луне; создать специальные методы наблюдений на РАТАН-600 - метод "эстафеты" и "эстафеты с зонированием"; исследовать синхронные уярчения источников сантиметрового солнечного радиоизлучения и разработать метод построения двумерного изображения радиоизлучения Солнца с использованием указанных режимов наблюдений.
Естественное стремление астрономов иметь радиотелескопы с высоким пространственным разрешением и высокой чувствительностью по потоку требует создания антенн, размеры которых в десятки тысяч раз больше длины волны наблюдения. При строительстве, вводе в эксплуатацию и при эксплуатации радиотелескопов используются различные виды юстировок; геодезические, механические, радиотехнические, радиоастрономические и голаграфические [Ь б, 10, П]. Иногда при сооружении и исследовании отражающей поверхности крупных параболоидов использовались фотограмметрические методы, которые дают топографию поверхности зеркала. Точность этого метода ограничена разрешающей способностью эмульсии [1].
В практике юстировок БПР и РАТАН-600 нашли применение механический, геодезический, радиотехнический (компараторный, автоколлимационный), радиоастрономический и голо графический методы юстировок [12-25].
Построение точной отражающей поверхности антенны типа АПП основана на точности изготовления отдельных отражающих элементов, формирующих поверхность главного зеркала антенны, и особенно на их взаимной геометрической привязке.
Большой пулковский радиотелескоп - это антенна переменного профиля, главное зеркало которой состоит из отдельных механически несвязанных между собой 90 отражающих элементов, которые имеют три степени перемещения: по радиусу, углу места и азимуту (рис. 9). Высота отражающего элемента равна 3.5 м, а ширина- 1.5 м [б].
Главное зеркало радиотелескопа РАТАН-600 состоит из 895 отражающих элементов. Ширина каждого такого элемента равна 2 м, а высота -7 м. Отражающие элементы расположены по окружности с диаметром 600 м. Каждый элемент имеет 3 степени свободы перемещения: в радиальном направлении (1 м), по азимуту (0 6) угл.град. и по углу места (0 -53) угл.град. [8, 9]. При юстировке БПР и РАТАН - 600 метод шаблонов использовался только при механической юстировке цилиндрической поверхности отдельных элементов, но он совершенно неприменим для поверхности в целом из-за больших размеров.
Взаимная привязка отражающих элементов в основном сводится к отысканию мест пулей трех шкал, определяющих положение отражающих элементов по трем степеням свободы перемещения - двум угловым и одной линейной. Это и составляет основную задачу юстировочных работ АПП, проводимых геодезическим, автоколлимационным и радиоастрономическим методами.
При сооружении и юстировках антенн переменного профиля (БПР и РАТАН - 600) геодезический метод юстировки нашёл широкое применение [12, 15, 16, 28]. В случае БПР и РАТАН - 600 точность геодезического метода близка к пределу, так как относительная точность отражающей поверхности элементов равна 10 6 . Однако высокая точность геодезического (и компараторного) методов относится лишь к привязке отдельных физически выделенных точек поверхности антенны. Радиоастрономический и автоколлимационный (а также метод по вынесенному источнику на вышке) позволяют привязывать эффективно отражающую поверхность в целом и за счёт этого повысить точность [18, 20-23, 26-29].
Радиотехнические методы нашли применение как при юстировке радиорефракторов, так и при юстировке рефлекторных антенн [1]. Авто коллимационный метод юстировки [18] черезвычайно эффективен при настройке больших систем типа АПП при вертикальном положении отражающих элементов. Более высокая относительная точность [(1 - 3) -10 ] и оперативность являются основными преимуществами автоколлимационного метода.
Голографический метод позволяет решить две задачи;
восстановить топографию поверхности радиотелескопа через преобразование Фурье измеренного рассеянного поля в дальней зоне;
по измерениям электромагнитного поля вблизи исследуемой поверхности антенны определить диаграмму направленности телескопа [11, 24,25].
Радиоастрономический метод юстировки используется с момента возникновения радиоастрономии для юстировки осей параболоидов н настройки антенных решёток [1, 10, 20-22], при этом основной задачей является определение истинного положения электрической оси антенны и привязка шкал поворотного устройства, а в случае юстировки интерферометров - фазирование антенны. В качестве генератора излучения используется радиоизлучение Солнца, Луны и наиболее мощных дискретных источников: Кассиопея -А, Лебедь - А, Телец - А и Дева - А. Однако на антеннах переменного профиля задача юстировки радиоастрономическим методом решается на принципиально новой основе. Это связано с тем, что из-за расчленённости фокусирующей поверхности АПП на отдельные малые по площади независимо управляемые элементы необходимо использовать источники космического радиоизлучения не только для юстировки отдельных элементов (притом не по двум, как обычно, а по трём координатам), но и для построения и коїпроля всей поверхности АПП в целом с весьма большими размерами (D / X) (10 -МО ). В силу конструктивных особенностей АПП, радиоастрономический метод юстировки позволил решить новую для него задачу: сформировать единую фокусирующую отражающую поверхность,
Общим и весьма важным для авто коллимационного и радиоастрономического методов является то, что в процессе юстировки осуществляется привязка шкал к поверхности отражающего элемента, а не к отдельным представительным её точкам, как это имеет место при геодезической юстировке. Радиоастрономическая юстировка выполняется в положении близком к тому, при котором проводятся наблюдения, что делает возможным атоматически учитывать как погрешности конструкции, возникающие при наклоне щита, так и систематические погрешности, вносимые неточностью поверхности вторичного отражателя. Последние могут быть скомпенсированы смещениями, вносимыми в положение отражающих элементов главного зеркала. Радиоастрономический метод юстировки, таким образом, позволяет автоматически исключать ошибки, связанные с неточностями взаимного расположения осей вращения отражающих элементов, расстояния отражающей поверхности до оси и других кинематических ошибок отражающих элементов. Если юстировка проводится при положении облучателя, соответствующем его установке для наблюдений на высоте космического источника, то использование радиоастрономических мест нулей позволяет скомпенсировать крупномасштабные ошибки вторичного зеркала (облучателя) [20].
Выбор контрольного метода юстировки определяется кругом задач, которые должны быть решены непосредственно при юстировке. Использование совокупности методов позволяет выделить ошибки и определить природу этих ошибок [16].
Требуемая точность определения мест нулей угловых шкап составляет десятые доли отношения длины волны радиометра к ширине отражающего элемента (при юстировке по азимуту) и к высоте отражающего элемента (при юстировке по углу места) и составляет около 0.5 угл. мин. для наблюдений в сантиметровом диапазоне волн. Небольшие неточности механизмов и взаимных расположений поворотных осей приводят к тому, что изменение наклона отражающего элемента при наблюдениях источников вносит погрешности в места нулей установочных шкал, что особенно критично при наблюдении в миллиметровом диапазоне волн.
Из теории АПП и практического исследования БПР и РАТАН-600 известно, что наибольшее значение имеет точное знание мест нулей радиальных шкал отражающих элементов [34-36]. Так, для наблюдений на БПР (R = 100 м) и РАТАН- 600 (R = 300 м) необходимая относительная точность установки отражающих элементов по радиусу ДІ / R 10" .
Радиоастрономическая юстировка остаётся пока единственным методом, позволяющим юстировать отражающие элементы АПП непосредственно по космическим источникам радиоизлучения в условиях максимально близких к реальным наблюдениям. Таким образом, разработка и реализация радиоастрономического метода юстировки БПР и РАТАН - 600 являются весьма актуальными задачами.
Для реализации радиоастрономического метода юстировки АПП необходимо было преодолеть ряд трудностей, обусловленных следующими причинами: отсутствием системы слежения как у всей системы в целом, так и у отдельных отражающих элементов; малым уровенем сигнала, отражённого от отдельных юстируемых элементов, вследствие малой площади отдельного отражающего элемента и значительным его переоблучением; необходимостью юстировки большого числа отражающих элементов (90 - для БПР и 225 - для сектора РАТАН-600) в достаточно короткий срок; высокими требованиями к точности юстировки (относительная точность юстировки равна 10 "6, то есть десятые доли мм при радиусе в сотни метров).
В силу перечисленных трудностей использовать обычно применявшиеся способы радиоастрономической юстировки было практически невозможно, в связи с чем, возникла необходимость разработать новые приёмы, обеспечивающие достаточно быструю и точную юстировку по слабому сигналу большого числа элементов антенны, не имеющих сопровождения. Методика разрабатывалась применительно к БПР и РАТАН-600.
Радиоастрономическая юстировка отражающих элементов выполняется при их наклонном положении, соответствующем высоте наблюдения Солнца (или Луны) в период проведения юстировки. Каждый юстируемый элемент по угловым координатам или подвижный элемент юстируемой пары при юстировке по радиальному перемещению последовательно устанавливается в три упреждённые точки (в случае юстировки БПР) или в две (а случае юстировки РАТАН-600). Одна упреждённая точка соответствует положению расчетного максимума диаграммы направленности отражающего элемента или пары отражающих элементов, а две другие принадлежат равносигнальным зонам диаграммы направленности, а именно: склонам диаграммы направленности, соответствующим смещению по юстируемой координате относительно максимума на X / 4 [20, 21].
Отъюстированные таким образом все отражающие элементы антенны создают единую фокусирующую отражающую поверхность главного зеркала АПП. Формирование отражающей поверхности главного зеркала АПП осуществляется последовательной взаимной привязкой отражающих элементов от опорного элемента к краю главного зеркала антенны. Точность юстировки радиоастрономическим методом оказывается достаточно высокой: по азимуту сгр = 0.5 угл.мин., по углу места аа =(0.3 - 0.5) угл.мин., по радиусу о R f= 0.1 мм (взаимная привязка соседних элементов) для БПР и соответственно а р = (30 - 40) угл.сек., аа = 37.5 угл. сек., о к = 0.16 мм для РАТАН-600. Результаты многоразовых юстировок БПР позволили определить качество отражающих элементов, а сравнение результатов геодезической, автоколлимационной и радиоастрономической юстировок - установить причину расхождения результатов этих юстировок и дать рекомендации для более эффективного использования результатов всех видов юстировок [26].
