一款觀測太陽流量應用軟件的設計和實現

李有生 張永宏 肖旺

摘要： 太陽射電望遠鏡是對太陽射電輻射變化和太陽射電爆發的常規觀測平臺，是地面上探測太陽活動的主要常規設備，被廣泛地應用于太陽活動的研究和監測工作之中，也被廣泛應用于太陽活動的研究與預報業務中。本應用軟件是實現通過射電望遠鏡接收到的數據進行保存、處理和分析，生成實時譜圖、太陽流量圖。

關鍵詞：太陽射電望遠鏡;爆發;跟蹤;太陽流量

1 研究背景

太陽射電輻射有三種分量，即寧靜太陽射電、太陽緩變射電和太陽射電爆發，分別起源于寧靜太陽大氣、某些亮區（局部射電源）和像太陽耀斑之類的瞬變擾動。太陽射電輻射觀測研究表明，平時太陽射電輻射是在緩慢變化著的，太陽上有劇烈爆發現象如耀斑爆發時，也會出現劇烈瞬變的“射電爆發”。太陽射電爆發是太陽受到強烈擾動時（如日面上耀斑爆發時）所產生的一種強度急劇增加的射電輻射，起源于從低色球到外日冕的整個太陽大氣中，占據的波段從毫米波一直擴展到米波。太陽射電爆發的強度范圍大約從接收機噪聲以上剛能辨別的流量密度數值（一般最小為幾個sfu）一直到幾千甚至上萬sfu。這里1 sfu=10-22 Wm-2 Hz-1即為太陽射電輻射流量單位。劇烈的太陽射電爆發可引起地球磁場和電離層的強烈擾動，導致短波無線電通訊中斷等空間天氣災害事件。太陽射電輻射流量監測是空間天氣監測預警不可或缺的一部分。

本太陽射電望遠鏡系統是對太陽射電輻射變化和太陽射電爆發的觀測平臺，能夠實時監測太陽數據并轉換為太陽流量數據，記錄太陽流量寧靜及爆發的時間和數值，為研究提供數據支持。

2 系統組成

太陽射電望遠鏡由天線分系統、射頻傳輸分系統、系統控制和數據分析分系統等組成。如圖1所示。

分系統組成如下：

1） 天線分系統由天線（天線面、天線座架、饋源），伺服控制（天線控制、天線驅動等）組成;

2） 射頻傳輸分系統由前置單元、射頻光纖傳輸器和后置單元等組成;

3） 系統控制和數據處理分系統由接收機（頻譜儀）、系統控制終端（本地服務器）、串口服務器、交換機、保障終端和遠程控制終端等組成。

射電望遠鏡軟件主要完成遠程控制和監視天線運行的動作，讀取儀器設備數據并保存，通過數據合成處理計算太陽流量數據，保存數據并生成流量圖進行圖形界面顯示，同時軟件要監控機房的工作環境，軟件模塊劃分如圖2所示。

1） 儀器控制模塊，完成對儀器的頻率設置，數據讀取的功能;

2） 數據記錄模塊，完成對頻譜儀讀取到的數據保存的功能;

3） 天線伺服控制模塊，實現對天線位置的控制和讀取的功能;

4） 機房環境監測模塊，實現對風速，UPS數據的讀取監控功能;

5） 頻譜儀控制程序，完成定時讀取頻譜儀數據，設置頻率，傳輸數據的功能;

6） 頻譜計算合成模塊，將水平和垂直極化的頻譜儀數據讀取后，進行數據計算合成為一個合成的頻譜數據;

7） 頻譜繪制模塊，將合成后的頻譜數據繪制到顯示器上;

8） 太陽流量計算模塊，將頻譜數據通過太陽流量計算公式進行換算得到太陽流量的數據;

9） 太陽射電譜圖繪制模塊，將天線計算得到的流量數據繪制在一個譜圖上;

10） 天線位置圖繪制模塊，將當前天線位置以三維的方式顯示到顯示器上;

11） 狀態顯示模塊，完成機房環境信息的顯示功能。

3 太陽角度跟蹤、數據接收存儲和分析

太陽射電望遠鏡系統工作時，射電望遠鏡軟件控制天線跟隨太陽運轉，接收太陽射電信號;太陽射電信號經過射頻傳輸分系統，輸入接收機中，經采樣得到太陽射電原始數據;系統控制終端從接收機中讀取數據，并將這些數據存儲在本地服務器中;本地服務器通過對原始數據進行分析和計算，得出太陽射電流量數據，并形成太陽射電流量變化曲線圖;當有太陽活動異常時，發出警報;射電望遠鏡軟件將計算后的流量數據自動傳輸到遠程終端。

3.1太陽角度跟蹤

跟蹤指向的工作原理實際上就是天文學上兩種天球坐標系的轉換原理，即第二赤道坐標系與地平坐標系的轉換。

赤道坐標系的第一坐標稱為赤經，計作[α]，它由春分點起沿赤道逆時針計量，不取負值;赤道坐標系的第二坐標稱為赤緯，計作[δ]，它由赤道作為計量起點，向北為正，向南為負。

地平坐標系又叫作方位角仰角坐標系，地平坐標系的第一坐標是方位角坐標，計作Az，從當地（觀測點）的正北方向開始以順時針方向計量，由0度到360度;地平坐標系的第二坐標是仰角坐標，計作El，它是地平坐標原點與天體之間連線和連線在地平面的投影之間夾角的大小。

通過上面的兩個公式，將天文年歷提供的各時刻的赤經赤緯數據轉換成各時刻的方位角仰角數據，天線控制單元再將這些方位角仰角數據和兩個軸角傳感器傳來的數據進行比較，由天線驅動單元經天線的方位驅動裝置和俯仰驅動裝置驅動天線運動實現對觀測目標的指向跟蹤，太陽角度跟蹤模塊的流程圖見圖3。

3.2數據接收存儲和分析

射電望遠鏡軟件將獲得的太陽射電原始數據，以二進制的形式，每秒鐘存儲601個數值點，供分析使用。采用每小時保存一個數據文件，命名格式為年月日-小時。數據處理工作流程框圖，見圖4：

數據處理采用對觀測數據的平滑和干擾抑制方法：

將干擾視為小概率事件。根據隨機誤差概率密度函數的有界性，在一次實驗中，概率極小的事件是實際上不可能發生的事件。所謂概率極小，尚有多種判別準則，在未加特別規定時，可使用3[δ]判別準則。

則認為[xp]為概率極小事件，將其剔除，可以有效抑制瞬時干擾，然后進行數據擬合，完成數據的平滑處理。[δ]為數據方差，[μ]為數據均值。

目前太陽射電望遠鏡沒有提供一個可查的[A（f）]，但是可以通過式（4）經過一段時間得到一個相對穩定的[A（f）]，再將[A（f）]帶入到式（5）確定每天的定標系數，獲取靜太陽射電流量。

通過太陽射電數據的相對定標的結果，對不同頻點上的太陽射電流量進行統計分析，確定各頻點寧靜時期流量的變化，設定合適閾值，進行射電流量異常預警。同時監測大的環境干擾對接收帶來的影響。

3.3實驗數據展示

4結束語

本文主要闡述了太陽流量軟件在太陽射電望遠鏡系統的應用，通過對天線角度的控制，獲得儀器設備對準太陽時接收到的太陽數據，通過一定的算法處理后得到太陽的流量值，由此來判斷太陽活動的情況。隨著科學技術的不斷發展，太陽望遠鏡技術也在不斷發展進步，目前在研究日地關系、空間環境及通訊電磁影響等方面有著廣泛的應用。

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【通聯編輯：朱寶貴】