Введение к работе
Актуальность работы обусловлена неослабевающим интересом к исследованию природы и закономерностей солнечной активности, определяющей геофизическую обстановку и состояние околоземного пространства. Результаты исследований физических условий и процессов на Солнце необходимы для развития физики плазмы.
В связи с этим среди ключевых проблем солнечной физшш выделяются задачи исследования активных областей и вспышек. Вспышеч-ные процессы развиваются в хромосфере и короне. Активные образования в верхних слоях солнечной атмосферы в проекции на солнечный диск в оптическом диапазоне не наблюдаются на фоне излучения фотосферы, превышающе-о на 6 порядков яркость короны, но эффективно наблюдаются в радиодиапазоне. Вспышечные процессы в этом диапазоне проявляется всплесками радиоизлучения.
Пространственную структуру явлений, происходящих в атмосфере активных областей при вспышках, можно исследовать лишь на больших радиотелескопах, обладающих достаточно высоким пространственным разрешением. За последнее десятилетие с появлением таких крупных универсальных инструментов, как РАТАИ-600, »LA, WSRT, развитием техники РСДБ достигнуто значительное повышение пространственной разрешающей способности. Это позволило установить", что области повышенного радиоизлучения связаны с активными областями и имеют тонкую структуру, коррелирующую с пятнами и порами.
Однако выполняемых на уникальных универсальных радиотелескопах эпизодических наблюдений Солнца недостаточно дл.. систематических исследований эволюции строения активных областей и динамики нестационарных процессов в их атмосфере. Для изучения
- я -солнечной активности создан Сибирски* солнечный радиотелескоп (СОРТ), позволяющий выполнять регулярные наблюдения Солнца в течение дня с угловым разрешением до, 16". ССРТ представляет собой 266-элементный крестообразный эквидистантный радиоинтерферометр с параллельным многочастотным приемом ка волне 6,2 см d полосе 112 МГц, рассчитанный на работу в одномерном режиме и в двумерном мультипликативном режиме с параллельно-последовательным синтезом изображения. ССРТ дает возможность обзора всего диска Солнца, что позволяет исследовать и крупномасштаСные образования, к нестационарные процессы. При этом, благодаря ортогональному расположению линейных интерферометров ССРТ, в одномерном режиме можно чметь в любое время приемлемое качество наблюдений.
Одна из наиболее актуальных задач физики Солнца - исследования тонкой временной структуры радиовсплесков с высоким пространственным разрешением. Известен ряд наблюдений такой структуры, главным образом в длинноволновой части сантиметрового и дециметрового диапазонов, и выполненных, за редким исключением, на инструментах интегрального потока, что не дает возможности локализовать источники и осложняет изучение их природы. В рамки известных моделей к механизмов эти данные не укладываются. Понятен интерес к наблюдениям таких событий с высоким пространственным разрешением. Способ формирования отклика ССРТ на принимаемое излучение в принципе позволяет получать информацию, способствующую решению этой задачи, но его временное разрешение в'режиме мониторинга ограничивалось несколькими минутами, что не позволяло исследовать Динамику Сыетропеременных всплесков микроволнового излучения Солнца-, другие возможности- наблюдений быстрых процессов на СОРТ были ограничены временным разрешением 0,2 с.
На СОРТ получены новые сведения об активных образованиях в солнечноп атмосфере, Црогресо фивики Солнца, ряд международных научных программ обусловили необходимость расширения возможностей СОРТ, в частности, ва счет повышения временного разрешения и адаптации параметров радиотелескопа к изменению программ и условий наблюдений.
Временное разрешение, требуемое для исследований пространственно-временной структуры быстропеременных спорадических солнечных явлений, определяется предельными скоростями распространения источников радиоизлучения - пучков релятивистских электронов - и при угловом разрешении до 16", соответствующем масштабу на Солнце 10000 км, составляет порядка 35 мо.
В мультипликативном двумерном режиме СОРТ минимальное время синтеза изображения Солнца определяется временем его прохождения через веерную диаграмму направленности (ДН) ССРТ и не может быть меньше 140 с, что ограничивает возможности исследования всплесков. Аддитивному режиму не свойственны такие ограничения, и он может быть использован для исследования пространственно-временной структуры быстропеременных микроволновых воплеоков. Аддитивный одномерный режим ССРТ иоследовался Т. А. ТреокОйНМі однако его специфика при наблюдении кратковременных всплесков была изучена недостаточно. Особенности этого режима исследованы в главе 1.