В данной работе рассмотрены методические особенности, присущие методу радиоастрономической юстировки. Они обусловлены влиянием смещения эффективного центра радиоизлучения Солнца (ЭЦРС) [31] и влиянием накопления случайных ошибок при взаимной привязке отражающих элементов на результаты радиоастрономических юстировок [32, 33].
Расчеты, выполненные методом математического моделирования, показали, что, несмотря на влияние смещения ЭЦРС, можно формировать отражающую поверхность АПП с точностью превышающей величину смещения ЭЦРС.
Величина случайной ошибки по поверхности главного зеркала PAT АН - 600, обусловленная накоплением случайных ошибок от центра к краю антенны при взаимной привязке элементов, равна о » 0.5 мм [33], что совпадает с результатами реальных радиоастрономических юстировок.
Сопоставляя различные методы юстировки [30], отметим одну принципиальную, особенность АПП - результаты юстировки зависят от угла наблюдения и поэтому её необходимо проводить во всем диапазоне углов места. Это возможно лишь с использованием перемещающихся по углу места источников излучения, то есть с использованием радиоастрономического метода. Наибольший эффект радиоастрономический метод юстировки дает при наблюдениях космических источников, высоты которых близки к высоте Солнца или Луны, по которым проводится юстировка. Серия экспериментальных котировок радиальных шкал отражающих элементов по Луне, высота которой за две недели меняется от 28° до 64°, позволила выявить кинематические ошибки отдельных отражающих элементов Северного сектора РАТАН-600 [38].
Радиоасторономический метод позволяет определить закон облучения антенны вдоль её апертуры и оценить качество работы каждого отражающего элемента [39,21, 22].
Начиная с 1969 г., радиоастрономическая юстировка по Солнцу регулярно использовалась в многолетней практике БПР как основной метод юстировки, что позволило на БПР проводить ежедневные наблюдения Солнца с высоким качеством записей вплоть до волны 2 см и эпизодические наблюдения Солнца на X 0.85 см. На БПР был выполнен цикл наблюдений более слабых источников радиоизлучения; Омега, Орион, Дева, Лебедь-А, Крабовидная туманность - с использованием результатов радиоастрономических юстировок [40, 41],
Практически важным достоинством метода оказалось то, что он не требует никаких дополнительных приспособлений, кроме штатных высокочувствительных радиометров.
Радиоастрономические юстировки РАТАН-600 способствовали изучению параметров радиотелескопа РАТАН-600 и развитию альтернативных методов юстировок. Метод радиоастрономической юстировки явился базой для создания специальных режимов наблюдений на PAT АН - 600: "эстафеты" и "эстафеты с зонированием".
Как было отмечено выше, РАТАН-600 является пассажным инструментом с ножевой диаграммой направленности, что создаёт трудности, в частности, для исследования эволюционных и всплесковых процессов на Солнце, а также для построения двумерного изображения наблюдаемых радиоисточников. В связи с этим, создание специальных режимов наблюдений, которые позволяют сопровождать источник космического радиоизлучения в течение длительного времени, является также актуальной задачей.
Формирование поверхности главного зеркала антенны с помощью механически несвязанных друг с другом отражающих элементов, имеющих три степени свободы перемещения, а также возможность перемещения вторичного отражателя по наблюдательной площадке позволяют использовать различные варианты установки главное зеркало - вторичный отражатель для тога, чтобы обеспечить возможность длительного сопровождения источника космического радиоизлучения по небесной сфере. Некоторые из таких вариантов были рассмотрены в работах [42, 43, 44]. Автоматизированная система управления отражающими элементами главного зеркала антенны расширила возможности РАТАН-600 [82]. Благодаря этому, на РАТАН-600 был предложен и реализован специальный режим наблюдений с уменьшенной апертурой - метод "эстафеты", который позволяет сопровождать наблюдаемый источник радиоизлучения от его восхода до захода, используя только перемещение элементов главного зеркала при практически неподвижном вторичном отражателе [46].
Основная идея метода "эстафеты" состоит в том, что вторичный отражатель устанавливается в центре или вблизи центра поворотного круга. Отражающие элементы главного зеркала антенны наводятся на наблюдаемый источник по трём координатам - азимутальной, угломестной, радиальной -так, чтобы радиоволны, идущие от наблюдаемого источника и падающие на поверхность элементов главного зеркала, отражались от них и синфазно сходились в фокусе вторичного зеркала антенны. Сопровождение источника радиоизлучения достигается путём частых перестановок отражающих элементов главного зеркала по трём координатам в соответствии с суточным изменением координат наблюдаемого источника. Протяжённость апертуры антенны в горизонтальном направлении составляет 70 - 100 м. Геометрическая площадь поверхности главного зеркала антенны примерно в 4 - 5 раз меньше площади при наблюдении в "штатном" режиме и составляет около 500 м 2. Пространственное разрешение телескопа на волне 2.3 см равно 1x15.4 угл. мин.
В режиме "эстафеты" главное и вторичное зеркало антенны представляют собой длиннофокусную систему [47], а конфигурация отражающей поверхности главного зеркала близка к прямоугольной. Распределение электромагнитного поля вдоль раскрыва антенны в этом случае равномерное [48], что подтвердили прямые измерения путем последовательного наведения каждого отражающего элемента по двум координатам на Солнце при положении вторичного отражателя в цетре круга [49].
Для "штатных" режимов наблюдений диаграммы направленности АПП (БПР и РАТАН-600) исследовались с помощью прямых методов измерений по источникам космического излучения малых угловых размеров [36, 50], с помощью излучения наземного генератора [8, 9, 16-18, 26-30], с использованием рассчётных методов [9, 34-36, 51] и методов оптического моделирования [52-54]. Для измерения горизонтальной диаграммы направленности антенны (д.н.а.) в режиме "эстафеты" использовался как расчетный метод, предложенный Гельфрейхом Г.Б. [51], так и метод прямых измерений д.н.а. в режиме "эстафеты" на волнах 1.38 см, 2.08 см, 3.9 см, 7,6 см, 8.2 см с помощью источников космического радиоизлучения малых угловых размеров; ЗС-273 (h 48°), ЗС-84 (Ь »87°) .
Прямые измерения подтвердили результаты расчётов д.н.а. Горизонтальные размеры главного лепестка д.н.а., найденные из наблюдений источников, близки к значениям рго.з =0.92- X/D , что соответствует ожидаемым результатам при равномерном законе распределения поля вдоль раскрыва антенны, полученном из экспериментов на РАТАН - 600.
Вертикальный размер д.н.а. для режима "эстафеты " определялся по наблюдениям Крабовидной туманности (1982 -1989 гг.) [47,48].
Для корректной обработки наблюдений, кроме д.н.а., необходимо знать точное положение центра д.н.а. по углу места. В "штатном" режиме наблюдений поиск фокуса антенны осуществляется по максимуму сигнала источника при разных положениях вторичного отражателя по радиусу относительно расчётного положения. Наименее трудоемкий и быстрый модифицированный метод Гартмана [56] требует, по крайней мере, проведения трёх последовательных наблюдений Солнца или другого источника. Запись наблюдения Солнца на РАТАН-600 методом "эстафеты" в азимуте отличном от нуля даёт возможность "экспресс-контроля" наведения центра диаграммы направленности РАТАН-600 по углу места на момент наблюдения независимо от давности наблюдения [57, 58]. Суть этого метода состоит в следующем: если угловой размер вертикальной д.н.а, меньше углового диаметра Солнца, то при смещении центра диаграммы направленности антенны относительно центра оптического диска Солнца, азимут которого на момент наблюдения не равен нулю, наблюдается асимметрия формы записи Солнца. Степень асимметрии с учётом взаимной ориентации оптического диска Солнца и д.н.а. позволяет определить поправку Ah к расчётному положению центра д.н.а. по углу места. Метод "экспресс-контроля" может быть также использован для уточнения радиорефракции на низких углах наблюдений на РАТАН-600.
Метод "экспресс-контроля" был применён при обработке наблюдений Солнца, полученных на РАТАН-600 методом "эстафеты" [57, 59]. Величины смещений центра д.н.а., согласно анализу наблюдений Солнца на волне 2.3 см в 1980-1984 гг., оказались равными (0+4.5) угл, мин. Сравнение этих результатов с результатами, полученными из многократных наблюдений Крабовидной туманности на волне 2.08 см при определении возможных смещений "штатным" методом, показало, что средняя ошибка определения поправки установки антенны по углу места методом "экспресс-контроля" составляет 1 угл.мин., что является вполне удовлетворительным для наблюдений Солнца в режиме "эстафеты" [58]. При обработке наблюдений затмения Солнца (31.07.81 г.) "экспресс-контроль" был также использован для определения поправки к величине радиорефракции, введённой при расчёте уставок антенны (Др = -7 угл. мин., для he = 2°38 33", р =17.9 угл. мин.) [59].
В качестве иллюстрации возможностей метода "эстафеты" приводятся некоторые результаты наблюдений солнечного затмения (31.07.81 г.) и развития всплесков [59-66] в режиме "эстафеты".
Момент восхода Солнца почти совпал с моментом максимальной фазы солнечного затмения 31.07.81 г. (02:19 ЦТ). В силу конструктивных особенностей РАТАН - 600, наблюдение максимальной фазы солнечного затмения в азимуте А а 246°36 в "штатном" режиме было невозможным. С использованием метода "эстафеты" эта трудность была преодолена. При обработке наблюдений применение метода "экспресс-контроля" позволило определить действительное положение центра диаграммы направленности с точностью 1 угл. мин. Благодаря удачному взаимному расположению д.н.а., солнечного и лунного дисков, а также тому, что наблюдения проводились на фоне узкого серпа, составляющего 0.02 площади диска Солнца, удалось отждествить и определить параметры излучения слабых по потоку (вплоть до 0.3 с.е.п) источников на Солнце, что оказалось невозможным при наблюдениях с малыми зеркалами [59, 69 - 78]. Источники солнечного радиоизлучения были разрешены и отождествлены в оптическом диапазоне с группами пятен (№№ 323, 325, 327), а также с семью протуберанцами, наблюдавшимися на западном и восточном лимбе Солнца. На XX 2.3 см, 4.5 см определены яркостные температуры, угловые размеры, потоки, координаты и степени поляризации источников солнечного радиоизлучения [59].
Наблюдения развития всплесков на радиотелескопах с высоким пространственным разрешением необходимы для изучения процессов, происходящих в корональной плазме и генерирующих всплески и вспышки на Солнце. Такие наблюдения должны способствовать созданию методов прогноза вспышек и всплесков.
Примером исследования развития микроволнового всплеска и вспышек в На, является событие, наблюдавшееся 12.07.82 г. в активной области сложной конфигурации № 228+229 [67]. Наблюдения на РАТАН-600 выполнены методом "эстафеты" на XX 2.3 см, 4.5 см в поляризованном и неполяр изован ном излучении и на ССРТ - на X — 5.2 см в канале интенсивности. Активность волокон и магнитных узелков гр. пятен Кг 228+229 исследована по данным наблюдений КРАО в линии Ни. Динамика развития всплеска показала, что резкий рост степени поляризации радиоизлучения гр. № 228+229 на 20 -30 мин. опережает рост интенсивности, что согласуется с выводами, приведенными Кунду [68]. Резкий рост степени поляризации излучения даёт основание предвидеть явление всплеска [61 -65].
Другим примером является анализ результатов наблюдений всплеска, развитие которого наблюдали 4.09.83 г. на РАТАН-600 методом "эстафеты" в течение 4.5 часов (02:20 UT+06:40 UT). Пространственное разрешение антенны на ХЛ 2.3 см, 4.5 см по уровню 0.5 мощности составляло 1.17 х15.4 угл. мин. и 2 х 28 угл. мин. соответственно. Станциями службы Солнца в это время зарегистрирован широкополосный радиовсплеск, который, вероятно, был обусловлен изменением структуры магнитного поля, наблюдавшимся в этой активной области [66]. При сопоставлении результатов наблюдений на РАТАН - 600 и оптических наблюдений в Нц ЛИНИИ было установлено, что координаты всплеска, зарегистрированного на РАТАН-600, совпадают с координатами выброса плазмы во время хромосферний Ни вспышки.
Таким образом, приведенные результаты спектральных наблюдений солнечного затмения и динамики развития микроволновых всплесков солнечного радиоизлучения подтверили высокую координатную точность и высокую чувствительность по потоку при наблюдении на РАТАН - 600 методом "эстафеты". Приведенные примеры также показали целесообразность использования этого метода наблюдения для изучения физических условий в активных областях с целью прогнозирования всплесков и вспышек на Солнце,
Ограничение перемещений отражающих элементов главного зеркала антенны в радиальном направлении (1 метр) и способ расчета радиальных координат отражающих элементов для наблюдений в режиме "эстафеты" прежде всего сказываются на возможности установки отражающих элементов в расчетное положение по радиусу, в то время как возможности их перемещений по угловым координатам гораздо шире. В результате этого, радиальные координаты отражающих элементов выходят за пределы допустимых радиальных перемещений и не могут быть использованы в данной установке антенны. Вследствие этого, уменьшается площадь поверхности главного зеркала антенны и падает пространственное разрешение в режиме "эстафеты" по сравнению со "штатным" режимом. С целью преодоления таких ограничений в методе "эстафеты" был разработан метод "эстафеты с зонированием" [79, 58, 81]. Суть метода состоит в том, что при дополнительном смещении отражающих элементов в радиальном направлении, т.е при зонировании, которое изменяет длину оптического пути сигнала на величину, пропорциональную целому числу длины волны наблюдения, радиальная координата оказывается в пределах допустимых радиальных перемещений. Вследствие этого, существенно увеличивается апертура рабочей части антенны, возрастает угловое разрешение антенны в горизонтальном направлении (например, на волне 4 см оно может достигать и 14 угл.сек.) и повышается чувствительность системы радиотелескоп-радиометр. При уменьшении допустимых пределов радиальных перемещений отражающих элементов возрастает временное разрешение антенны (до 4 мин. между последовательными сканами Солнца).
Итак, метод "эстафеты с зонированием" позволяет наблюдать радиоизлучение Солнца от его восхода до захода на длинах волн кратных расчётной длине волны наблюдения. Возможность длительного наблюдения Солнца при разных позиционных углах наблюдений даёт возможность синтезировать многочастотные двумерные изображения Солнца.
Программы установки РАТАН-600 для наблюдений методом "эстафеты" и "эстафеты с зонированием" позволяют рассчитывать установку антенны для различных вариантов взаимных расположений главное зеркало-вторичный отражатель;
при любом заданном положении вторичного отражателя по азимуту и фокусному расстоянию;
- при неподвижном отражателе, расположенном в центре поворотного круга;
при вторичном отражателе, расположенном в центре круга, с использованием вращения поворотного круга в соответствии с изменением азимута наблюдаемого источника;
- при наблюдении с зонированием и без зонирования главного зеркала антенны;
при наблюдении с использованием облучателя с конической поверхностью.
С развитием вычислительной техники и автоматической системы управления РАТАН-600 [82] менялись алгоритмы программного обеспечения и языки программирования. Фактически, эти программы претерпели долгий эволюционный путь, начиная с ЭВМ "Минск-22" до IBM, пройдя через программирование на ассемблере и языках: алгол, фортран, Си. Анализ результатов расчётов уставок отражающих элементов для всех перечисленных вариантой наблюдений показал, что максимальное угловое разрешение антенны реализуется для каждой высоты наблюдений при оптимальном положении вторичного отражателя относительно центра круга. Для высот наблюдений h = 3° - 83° оптимальное расстояние вторичного отражателя от центра круга равно F 100 м. При высоте Солнца над горизонтом ha = 69.5° и положении вторичного отражателя на расстоянии 100 м от центра поворотного круга 4/5 всех 900 отражающих элементов главного зеркала антенны могут одновременно участвовать в формировании поверхности антенны. В этом случае геометрическая поверхность антенны равна 104 м2, а пространственное разрешение антенны составляет примерно 16 х 20 угл, сек. [79, 81].
Уменьшение диапазона радиальных перемещений до 30 см с целью увеличения временного разрешения приводит к значительному зонированию поверхности антенны.
При зонировании главного зеркала антенны допустимая полоса пропускания частот радиометра, для которой сохраняется пространственно-временная когерентность сигналов, принимаемых от источника космического радиоизлучения, равна Af = f / 8-Kmax, где f - центральная частота наблюдения, Ктах - максимальное число зон при зонировании поверхности главного зеркала.
Для сохранения пространственно-временной когерентности сигнала, принимаемого от космического источника, необходимы более жёсткие требования к полосе пропускания частот радиометра (Af). Так для высот наблюдения h = 3°.5 ч- 35° полоса пропускания Af = 5 6 МГц, адлявысотп = 3°.5- 840 полоса пропускания должна быть равной Af= 1 МГц.
Экспериментальные наблюдения источников радиоизлучения W 49, Лебедя А были выполнены на западном секторе РАТАН-600 методом "эстафеты с зонированием" на X = 21 см одновременно в двух каналах радиометра с полосами пропускания Af« 10 МГц и Af = 30 кГц. Наблюдения радиоизлучения Солнца были выполнены на западном секторе РАТАН-600 методом "эстафеты с зонированием" на Я. = 18 см с полосой пропускания Af = 10 МГц [80]. Результаты наблюдений показали корректность расчёта установки поверхности главного зеркала антенны с зонированием, работоспособность метода и совпадение теоретически ожидаемых величин сигналов от наблюдаемых источников радиоизлучения с результатами, полученными из эксперимента,
В октябре 1999 года были проведены первые наблюдения солнечного радиоизлучения на волне 8.01 см в режиме "эстафеты с зонированием" на РАТАН-600 с использованием вторичного отражателя специальной конструкции VI типа ("зенитный"), состоящего из конического и параболического зеркал [83]. Наблюдения выполнены с использованием АСУ (автоматизированной системы управления) [82], узкополосного 32-канального радиометра (Af = 1 МГц) [84, 85]. Полученные качественные записи радиоиз-лучения Солнца подтвердили корректность расчета установки антенны и формирования диаграммы направленности антенны при наблюдениях методом "эстафеты с зонированием" с использованием вторичного отражателя VI типа. Использование вторичного отражателя с конической поверхностью позволяет наблюдать радиоизлучение Солнца от его восхода до захода (летом - до 15 часов) без каких-либо перемещений вторичного отражателя, что значительно упрощает процесс наблюдения и обработку данных наблюдений.
Как было показано в более ранних работах [1, 42, 86-88], одномерные сканы, которые могут быть получены при прохождении Солнца через ножевую диаграмму направленности АПП в различных азимутах, позволяют использовать последовательный азимутальный апертурный синтез для построения изображения радиоизлучения Солнца.
Проблема синтезирования изображения источника космического радиоизлучения является одной из важнейших в радиоастрономии [1-5, 86-88]. Она решается с помощью систем параллельного и последовательного синтеза. Уайлд и Райл [89] впервые предложили использовать вращение Земли для построения двумерного изображения с помощью азимутального синтеза. На двухэлементных интерферометрах, которые являются одномерными инструментами, для построения двумерного изображения используется вращение базы интерферометра по азимуту в соответствии с суточным вращением небесной сферы. Двухэлементные интерферометры являются системами последовательного апертурного синтеза. Идеи осуществления азимутального апертурного синтеза на АПП независимо разрабатывались Хайкиным С.Э. и Парийским Ю.Н. в Пулковской обсерватории [42, 86, 87]. Методы восстановления распределения радиояркости по источнику при ножевой диаграмме направленности антенны впервые были рассмотрены Брейсвеллом [90, 91]. На РАТАН-600 теоретические и экспериментальные разработки синтезирования изображения представлены в ряде работ [94-102]. Наиболее современные и действующие в настоящее время интерферометры сантиметрового диапазона длин волн: VLA (США), ССРТ (Россия), Нобеяма интерферометр (Япония) являются системами смешанного типа (параллельный и последовательный синтез), которые синтезируют изображение Солнца с пространственным разрешением вплоть до нескольких секунд дуги. К сожалению, радиоизображения Солнца, полученные с помощью этих радио интерферометров, не всегда отвечают разнообразным целям солнечных исследований. Например, интерферометры не дают возможности получить изображение Солнца в широком диапазоне длин волн. Нередко решение задач исследователя требует наличия изображения, полученного в какое - то определённое время суток. В связи с этим, на РАТАН-600 был разработан метод синтезирования изображения радиоизлучения Солнца с использованием режима наблюдений "эстафеты с зонированием" и вторичного отражателя с конической поверхностью.