При вспышках наблюдаются весьма высокие потоки излучения локальных источников - 1000 с. е. п. и выше, на фоне которых радиоизлучение спокойных областей Солнца практически не регистрируется. В этих случаях для выделения особенностей пространств .иной структуры активных областей на фоне боковых лепестков ДН радиотелескопа особенно важно иметь четко сформированную и до"товерно иэвест-
- 4 -иую ДН инструмента. Для этого нужно вчать влияние на ДН СОРТ искажающих факторов, воедействующих на принимаемую информации в ан-тенно-фидерном комплексе (АФК) ОСРТ. Качество антенны влияет на качество наблюдений, а состояние многоэлементной антенной системы СОРТ в значительной мере определяется системами управления. Поэтому существенное влияние на качество данных оказывает управление наведением антенн и другими подсистемами АФК, имеющего сложную организацию. Задачи управления составляют серьезную проблемі', что характерно для инструментов такого класса Требуют исследования Еопросы синхронизации антенно-фидерной, приемной и других систем СОРТ, влияющей на чувствительность и точность намерений. Для ис-польвования данных наблюдений быстропротекающих явлений солнечной активности, полученных в различных диапазонах излучения на различных инструментах, требуется их соответствующая синхронизация, чего можно достичь путем синхронизации СОРТ с системой точного времени Госстандарта. Перечисленным вопросам посвящена глава 2.
Временное разрешение СОРТ ограничивается возможностями приемной системы, построенной на основе многоканального гетеродини-рования, не имевшего практической альтернативы в годы ее проектирования. Сложность приемной системы затрудняет адаптацию ее параметров; сетка частотных каналов фиксирована, что не позволяет оптимизировать их характеристики. На основе акустооптического метода можно создать приемную оистему с адаптируемыми характеристиками. Проф. Н. А. Есепкиной была предложена совместная программа разработки акустооптического управляемого приемного устройства для СОРТ, позволяющего достичь высокого временного разрешения. Реализации акустооптической приємно-регистрирующей системы СОРТ посвящена глава 3.
- 5 -Разработка перечисленных методов и систем позволила исследовать характеристики СОРТ, повысить его эффективность и исследовать структуру источников кратковременных микроволновых всплесков солнечного излучения с пространственным разрешением до 16" и изменения потоков их излучения с временами порядка десятков миллисекунд. Основные результаты изложены в главе 4.
Цель работы заключается а решении следующих основных задач:
-
Исследование возможностей адаптации ССРТ к наблюдениям пространственно-временной структуры кратковременных всплесков микроволнового излучения активных областей.
-
Разработка и анализ систем управления антенно-$идерным комплексом ССРТ. Исследование влияния ошибок в системе управления наведением антенн на характеристики ССРТ и регистрируемый отклик
-
Разработка системы синхронизации комплекса ССРТ.
-
Разработка и исследование акустооптического приеинпса.
Б. Выполнение наблюдений и исследование пространственно-временной структуры микроволновых всплесков солнечного излучения.
Научная новизна:
1. Показана возможность исследования пространственно-временной структуры источников кратковременных микроволновых всплесютв солнечного излучения на ССРТ в одномерном аддитивном режиме. Уточнены некоторые результаты предшествующих исследований характеристик ССРТ в этом режиме при частотном сканировании. Показано, что уширенлс ДН в полосе частот 600 кГц составляет дс 1,36 против 1,03 для мультипликативного режима Огибающая ДН антенных элементов на 15% уже. чем считалось ранее. Получена оцв"ка чувствитель-
НОСТИ СОРТ в 0,04 с. е. п.
-
Выполнен анализ наведения многоэлементной антенной системы ССРТ на Солнце. Исследовано влияние ошибок наведения антенных элементов на характеристики радиотелескопа и регистрируемый отклик. Показано, что ошибки наведения отдельных антенных элементов приводят к несущественному искаизшш ДН интерферометра. Восстановлены формы диаграммы направленности ССРТ, соответствующие реально измеренным распределениям поля по его апертуре. Разработана и исследована система управления наведением. Решены вопросы управления основными элементами антенно-фидерного комплекса и их контроля. Разработана система синхронизации комплекса ССРТ и его привязки к системе точного времени Госстандарта с точностью 2 мс.
-
Развит метод частотного сканирования для радиоинтерферометра в одномерном аддитивном режиме, что позволило повысить временное разрешение ССРГ и дает возможность оптимального формирования ДН при различных направлениях приема. Разработана приємно-регистрирующая акустооптическая система с программно-управляемыми параметрами, позволяющая регистрировать одномерный образ распределения радиояркости по всему диску Солнца sa время до 66 мс. Развит и реализован метод слемэния за откликом на излучение активной области, позволяющий Достичь временного разрешения до 14 мс.