Последовательный азимутальный апертурный синтез в чистом виде, фактически, используется только на АЛЛ (РАТАН-600) [94-102]. Пространственное разрешение синтезированного изображения в одном направлении определяется малым размером диаграммы направленности антенны, а в другом - максимальным позиционным углом наблюдения. Для восстановления истинного изображения был применён широко используемый метод "чистки" Хёгбома [103]. При расчёте д.н.а. главное зеркало PAT АН - 600 рассматривается как ммогоэлементный интерферометр [51].
Возможность сканирования Солнца ножевой диаграммой направленности антенны в секторе позиционных углов 135 угл.град. на UV - плоскости позволила использовать метод азимутального апертурного синтеза па РАТАН-600 для восстановления двумерного распределения радиояркости по диску Солнца на волне X - 8.01 см с пространственным разрешением 47 х 168 угл.сек. Сопоставление радиоизображений Солнца на волне 8.01 см (РАТАН-600) и на волне 1.8 см (Нобеяма интерферометр) подтвердили удовлетворительное качество радиоизображения Солнца, полученное по данным наблюдений на РАТАН-600 [101,102].
Неподвижное положение вторичного отражателя в течение нескольких часов наблюдений методом "эстафеты" и специально разработанная методика обработки наблюдений обеспечили высокую точность определения относительных потоков радиоизлучения исследуемых активных областей [46, 49]. Это позволило регистрировать изменения относительных потоков радиоизлучения активных областей с точностью до десятых долей процентов. Таким образом, появилась возможность исследования на Солнце таких явлений, как симпатические всплески.
Симпатическими вспышками (всплесками) принято называть парные вспышки (всплески), которые возникают почти одновременно на Солнце в местах, удаленных друг от друга на расстояния вплоть до L 10J км. Полагают, что симпатические вспышки являются результатом воздействия первичной вспышки на удаленную от нее активную область, т.е. симпатические вспышки (всплески) являются вторичными вспышками (всплесками) [145, 118],
Представленный исторический обзор работ (1936 - 2003 гг.), посвященных исследованию симпатических вспышек и всплесков на Солнце в оптическом и радиодиапазоне, а также взаимодействию активных областей на Солнце по данным наблюдений в рентгеновском диапазоне, даёт представление о многообразии наблюдений этого явления и развитии представлений о различных механизмах, инициирующих это явление [104].
Симпатические вспышки и всплески исследовалась на телескопах различных обсерваторий; в Маунт Вилсон обсерватории, в институте Фраунгофера; в Сакраменто Пик обсерватории, в Астрономическом институте в Ондржейове, в Локхедской Солнечной обсерватории, в Биг Бэа Солнечной обсерватории, в Крымской Астрофизической обсерватории и т.д. Для радионаблюдений использовались, как правило, крупные радиотелескопы: радиоинтерферометр в Кулгуре (Австралия), VLY (США), интерферометр в Нобеяма (Япония), пространственное разрешение которых составляет угловые секунды-минуты. Данные рентгеновских наблюдении получены со спутников 1SEE 3, Skylab, Пионер, 1МР-5, OGO-5, SMM, GOES, Yohkoh, CGRO [105-114, 116-119, 121-125, 128, 129, 131-136, 138-147, 151, 154, 156- 160, 163, 164].
Начиная с 1980 г., явления симпатических всплесков (синхронных уярчений источников солнечного радиоизлучения) исследуются по данным наблюдений в сантиметровом диапазоне длин волн на РАТАН-600 [166 - 178]. Временное разрешение РАТАН-600 в режиме "эстафеты" составляет несколько минут, поэтому вместо термина "симпатические всплески" мы используем термин "синхронные уярчения". Этот термин указывает на существование почти одновременных повышений потоков нескольких источников радиоизлучения Солнца на определенный момент наблюдения. Уярчения источников считаем синхронными, если они зарегистрированы на интервале времени 2-2,5мин, т.е. времени прохождения Солнца через диаграмму направленности антенны.
По данным наблюдений на РАТАН-600 9, 10.02.80 г., 17, 24, 29.07.81 г. методом "эстафеты" на волнах 4.5 см и 2.3 см обнаружено около 30 случаев синхронных повышений относительных потоков радиоизлучения локальных источников в течение пяти 2 - А часовых сеансов наблюдений как внутри одной группы на расстояниях 10 гелиогр. град., так и в источниках, отождествленных с разными группами пятен, удаленными друг от друга на расстояния вплоть до L 10 км. Источники см-радиоизлучения Солнца отождествлены с биполярными группами пятен на фотосфере Солнца. Синхронные уярчения активных областей регистрировались практически всегда, если наблюдения на РАТАН-600 по времени были близки к моментам микроволновых радиовсплесков различных типов: 3s, 5s, 8s, 28 PRF, 31 ABS, 45s, 20 GRF, 21 GRF, 30 PBI (данные служб Солнца на частотах: 17000, 15400, 11800, 9400, 9100, 8800, 4995, 1000 МГц). Вследствие этого, можно утверждать, что синхронные уярчения источников на Солнце - явления достаточно частые. Показано, что, как правило, синхронные уярчения источников наблюдаются во время повышения интегрального потока Солнца в мягком рентгене, согласно данным спутника Прогноз-8 [49,168].
Выявлены линейно коррелированные крупномасштабные временные компоненты изменения потоков радиоизлучения источников на Солнце на временных масштабах равных 4 часам. При этом пространственные масштабы между взаимодействующими источниками достигают значений 105 км. Выявленные линейно коррелированные крупномасштабные временные компоненты указывают на взаимосвязь активных областей не только в моменты вспышек и всплесков, но и в их отсутствии [179, 180].
Исследование синхронных уярчений радиоизлучения источников на Солнце было
продолжено по данным наблгодениий, полученным на РАТАН-600 в многоазимутальном
режиме наблюдений (южный сектор с перископом) [181]. При исследовании использовалась методика обработки наблюдений, разработанная ранее для режима "эстафеты". По данным наблюдений радиоизлучения Солнца 11.09.01 г. на четырёх волнах сантиметрового диапазона: 1.92 см, 2.24 см, 2.74 см и 3.21 см выявлены синхронные уярчения источников солнечного радиоизлучения, а также подтверждено существование линейно коррелированных крупномасштабных временных компонент изменения потоков радиоизлучения активных областей. Исследованные источники отождествлены на фотосфере Солнца с активными областями, удаленными друг от друга на расстояние вплоть до км. Результаты этих наблюдений на РАТАН-600 позволили оценить нижнюю границу скорости возмущающего агента (от V = 0.3 10 км/сек до V 104 км/сек) и выявить два механизма возникновения синхронных уярчений источников в узком спектральном диапазоне микроволнового излучения: действие высокоэнергичных электронов, вырвавшихся из места первичного всплеска и переместившихся в место вторичного уярчения по магнитным петлям, соединяющим эти активные области, и распространение волновых фронтов [184 - 186].
Синхронные увеличения относительных потоков источников солнечного радиоизлучения на коротких сантиметровых волнах зарегистрированы на РАТАН-600 даже во время слабых увеличений полного потока излучения Солнца в мягком рентгене ( 0.5 -4.0 А°, 1.0 + 8,0 А°; GOES 8, GOES 10) [186]. Это также свидетельствует о том, что синхронные уярчения источников на Солнце - явления не редкие. Достаточно частое проявление синхронных уярчении источников солнечного радиоизлучения, удалённых друг от друга на расстояния вплоть до значений L 10s км, а также существование линейно коррелированных крупномасштабных временных компонент изменения их потоков указывают на гораздо более сильные взаимодействия активных областей на Солнце, чем это принято считать.
Цель работы.
1. Разработать и реализовать радиоастрономические методы юстировки БПР и РАТАН-600 по Солнцу для быстрого построения отражающей поверхности высокой точности главного зеркала АПП.
2. Разработать и внедрить на РАТАН-600 специальные методы наблюдений: метод "эстафеты" и метод "эстафеты с зонированием" - для возможности выполнения многочастотного мониторинга радиоизлучения Солнца от его восхода до захода.
3. Разработать и реализовать способ построения двумерного изображения радиоизлучения Солнца при наблюдении на РАТАН-600 методом "эстафеты с зонированием" с использованием вторичного отражателя с конической поверхностью.
4. Выполнить исследование синхронных уярчении источников солнечного радиоиз -лучения, используя наблюдения, полученные на западном и северном секторах РАТАН-600 в режиме "эстафеты" и на южном секторе с перископом в "многоазимутальном режиме".
Научная новизна работы.
1. Разработан и реализован радиоастрономический способ юстировки антенн переменного профиля (БПР и РАТАН - 600) по Солнцу при положениях отражающих элементов главного зеркала антенны и вторичного отражателя близких к условиям реальных наблюдений. Радиоастрономические юстировки БПР и РАТАН - 600 на рабочих углах антенн позволили определять места нулей отражающих элементов по трем координатам, исследовать кинематические ошибки в местах нулей отражающих элементов, а также формировать единую отражающую поверхность радиотелескопа и контролировать всю его поверхность в целом.
2. Предложен и внедрён на РАТАН-600 метод "эстафеты" - метод наблюдений с уменьшенной апертурой, обеспечивающий возможность многочастотного мониторинга Солнца от его восхода до захода с целью исследования эволюции активных областей солнечного радиоизлучения, развития солнечных всплесков и построения двумерного изображения радиоизлучения Солнца в широком диапазоне длин волн.
3. Предложен и внедрён метод "экспресс-контроля", который позволяет по одному скану Солнца определять действительное положение центра диаграммы направленности РАТАН - 600 по углу места наблюдения.
4. Предложен и реализован режим наблюдений с зонированной поверхностью главного зеркала антенны РАТАН-600 - метод "эстафеты с зонированием", обеспечивающий возможность быстрых перестановок антенны и увеличение её апертуры. Метод "эстафеты с зонированием" позволяет наблюдать источники космического радиоизлучения от их восхода до захода и получать двумерные изображения этих источников.
5. Созданы пакеты программ для выполнения радиоастрономических юстировок БПР и РАТАН-600 и для установки главного зеркала РАТАН-600 при наблюдениях методами "эстафеты " и "эстафеты с зонированием".
6. Разработан и реализован способ построения двумерного изображения радиоизлучения Солнца по данным наблюдений на РАТАН-600 в режиме "эстафеты с зонированием" с использованием вторичного отражателя с конической поверхностью.
7. Разработана оригинальная методика обработки наблюдений для исследования синхронных уярчений активных областей солнечного радиоизлучения.
8. Впервые показано, что синхронные уярчения активных областей солнечного радиоизлучения (симпатические всплески) - явления, которые наблюдаются достаточно часто. Они проявляются при всех типах микроволновых всплесков, На - вспышках и повышении интегрального потока мягкого рентгеновского излучения Солнца.
9. Впервые на интервалах времени, равных четырём часам наблюдений, обнаружены линейно коррелированные крупномасштабные временные компоненты динамики изменения относительных потоков радиоизлучения источников на Солнце, указывающие на взаимное влияние активных областей не только во время вспышек и всплесков, но и в их отсутствии. 10. Впервые в узком спектральном диапазоне микроволнового излучения (1.92 см • • 3.21 см) отмечено проявление двух различных механизмов синхронных уярчений источников солнечного радиоизлучения: действие высокоэнергичных электронов и волновых фронтов.
Научная и практическая ценность работы.
1. Радиоастрономические юстировки БПР и РАТАН - 600 позволяют оперативно исклю чать влияние сезонных уходов фундаментов, влияние кинематических и других ошибок механизмов отражающих элементов, а также компенсировать влияние поверхности вторичного отражателя на места нулей шкал отражающих элементов. Практически важным достоинством метода оказалось то, что он не требует никаких дополнительных приспособлений, кроме штатных высокочувствительных радиометров.
Метод радиоастрономической юстировки по Солнцу регулярно использовался в многолетней практике Большого Пулковского Радиотелескопа как основной метод юстировки. Благодаря внедрению метода радиоастрономической юстировки, было существенно улучшено качество работы БПР вплоть до волны X = 2 см.
Метод радиоастрономической юстировки способствовал исследованию параметров радиотелескопа РАТАН - 600 и развитию альтернативных методов юстировок: автоколлимационного, радиоголографического и юстировки по геостационарным спутникам. Кроме того, он явился базой для создания специальных методов наблюдений на РАТАН -600; "эстафеты" и "эстафеты с зонированием".
2. Разработанные и реализованные методы "эстафеты" и "эстафеты с зонированием", а также созданные пакеты программ для наблюдений этими методами расширили наблюда тельные возможности радиотелескопа РАТАН - 600 для сопровождения исследуемого источника от его восхода до захода и для построения двумерных изображений источников радиоизлучения в широком диапазоне длин волн. Наблюдение солнечного затмения 31.07.81 г. было выполнено на РАТАН- 600, только благодаря использованию метода "эстафеты". С помощью наблюдений методом "эстафеты" исследованы синхронные уярчения источников солнечного радиоизлучения. Наблюдения на РАТАН-600 всплесков методом "эстафеты" подтвердили эффективность метода для исследования развития всплесков на Солнце и их прогнозирования.
Метод "эстафеты с зонированием" позволил увеличить апертуру антенны, обеспечил более быстрые перестановки антенны (до 8 мин. между последовательными сканами Солнца). Результаты наблюдений Солнца методом "эстафеты с зонированием" были использованы при построении двумерного радиоизображения Солнца на волне 8.01 см.
Специальные методы наблюдений имеют также практическую ценность прикладного характера. Они применялись при измерении распределения электромагнитного поля вдоль апертуры антенны. Полученные данные использовались при расчете и оптическом моделировании диаграммы направленности антенны РАТАН - 600.
3. Разработанный метод "экспресс-контроля" наведения центра диаграммы направленно -сти антенны по углу места активно применялся при обработке наблюдений Солнца, полученных методом "эстафеты" на РАТАН-600.
4. Разработанный и реализованный метод построения двумерного изображения радиоизлучения Солнца с использованием данных наблюдений, полученных на РАТАН-600 в режиме "эстафеты с зонированием", позволил синтезировать одномерные сканы Солнца с целью картографирования радиоизлучения Солнца. При этом на РАТАН - 600 реализован метод последовательного азимутального апертурного синтеза для восстановления двумерного распределения радиояркости по диску Солнца. Так, на волне А, = 8.01 см получено двумерное радиоизображение Солнца с пространственным разрешением 47 х 168 угл. сек.
5. Разработанная специальная методика обработки наблюдений может быть использована для исследования явлений, изучение которых требует высокой точности обработки наблюдений по потоку.
6. Результаты исследования синхронных уярчений источников солнечного излучения указывают на сильные взаимодействия активных областей на Солнце, удалённых друг от друга на расстояния вплоть до L 105. Полученные результаты могут быть использованы для понимания природы симпатических всплесков и вспышек, а также в теории всплесков и в теории солнечной атмосферы.
Структура и объём работы:
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.
Во введении кратко изложено содержание диссертации. Показана актуальность проблемы, цель, новизна работы, её научное и практическое значение.
Глава 1 посвящена разработке методик и анализу результатов радиоастрономических юстировок антенн переменного профиля: БПР и РАТАН-600 по Солнцу и Луне. Исследуются различного рода ошибки в местах нулей отражающих элементов главного зер 26
кала антенны. Рассмотрены некоторые методические вопросы, специфически присущие радиоастрономической юстировке: влияние на результаты радиоастрономических юсти-ровок смещения эффективного центра радиоизлучения Солнца и влияние накопления случайных ошибок, которое возникает при взаимной привязке элементов от центра к краю антенны.
Глава 2 посвящена разработке и реализации на РАТАН-600 специального метода наблюдений с уменьшенной апертурой - метода "эстафеты", который позволяет от восхода до захода Солнца проводить многочастотный мониторинг и синтезировать двумерное изображение Солнца в широком диапазоне длин волн. Обсуждаются характеристики диаграммы направленности антенны в режиме "эстафеты". Рассматривается метод "экспресс -контроля" наведения центра диаграммы направленности антенны по углу места. В качестве демонстрации некоторых возможностей метода "эстафеты" приводятся результаты наблюдений всплесков и солнечного затмения 31.07.81 г. на РАТАН - 600.
В Главе 3 рассматривается методика наблюдений на РАТАН-600 в режиме "эстафеты с зонированием". Дан анализ результатов расчёта различных вариантов установки главное зеркало - вторичный отражатель при наблюдении методом "эстафеты с зонированием". Обсуждаются результаты экспериментальных наблюдений источников космического радиоизлучения методом "эстафеты с зонированием". Обсуждается проблема синте-зированиия радиоизлучения Солнца на РАТАН-600 и приводится реализация двумерного синтеза сантиметрового радиоизлучения Солнца по данным наблюдений на РАТАН-600 в режиме "эстафеты с зонированием" с использованием вторичного отражателя с конической поверхностью.
Глава 4 посвящена проблеме симпатических всплесков на Солнце. Приводится обзор работ, посвященных исследованию симпатических вспышек и всплесков в оптическом, радио - и рентгеновском диапазонах в период с 1936 г. по 2003 г. Приводятся и обсуждаются результаты исследований синхронных уярчений источников солнечного радиоизлучения в сантиметровом диапазоне длин волн по данным наблюдений, полученным методом "эстафеты" на северном и западном секторах РАТАН - 600 и в "многоазимутальном" режиме на южном секторе с перископом.
В Заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.
Объём диссертационной работы составляет 253 страниц текста, 77 рисунков и 39 таблиц. Библиография содержит 193 наименования. Основные результаты, которые выносится на защиту:
1. Результаты разработки и практической реализации метода радиоастрономической юстировки поверхности АПП на радиотелескопах БПР и РАТАН-600.
2. Результаты разработки и реализации специального режима наблюдений на РАТАН -600 - метода "эстафеты", который обеспечивает возможность многочастотного мониторинга радиоизлучения Солнца от его восхода до захода и возможность картографирования радиоизлучения Солнца в широком сантиметровом диапазоне длин волн.
3. Результаты разработки и реализации специального режима наблюдений на РАТАН -600 - метода "эстафеты с зонированием , который обеспечивает быстрые перестановки антенны, увеличение апертуры рабочей части главного зеркала антенны, возможность длительного многочастотного наблюдения источника космического радиоизлучения и его картографирования.
4. Результаты разработки и использования метода "экспресс - контроля" наведения центра диаграммы направленности АПП по углу места.
5. Методику и результаты построения двумерного изображения радиоизлучения Солнца по данным наблюдений, полученным в режиме "эстафеты с зонированием" на РАТАН - 600 с использованием вторичного отражателя с конической поверхностью.
6. Результаты исследования синхронных уярчений источников солнечного радиоизлучения в сантиметровом диапазоне длин волн:
установлено что синхронные уярчения - достаточно частые явления на Солнце;
обнаружена линейно коррелированные крупномасштабные временные компоненты динамики изменения относительных потоков радиоизлучения активных областей на Солнце, что указывает на взаимосвязь активных областей не только во время вспышек и всплесков, но и в их отсутствии;
в диапазоне сантиметровых волн (1.92 см -s- 3.24 см) выявлены два различных механизма, которые вызывают синхронные уярчения источников солнечного радиоизлучения: действие высокоэнергичных электронов и волновых фронтов. Апробация работы.
Диссертация выполнена в Санкт-Петербургском филиале САО РАН. Содержание диссертации отражено в 50 статьях. Результаты работ докладывались и обсуждались на научных семинарах ГАО РАН, САО РАН и СПб фил. САО РАН; НИРФИ; Environmantal Reasearch Laboretories (UNATED STATES DEPARTMENT OF COMMERCE National Oceanic and Atmospheric Administration, Boulder, Colorado.USA); University of Utah, (Department of Physics, Utah, USA).