-
Разработан метод обработки данных на основе анализа диаграммной модуляции отклика, позволяющий определять размеры выделяемых компактных радиоисточников, меньших ширины ДН интерферометра.
Б. Проведены исследования на ССРТ пространственно-временной структуры всплесков микроволнового излучения Солнца. Показано, что пространственные изменения структуры источника излучения микроволнового всплеска имеют сверхтонкий временной масштаб, дости-
- 7 -гающий 50 мс.
На защиту выносятся:
-
Результаты исследования влияния ошибок в антенно-фидерной системе ССРТ на характеристики радиотелескопа и на результаты наблюдений распределения радиояркости Солнца.
-
Система управления наведением антенных элементов ССРТ.
-
Система синхронизации ССРТ.
-
Результаты разработки приемно-регистрирующей акустоопти-ческой системы.
Б. Реализация метода слежения за активной областью с помощью частотного сканирования.
-
метод определения размера выделяемых радиоисточников на основе анализа характеристик диаграммной модуляции отклика ССРТ.
-
Результаты наблюдений всплесков микроволнового излучения Солнца с помощью рааработанных методов и средств.
Научное и практическое значение работа
Практическая ценность работы заключается в расширении наблюдательных возможностей и повышении эффективности использования ССРТ.
Созданная система синхронного управления антеннами ССРТ обеспечила наведение антенных элементов с требуемой точностью и, соответственно, систематический мониторинг солнечной активности в режиме регистрации одномерных распределений радиояркости.
Результаты исследования аддитивного одномерного режима ССРТ позволили реализовать наблюдения пространственно-временной структуры кратковременных всплесков и повысить точності обработки дан-
- 8 -них.
Разработанная методика моделирования антенно-фидерной системы СОРТ позволяет повысить достоверность и точность измерения распределения радиопркости по диску Солнца и снизить требования к системе наведения антенн, что упрощает ее эксплуатацию. Методика может быть использована для расчета ДН различных многоэлементных антенных систем с учетом влияния искалаюших факторов.
Систематизированы способы контроля системы поляризационных модуляторов. На их основе разработаны средства контроля.
Разработанная приемно-регистрирующая акуотооптическая система позволила впервые на СОРТ реализовать параллельный многочастотный прием в полной полосе приема, вследствие чего время получения распределения радиояркости всего диска Солнца уменьшено до 0,056 с. В результате стало возможным исследование пространственно-временной структуры кратковременных всплесков микроволнового излучения"активных областей, включая их сверхтонкую временную структуру. Развитый метод слежения позволил реализовать временное разрешение 66 мс с перспективой его дальнейшего повышения. Это открывает возможности исследования процессов первичного энерговыделения при вспышках.
Разработанная методика обработки данных на основе анализа характеристик диаграммной модуляции отклика позволяет определять размеры выделяемых компактных радиоисточников, меньших ширины ДН интерферометра, и их изменение во времени.
Проведенные с использованием разработанных методов и средств наблюдения позволили исследовать пространственно-временную структуру всплесков микроволнового излучения Солнца.
В результате работы достигнут новый уровень мониторинга сол-
печной активности и исследований по данным CCFT.
Предложенные методы могут быть использованы для решения других задач инструментальной радиоастрономии.
Реализация работы. Результаты работы использованы при создании систем комплекса СОРТ и повышении эффективности его использования, в процессе регулярных наблюдений на нем, обработке данных; при передаче данных мониторинга солнечной активности в отечественный центр прогнозирования геофизической обстановки; при оснащении радиотелескопа PATAH-GOO малыми солнечными инструментами.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на XI, XIV, XXI Бсесогаїшх ісонференциях по радиоастрономии, на Межрегиональной конференции по радиоастрономическим исследованиям солнечной системы в 1992 г. , на IV Всесоюзном симпозиуме по модульным информационно-вычислительным системам, на XVIII конференции молодых европейских радиоастрономов, на выездной сессии Антенной секции Научного совета АН СССР по проблеме "Радиоастрономия" в 1983 г., на XIII школе по автоматизации научных исследований. Практической апробацией решения рассматриваемых в диссертации вопросов явилось использование результатов их исследования при реализации проекта ССРТ, его развитии, мониторинге солнечной активности и выполнении оригинальных исследований РАО.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано (в 1978-1992 гг.) 18 работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения и списка литературы из 178 наименований, содержит 194 страницы машинописного текста, 67 рисунков, 4 таблицы.