Материалы и результаты работ, представленных в диссертации, докладывались на совещаниях, конференциях и симпозиумах: Всесоюзной радиоастрономической конференции по аппаратуре, антеннам и методам (г. Ереван, 1978; г. Ереван, 1982), Всесоюзной конференции по радиоастрономии (г. Горький, 1972), Всесоюзной конференции по радиоастрономическим исследованиям Солнечной системы (Киев, 1981; Звенигород, 1984 г.; Нижний Новгород, 1992), XVII Всесоюзной конференции "Радиоастрономическая аппаратура",(г. Ереван, 1985), Годичном собрании группы "Активное Солнце" и научного семинара "Природа и эволюция активных явлений на Солнце" (г. Симферополь, КРАО, 1986), Всесоюзной конференции "Радиотелескопы и интерферометры" (г. Иркутск, 1986; г. Ереван, 1990), Всесоюзной конференции по радиофизическим исследованиям Солнечной системы (г. Симферополь, КРАО, 1988; г. Санкт-Петербург, Пулково, 1996), симпозиумах и консультативных совещаниях КАПГ (г. Одесса, 1988; Германия, Потсдам, 1989; г. Самарканд, 1989; Польша, Карпачи, 1991), конференции сообщества европейских солнечных радиоастрономов "CESRA" (Потсдам, 1994), Радиоастрономической конференции (г. Пущино, 1993; Санкт-Петербург, 1995), IV научном семинаре рабочей группы "Колебания и волны" (г. Тбилиси, 1988), Региональных консультациях по физике Солнца (Венгрия, Дебрецен, 1983; Чехословакия, Смоленице, 1985), Международном совещании "Solar Maximum Analysis" (Иркутск, 1985), Всесоюзной конференции по физике Солнца (Ашхабад, 1990), Международном симпозиуме "Новый взгляд на Солнце" (Япония, Кофу, 1993), II Генеральной ассамблеи астрономов международного европейского сообщества (Польша, Торунь, 1993), научной конференции, посвященной 225-летию Астрономической обсерватории Львовского университета (г. Львов, 1994), международном совещании "Солнечный радиотелескоп" (Калифорния, США, 1995), X Генеральной конференции Европейского Физического Общества (Испания, Севилья, 1996), научной конференции "Достижения и проблемы солнечной paдиoacтpoнoмии,l (г. Санкт-Петербург, 1998), Международной конференции "Солнце в максимуме активности и солнечно-звёздные аналогии" (г. Санкт-Петербург, 2000), Международных научных конгрессах "Фундаментальные проблемы естествознания" (г. Санкт-Петербург, 1998; 1999), V11I Российско-Финском симпозиуме по радиоастрономии (г. Санкт-Петербург, 1999), Объединённой Европейской и Национальной Астрономической конференции, (JENAM 2000, г. Москва, 2000), международной конференции " THEMIS и новые знания динамики солнечной атмосферы" {Италия, Рим, 2001), Региональном совещании по солнечной физике "Исследование Солнца в юго-восточных странах Европы: настоящее и перспективы" (Румыния, Бухарест, 2001), Всероссийской астрономической конференции (г. Санкт-Петербург, 2001), 11 SOHO симпозиуме "От солнечного минимума к максимуму" (Швейцария, Давос, 2002), конференции стран СНГ и Прибалтики (г. Санкт-Петербург, 2001; г. Нижний Новгород, 2003), 10-м Европейском совещании по физике (Чехия, Прага, 2002), Всероссийской астрономической конференции ВАК - 2004 "Горизонты Вселенной" (г. Москва, 2004), IAU Symposium 223 "Многоволновые исследования солнечной активности" (г. Санкт - Петербург, 2004).
Личный вклад автора.
Результаты диссертации опубликованы в 50 статьях и докладах на международных конференциях, а также в 52 тезисах докладов научных конференций. Без соавторов опубликовано 27 статей и препринтов.
Автор является и руководителем, и исполнителем в большинстве опубликованных работ. В работах, написанных в соавторстве: 20, 21,22 - автору принадлежит;
- создание программного обеспечения, написанного на языках ассемблер, алгол, фор -тран для расчёта и проведения радиоастрономических юстировок БПР и РАТАН - 600 по Солнцу, Луне и космическим источникам;
расчёт и проведение юстировок, получение экспериментального материала, анализ результатов юстировок, практическое внедрение радиоастрономического метода юстировок БПР и реализация его на РАТАН - 600;
в работах 26, 40, 41 - получение материала радиоастрономических юстировок и участие в анализе сравнения результатов различных методов юстировок БПР и РАТАН - 600, участие в проведении наблюдений дискретных источников на волне 2 см на БПР, установки которого выполнены с местами нулей, полученными автором из радиоастрономических юстировок;
в работах 46,48 - руководство, создание программного обеспечения на языке алгол и фортран, выполнение расчётов, необходимых для проведения наблюдений, организация и выполнение наблюдений, разработка методики обработки наблюдений и их обработка, анализ результатов наблюдений;
59, 60, 61, 63, 64, 66, 84, 85, 97,101,102 - постановка задач, руководство работой, организация и проведение наблюдений, участие в разработке методики обработки наблюдений, обработка наблюдений и интерпретация результатов нваблюдений, 184,185,186 - постановка задач, руководство работой, участие в разработке методики обработки наблюдательного материала, обработка наблюдений, анализ и интерпретация полученных результатов наблюдений.
Работы 32, 33, 38, 49, 57, 58, 62, 65, 79, 80, 81, 104, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174,175, 176,177,178,179, 180 выполнены без соавторства.
Юстировка отражающих элементов по азимуту и исследование точности азимутальных шкал
Другим примером является анализ результатов наблюдений всплеска, развитие которого наблюдали 4.09.83 г. на РАТАН-600 методом "эстафеты" в течение 4.5 часов (02:20 UT+06:40 UT). Пространственное разрешение антенны на ХЛ 2.3 см, 4.5 см по уровню 0.5 мощности составляло 1.17 х15.4 угл. мин. и 2 х 28 угл. мин. соответственно. Станциями службы Солнца в это время зарегистрирован широкополосный радиовсплеск, который, вероятно, был обусловлен изменением структуры магнитного поля, наблюдавшимся в этой активной области [66]. При сопоставлении результатов наблюдений на РАТАН - 600 и оптических наблюдений в Нц ЛИНИИ было установлено, что координаты всплеска, зарегистрированного на РАТАН-600, совпадают с координатами выброса плазмы во время хромосферний Ни вспышки.
Таким образом, приведенные результаты спектральных наблюдений солнечного затмения и динамики развития микроволновых всплесков солнечного радиоизлучения подтверили высокую координатную точность и высокую чувствительность по потоку при наблюдении на РАТАН - 600 методом "эстафеты". Приведенные примеры также показали целесообразность использования этого метода наблюдения для изучения физических условий в активных областях с целью прогнозирования всплесков и вспышек на Солнце,
Ограничение перемещений отражающих элементов главного зеркала антенны в радиальном направлении (1 метр) и способ расчета радиальных координат отражающих элементов для наблюдений в режиме "эстафеты" прежде всего сказываются на возможности установки отражающих элементов в расчетное положение по радиусу, в то время как возможности их перемещений по угловым координатам гораздо шире. В результате этого, радиальные координаты отражающих элементов выходят за пределы допустимых радиальных перемещений и не могут быть использованы в данной установке антенны. Вследствие этого, уменьшается площадь поверхности главного зеркала антенны и падает пространственное разрешение в режиме "эстафеты" по сравнению со "штатным" режимом. С целью преодоления таких ограничений в методе "эстафеты" был разработан метод "эстафеты с зонированием" [79, 58, 81]. Суть метода состоит в том, что при дополнительном смещении отражающих элементов в радиальном направлении, т.е при зонировании, которое изменяет длину оптического пути сигнала на величину, пропорциональную целому числу длины волны наблюдения, радиальная координата оказывается в пределах допустимых радиальных перемещений. Вследствие этого, существенно увеличивается апертура рабочей части антенны, возрастает угловое разрешение антенны в горизонтальном направлении (например, на волне 4 см оно может достигать и 14 угл.сек.) и повышается чувствительность системы радиотелескоп-радиометр. При уменьшении допустимых пределов радиальных перемещений отражающих элементов возрастает временное разрешение антенны (до 4 мин. между последовательными сканами Солнца).
Итак, метод "эстафеты с зонированием" позволяет наблюдать радиоизлучение Солнца от его восхода до захода на длинах волн кратных расчётной длине волны наблюдения. Возможность длительного наблюдения Солнца при разных позиционных углах наблюдений даёт возможность синтезировать многочастотные двумерные изображения Солнца. Программы установки РАТАН-600 для наблюдений методом "эстафеты" и "эстафеты с зонированием" позволяют рассчитывать установку антенны для различных вариантов взаимных расположений главное зеркало-вторичный отражатель; при любом заданном положении вторичного отражателя по азимуту и фокусному расстоянию; - при неподвижном отражателе, расположенном в центре поворотного круга; при вторичном отражателе, расположенном в центре круга, с использованием вращения поворотного круга в соответствии с изменением азимута наблюдаемого источника; - при наблюдении с зонированием и без зонирования главного зеркала антенны; при наблюдении с использованием облучателя с конической поверхностью. С развитием вычислительной техники и автоматической системы управления РАТАН-600 [82] менялись алгоритмы программного обеспечения и языки программирования. Фактически, эти программы претерпели долгий эволюционный путь, начиная с ЭВМ "Минск-22" до IBM, пройдя через программирование на ассемблере и языках: алгол, фортран, Си. Анализ результатов расчётов уставок отражающих элементов для всех перечисленных вариантой наблюдений показал, что максимальное угловое разрешение антенны реализуется для каждой высоты наблюдений при оптимальном положении вторичного отражателя относительно центра круга. Для высот наблюдений h = 3 - 83 оптимальное расстояние вторичного отражателя от центра круга равно F 100 м. При высоте Солнца над горизонтом ha = 69.5 и положении вторичного отражателя на расстоянии 100 м от центра поворотного круга 4/5 всех 900 отражающих элементов главного зеркала антенны могут одновременно участвовать в формировании поверхности антенны. В этом случае геометрическая поверхность антенны равна 104 м2, а пространственное разрешение антенны составляет примерно 16 х 20 угл, сек. [79, 81]. Уменьшение диапазона радиальных перемещений до 30 см с целью увеличения временного разрешения приводит к значительному зонированию поверхности антенны.
При зонировании главного зеркала антенны допустимая полоса пропускания частот радиометра, для которой сохраняется пространственно-временная когерентность сигналов, принимаемых от источника космического радиоизлучения, равна Af = f / 8-Kmax, где f - центральная частота наблюдения, Ктах - максимальное число зон при зонировании поверхности главного зеркала.
Для сохранения пространственно-временной когерентности сигнала, принимаемого от космического источника, необходимы более жёсткие требования к полосе пропускания частот радиометра (Af). Так для высот наблюдения h = 3.5 ч- 35 полоса пропускания Af = 5 6 МГц, адлявысотп = 3.5- 840 полоса пропускания должна быть равной Af= 1 МГц.
Экспериментальные наблюдения источников радиоизлучения W 49, Лебедя А были выполнены на западном секторе РАТАН-600 методом "эстафеты с зонированием" на X = 21 см одновременно в двух каналах радиометра с полосами пропускания Af« 10 МГц и Af = 30 кГц. Наблюдения радиоизлучения Солнца были выполнены на западном секторе РАТАН-600 методом "эстафеты с зонированием" на Я. = 18 см с полосой пропускания Af = 10 МГц [80]. Результаты наблюдений показали корректность расчёта установки поверхности главного зеркала антенны с зонированием, работоспособность метода и совпадение теоретически ожидаемых величин сигналов от наблюдаемых источников радиоизлучения с результатами, полученными из эксперимента,
Метод "экспресс - контроля" наведения диаграммы направленности антенны по углу места...
Радиоастрономические юстировки БПР и РАТАН - 600 позволяют оперативно исклю чать влияние сезонных уходов фундаментов, влияние кинематических и других ошибок механизмов отражающих элементов, а также компенсировать влияние поверхности вто ричного отражателя на места нулей шкал отражающих элементов. Практически важным достоинством метода оказалось то, что он не требует никаких дополнительных приспо соблений, кроме штатных высокочувствительных радиометров. Метод радиоастрономической юстировки по Солнцу регулярно использовался в многолетней практике Большого Пулковского Радиотелескопа как основной метод юстировки. Благодаря внедрению метода радиоастрономической юстировки, было существенно улучшено качество работы БПР вплоть до волны X = 2 см. Метод радиоастрономической юстировки способствовал исследованию параметров радиотелескопа РАТАН - 600 и развитию альтернативных методов юстировок: автоколлимационного, радиоголографического и юстировки по геостационарным спутникам. Кроме того, он явился базой для создания специальных методов наблюдений на РАТАН -600; "эстафеты" и "эстафеты с зонированием". 2. Разработанные и реализованные методы "эстафеты" и "эстафеты с зонированием", а также созданные пакеты программ для наблюдений этими методами расширили наблюда тельные возможности радиотелескопа РАТАН - 600 для сопровождения исследуемого источника от его восхода до захода и для построения двумерных изображений источников радиоизлучения в широком диапазоне длин волн. Наблюдение солнечного затмения 31.07.81 г. было выполнено на РАТАН- 600, только благодаря использованию метода "эс тафеты". С помощью наблюдений методом "эстафеты" исследованы синхронные уярчения источников солнечного радиоизлучения. Наблюдения на РАТАН-600 всплесков методом "эстафеты" подтвердили эффективность метода для исследования развития всплесков на Солнце и их прогнозирования. Метод "эстафеты с зонированием" позволил увеличить апертуру антенны, обеспечил более быстрые перестановки антенны (до 8 мин. между последовательными сканами Солнца). Результаты наблюдений Солнца методом "эстафеты с зонированием" были использованы при построении двумерного радиоизображения Солнца на волне 8.01 см. Специальные методы наблюдений имеют также практическую ценность прикладного характера. Они применялись при измерении распределения электромагнитного поля вдоль апертуры антенны. Полученные данные использовались при расчете и оптическом моделировании диаграммы направленности антенны РАТАН - 600. 3. Разработанный метод "экспресс-контроля" наведения центра диаграммы направленно -сти антенны по углу места активно применялся при обработке наблюдений Солнца, полученных методом "эстафеты" на РАТАН-600. 4. Разработанный и реализованный метод построения двумерного изображения радиоизлучения Солнца с использованием данных наблюдений, полученных на РАТАН-600 в режиме "эстафеты с зонированием", позволил синтезировать одномерные сканы Солнца с целью картографирования радиоизлучения Солнца. При этом на РАТАН - 600 реализован метод последовательного азимутального апертурного синтеза для восстановления двумерного распределения радиояркости по диску Солнца. Так, на волне А, = 8.01 см получено двумерное радиоизображение Солнца с пространственным разрешением 47 х 168 угл. сек. 5. Разработанная специальная методика обработки наблюдений может быть использована для исследования явлений, изучение которых требует высокой точности обработки наблюдений по потоку. 6. Результаты исследования синхронных уярчений источников солнечного излучения указывают на сильные взаимодействия активных областей на Солнце, удалённых друг от друга на расстояния вплоть до L 105. Полученные результаты могут быть использованы для понимания природы симпатических всплесков и вспышек, а также в теории всплесков и в теории солнечной атмосферы. Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Во введении кратко изложено содержание диссертации. Показана актуальность проблемы, цель, новизна работы, её научное и практическое значение. Глава 1 посвящена разработке методик и анализу результатов радиоастрономических юстировок антенн переменного профиля: БПР и РАТАН-600 по Солнцу и Луне. Исследуются различного рода ошибки в местах нулей отражающих элементов главного зеркала антенны. Рассмотрены некоторые методические вопросы, специфически присущие радиоастрономической юстировке: влияние на результаты радиоастрономических юсти-ровок смещения эффективного центра радиоизлучения Солнца и влияние накопления случайных ошибок, которое возникает при взаимной привязке элементов от центра к краю антенны. Глава 2 посвящена разработке и реализации на РАТАН-600 специального метода наблюдений с уменьшенной апертурой - метода "эстафеты", который позволяет от восхода до захода Солнца проводить многочастотный мониторинг и синтезировать двумерное изображение Солнца в широком диапазоне длин волн. Обсуждаются характеристики диаграммы направленности антенны в режиме "эстафеты". Рассматривается метод "экспресс -контроля" наведения центра диаграммы направленности антенны по углу места. В качестве демонстрации некоторых возможностей метода "эстафеты" приводятся результаты наблюдений всплесков и солнечного затмения 31.07.81 г. на РАТАН - 600. В Главе 3 рассматривается методика наблюдений на РАТАН-600 в режиме "эстафеты с зонированием". Дан анализ результатов расчёта различных вариантов установки главное зеркало - вторичный отражатель при наблюдении методом "эстафеты с зонированием". Обсуждаются результаты экспериментальных наблюдений источников космического радиоизлучения методом "эстафеты с зонированием". Обсуждается проблема синте-зированиия радиоизлучения Солнца на РАТАН-600 и приводится реализация двумерного синтеза сантиметрового радиоизлучения Солнца по данным наблюдений на РАТАН-600 в режиме "эстафеты с зонированием" с использованием вторичного отражателя с конической поверхностью. Глава 4 посвящена проблеме симпатических всплесков на Солнце. Приводится обзор работ, посвященных исследованию симпатических вспышек и всплесков в оптическом, радио - и рентгеновском диапазонах в период с 1936 г. по 2003 г. Приводятся и обсуждаются результаты исследований синхронных уярчений источников солнечного радиоизлучения в сантиметровом диапазоне длин волн по данным наблюдений, полученным методом "эстафеты" на северном и западном секторах РАТАН - 600 и в "многоазимутальном" режиме на южном секторе с перископом. В Заключении диссертации сформулированы основные результаты работы. Объём диссертационной работы составляет 253 страниц текста, 77 рисунков и 39 таблиц. Библиография содержит 193 наименования.
Оценка допустимой полосы пропускания частот радиометра и изменение величины сигнала источника при наблюдении на РАТАН - 600 методом "эстафеты с зонированием"
Принципиально, радиоастрономические юстировки по Солнцу позволяют определить величины ДНІ (h), однако изменение высоты Солнца от величины h = 7 до h = 64 происходит очень медленно в течение 5-6 месяцев. За столь длительный промежуток времени, как правило, происходят существенные подвижки фундаментов, которые могут приводить к появлению как непосредственно радиальной ошибки, так и к изменению ошибки нивелировки. Поэтому ЛНІ является четвёртой величиной, которая должна оперативно определяться в процессе юстировки. Таким оперативным способом определения ДНІ (h) является радиоастрономическая юстировка по Луне, высота которой меняется от h = 26 до h = 70 в течение двух недель. К сожалению, радиоастрономическая юстировка по Лупе на БПР не была осуществлена из-за недостаточной чувствительности имевшихся на нём радиометров.
При радиоастрономической юстировке по Солнцу это влияние оказывается автоматически учтённым в местах нулей радиальных шкал для источников, наблюдаемых на высотах, близких к высоте, которая была у Солнца в период проведения радиоастрономической юстировки. Ошибки люфтов механизмов крепления отражающих элементов и ошибки измерения сигналов вызывают случайное изменение мест нулей радиальных шкал (AR), что приводит к изменению длины луча на величину [15]: (A 1P)»2AR cos2(h/2J (13) Таким образом, на низких углах наблюдений к точности определения мест нулей радиальных шкал должны предъявляться более высокие требования. Оценим величину случайной ошибки определения мест нулей радиальных шкал, типичной для радиоастрономической юстировки, На точность измерения сигналов при радиоастрономической юстировке влияет ряд случайных факторов: шумовые флюктуации приёмника, флюктуации атмосферного поглощения, ошибки экстраполяции кривых, ошибки снятия отсчета. В обычно использовавшихся режимах работы неоднозначность снятия отсчёта, обусловленная перечисленными причинами, приводит к ошибке в определении места нуля радиальной шкалы отражающего элемента не более чем на 0,01 мм. Медленные и плавные измепения коэффициента усиления приёмника, атмосферного поглощения или шумов антенны не искажают существенно результаты юстировки, так как они автоматически учитываются в процессе экстраполяции кривых [14].
Для оценки случайной погрешности радиоастрономических юстировок по расстоянию достаточно сравнить две ближайшие юстировки 5 и 7.04.71 г. или 25.03.71 г. и 5.04.71, проведенные на вторичном зеркале с точной отражающей поверхностью. Из сравнения результатов юстировок определена точность привязки соседних отражающих элементовпо расстоянию о , 0.1 мм (рис.8 в, г). Главным источником случайной ошибки (о 0.1 мм) следует считать люфты механизмов, так как случайная ошибка измерения сигналов незначительна (а = 0.01 мм). 6)24.03.71 г. и 25.03. 71 г.; в) 25.03. 71г. и 5.04. 71 г.; г) 5.04. 71 г. и 7.04. 71г.; д) 7.04. 71 г. и 8.04. 71 г.; е) 8.04. 71г. и 13.04. 71 г; ж) 29.07, 71 г. и 26.07. 71 г. ( 7.04,71 г. и 13.04.71 г. использовался облучатель с "точным" зеркалом, 8.04.71 г. - с "грубым"). Сравнение результатов трёх радиоастрономических юстировок, выполненных со вторичными отражателями с "точным" и "грубым" зеркалами, продемонстрировало влияние качества отражающей поверхности вторичного зеркала на результаты радиоастрономической юстировки по радиусу (рис.8 д, е). Возникающая вследствие этого крупномасштабная деформация поверхности вторичного зеркала вызывает систематическую ошибку при юстировке каждой пары, которая при определении мест нулей радиальных шкал накапливается от центра к краю антенны (рис.8 д, е). Это приводит к изменению формы главной отражающей поверхности АПП или её развороту относительно меридиана. Рисунок (8 д, е) иллюстрирует случай, когда такая деформация достигла нескольких миллиметров.
Влиммис ііторнчіюш отражатели на определении мат пулей ралинліііімх шкал Ьшт также отмечено в комплексных исследованиях [26], связанных с изучением влияния ошибок нивелировки на качество отражающей поверхности главного зеркала. Критерием качества отражающей поверхности также является форма фокального пятна. Фокальные пятна были получены с помощью автоколлимациопнош метода на X 8 мм. Отражающие элементы главного зеркала антенны устанавливались в вертикальном положении по данным автоколлимационной и радиоастрономической юстировок на окружность радиусом 70 м. Вторичный отражатель установливался в центре этой окружности. Поперечные сечения фокальных пятен были получены при перемещении этого облучателя в горизонтальной плоскости перпендикулярно оси антенны, После исправления данных радиоастрономической юстировки за разновысотностъ угломестных осей и оптимизации положения облучателя по радиусу форма фокального пятна оказалась лучше, чем при использовании мест нулей радиальных шкал, найденных из автоколлимационньш юстировок. Вероятной причиной этого может быть влияние ошибок отражающей поверхности вторичного зеркала; радиоастрономическая юстировка и исследование формы фокального пятна производилась с помощью одного и того же отражателя, а автоколлимационная юстировка - с помощью другого вторичного отражателя.
Как было отмечено выше, окончательным этапом определения мест нулей радиальных шкал отражающих элементов является их взаимная привязка, в результате чего, согласно формуле (11), происходит накопление случайных и систематических ошибок к краю антенны. Причиной возникновения систематической ошибки может быть: влияние поверхности вторичного отражателя, вынос волновода из фокуса, влияние смещения эффективного центра радиоизлучения источника, по которому проводится юстировка. 1.1.6 Практическое использование результатов радиоастрономической юстировки БПР
Внедрение радиоастрономической юстировки а практику работы БПР (рис.9) позволило существенно повысить эффективную площадь антенны при наблюдениях на высоких углах и улучшить качество записей наблюдаемых источников радиоизлучения.
Начиная с июля 1970 г. по 1987 г. на БПР в основном использовались результаты радиоастрономических юстировок. При этом на X = 2 см было отмечено резкое улучшение качества записей: в 3 - 4 раза уменьшился уровень первого фона на записях Солнца; в 1.5 -2,0 раза возросла антенная температура от дискретных источников, наблюдавшихся на больших углах места, по сравнению с записями при установке антенны по данным геодезических юстировок (рис. И). В то же время улучшение записей при наблюдениях дискретных источников на малых углах места было незначительным [20, 40, 41]. Такой характер улучшения работы антенны естстественен, поскольку наиболее существенными ошибками в установке антенны по данным геодезических и автоколлимационных юстировок для наблюдений на больших углах места являются ошибки нивелировки, как отмечалось выше, достигающие 7 мм.
Особенности методики обработки наблюдений Солнца, полученных в режиме "эстафеты с зонированием" с использованием вторичного отражателя с конической поверхностью
Смещение эффективного центра радиоизлучения Солнца, используемого при радиоас трономической юстировке в качестве генератора излучения, представляет собой специфическую особенность радиоастрономического метода юстировки. При подготовке юстировоч-ных таблиц координаты юстируемых элементов рассчитываются в предположении, что эф -фективный центр радиоизлучения Солнца (ЭЦРС) совпадает с центром оптического диска Солнца. Известно, что повышенное радиоизлучение активных областей Солнца является причиной смещения центра тяжести его радиоизлучения относительно центра оптического диска. Такое смещение в отдельных случаях может достигать нескольких минут дуги [31]. Если эта величина известна из наблюдений, то её можно учесть при обработке измерений, выполненных во время радиоастрономической юстировки. Однако можно показать, что, даже не зная точного положения ЭЦРС, можно пользоваться результатами юстировки. Для этого после юстировки производится экспериментальный поиск фокуса антенны и вводятся соответствующие поправки либо в найденные места нулей, либо в координаты облучателя. Данный параграф посвящен количественному анализу методом численного моделирования ошибок поверхности, возникающих при использовании радиоастрономического метода юстировки. Влияние смещения ЭЦРС на юстировку отражающих элементов по угловым координатам сравнительно невелико, носит тривиальный характер и рассматриваться здесь не будет.
Если бы радиоастрономическая юстировка выполнялась "мгновенно", то смещение ЭЦРС, очевидно приводило бы к такой системе "ошибок", которая равносильна перефокусировке антенны на другой источник с другими координатами. В этом случае дополнительный поиск фокуса давал бы, очевидно, однозначное и достаточно строгое решение проблемы. В силу того, что реальное время юстировки составляет несколько часов, система "ошибок", обусловленных наличием ЭЦРС успевает существенно измениться, и результирующее искажение поверхности, вообще говоря, не компенсируется фокальным смещением. Ниже будет показано, что в практически используемых "гладких" режимах (отражающие элементы юстируются последовательно в порядке их следования по поверхности антенны) метод компенсации ошибки поиском адекватного смещения облучателя даёт вполне удовлетворительные разультаты. Так как юстировка отражающих элементов по расстоянию происходит в режиме двухэлементного интерферометра, элементами которого являются соседние отражающие элементы, то ошибка в нульпунктах шкал, возникающая за счёт смещения ЭЦРС, накапливается от центра к краю антенны и поэтому может быть значительной. Для нахождения продольного (X) и поперечного (Y) смещения центра антенны, которые могли бы наилучшим образом компенсировать ошибки, возникающие в результате смещения ЭЦРС, использовалась методика "приведения к опорному центру антенны" [13]. Рассмотрим отдельно влияние смещения ЭЦРС в горизонтальном и вертикальном направлениях. Остановимся сначала на расчётах, выполненных применительно к параметрам БПР [32].
Для оценки влияния смещения ЭЦРС в вертикальном направлении, т.е. в основном по склонению (б) Солнца, был проведён расчёт синфазных установок для разных пар отражающих элементов, моментов юстировок и высот Солнца (ho = 6 56 , 30 37 , 53 4Г) при смещениях ЭЦРС по склонению Лб = (1, 2, 5) угл. мин. Программы для выполнения таких расчётов на ЭВМ представляют собой модификацию программ для расчёта юстировоч-ных таблиц.
На рис 13. приведён пример рассчитанных ошибок мест нулей щитов антенны для случая А5 = 1 угл. мин./ ho = 30 37 и различных вариантов юстировок, отличающихся порядком наведения щитов. Вид кривых на рис.13 для ошибок вида, приведенного на рис. 14, в основном хорошо апроксимируются параболой и, таким образом, ошибки могут быть скомпенсированы либо смещением вторичного отражателя по расстоянию в направлении X, либо исправлением мест нулей радиальных шкал расчётным методом, привязываясь к опорному центру антенны [13].
Точность компенсации квадратичной ошибки (а) мест нулей радиальных шкал для рассматриваемых нами ho и Д5 находится в пределах (0.006 0.3) мм. Оказалось, что для случая А5 = угл. мин. величина а 0.1 мм.
Несимметрия кривых относительно центра антенны отражает некоторую несимметрию во времени проведения юстировки (близкой к реальной) относительно момента кульминации. Чтобы понять природу рассматриваемых кривых, следует рассмотреть, как меняется погрешность ДІ, обусловленная смещением ЭЦРС по 8 и вносимая в места нулей радиальных шкал, на протяжении обычного интервала юстировки.
Радиоастрономическая юстировка пары отражающих элементов по расстоянию происходит в режиме двухэлементного интерферометра, поэтому требование синфазности первой установки отражающих элементов Дг = Аг (Дг, Дг - оптические пути от источника радиоизлучения до отражающих поверхностей юстируемых элементов) приводит, как показали результаты расчётов, практически к линейному изменению во времени радиального отсчета подвижного элемента 1 (t). Причём, в силу обычно принятой программы юстировки [20], для западной и восточной частей антенны - противоположного знака (на востоке подвижный отражающий элемент - правый, па западе - левый). Скорость изменения 1 (t) отсчёта подвижного отражающего элемента для каждой пары юстируемых отражающих элементов зависит от склонения Солнца б. Поэтому при смещении ЭЦРС по 5 в местах нулей радиальных шкал, появляется погрешность: Д1 (t) = 1 so +ла (t) - 1 во (t), где 1 so лб (t) - радиальная координата подвижного элемента юстируемой пары при смещении ЭЦРС по склонению на величину Д5, а Ідо (t) — радиальная координата подвижного элемента юстируемой пары при несмещённом ЭЦРС. Величина Д1 в любой фиксированный момент времени (t = const) зависит от номера отражающего элемента (рис.14) в силу кривизны антенны и уменьшается с уменьшением высоты Солнца. Зависимость от номера отражающего злемеїгга - слабая.
