一款觀測太陽流量應(yīng)用軟件的設(shè)計和實現(xiàn)

李有生 張永宏 肖旺

摘要： 太陽射電望遠(yuǎn)鏡是對太陽射電輻射變化和太陽射電爆發(fā)的常規(guī)觀測平臺，是地面上探測太陽活動的主要常規(guī)設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于太陽活動的研究和監(jiān)測工作之中，也被廣泛應(yīng)用于太陽活動的研究與預(yù)報業(yè)務(wù)中。本應(yīng)用軟件是實現(xiàn)通過射電望遠(yuǎn)鏡接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、處理和分析，生成實時譜圖、太陽流量圖。

關(guān)鍵詞：太陽射電望遠(yuǎn)鏡;爆發(fā);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(fā)，分別起源于寧靜太陽大氣、某些亮區(qū)（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(fā)現(xiàn)象如耀斑爆發(fā)時，也會出現(xiàn)劇烈瞬變的“射電爆發(fā)”。太陽射電爆發(fā)是太陽受到強(qiáng)烈擾動時（如日面上耀斑爆發(fā)時）所產(chǎn)生的一種強(qiáng)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(jù)的波段從毫米波一直擴(kuò)展到米波。太陽射電爆發(fā)的強(qiáng)度范圍大約從接收機(jī)噪聲以上剛能辨別的流量密度數(shù)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(fā)可引起地球磁場和電離層的強(qiáng)烈擾動，導(dǎo)致短波無線電通訊中斷等空間天氣災(zāi)害事件。太陽射電輻射流量監(jiān)測是空間天氣監(jiān)測預(yù)警不可或缺的一部分。

本太陽射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)是對太陽射電輻射變化和太陽射電爆發(fā)的觀測平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測太陽數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為太陽流量數(shù)據(jù)，記錄太陽流量寧靜及爆發(fā)的時間和數(shù)值，為研究提供數(shù)據(jù)支持。

2 系統(tǒng)組成

太陽射電望遠(yuǎn)鏡由天線分系統(tǒng)、射頻傳輸分系統(tǒng)、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)分析分系統(tǒng)等組成。如圖1所示。

分系統(tǒng)組成如下：

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

2） 射頻傳輸分系統(tǒng)由前置單元、射頻光纖傳輸器和后置單元等組成;

3） 系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)由接收機(jī)（頻譜儀）、系統(tǒng)控制終端（本地服務(wù)器）、串口服務(wù)器、交換機(jī)、保障終端和遠(yuǎn)程控制終端等組成。

射電望遠(yuǎn)鏡軟件主要完成遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視天線運(yùn)行的動作，讀取儀器設(shè)備數(shù)據(jù)并保存，通過數(shù)據(jù)合成處理計算太陽流量數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)并生成流量圖進(jìn)行圖形界面顯示，同時軟件要監(jiān)控機(jī)房的工作環(huán)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(shè)置，數(shù)據(jù)讀取的功能;

2） 數(shù)據(jù)記錄模塊，完成對頻譜儀讀取到的數(shù)據(jù)保存的功能;

3） 天線伺服控制模塊，實現(xiàn)對天線位置的控制和讀取的功能;

4） 機(jī)房環(huán)境監(jiān)測模塊，實現(xiàn)對風(fēng)速，UPS數(shù)據(jù)的讀取監(jiān)控功能;

5） 頻譜儀控制程序，完成定時讀取頻譜儀數(shù)據(jù)，設(shè)置頻率，傳輸數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀取后，進(jìn)行數(shù)據(jù)計算合成為一個合成的頻譜數(shù)據(jù);

7） 頻譜繪制模塊，將合成后的頻譜數(shù)據(jù)繪制到顯示器上;

8） 太陽流量計算模塊，將頻譜數(shù)據(jù)通過太陽流量計算公式進(jìn)行換算得到太陽流量的數(shù)據(jù);

9） 太陽射電譜圖繪制模塊，將天線計算得到的流量數(shù)據(jù)繪制在一個譜圖上;

10） 天線位置圖繪制模塊，將當(dāng)前天線位置以三維的方式顯示到顯示器上;

11） 狀態(tài)顯示模塊，完成機(jī)房環(huán)境信息的顯示功能。

3 太陽角度跟蹤、數(shù)據(jù)接收存儲和分析

太陽射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)工作時，射電望遠(yuǎn)鏡軟件控制天線跟隨太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，接收太陽射電信號;太陽射電信號經(jīng)過射頻傳輸分系統(tǒng)，輸入接收機(jī)中，經(jīng)采樣得到太陽射電原始數(shù)據(jù);系統(tǒng)控制終端從接收機(jī)中讀取數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲在本地服務(wù)器中;本地服務(wù)器通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計算，得出太陽射電流量數(shù)據(jù)，并形成太陽射電流量變化曲線圖;當(dāng)有太陽活動異常時，發(fā)出警報;射電望遠(yuǎn)鏡軟件將計算后的流量數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)竭h(yuǎn)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(xué)上兩種天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換原理，即第二赤道坐標(biāo)系與地平坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

赤道坐標(biāo)系的第一坐標(biāo)稱為赤經(jīng)，計作[α]，它由春分點起沿赤道逆時針計量，不取負(fù)值;赤道坐標(biāo)系的第二坐標(biāo)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(fù)。

地平坐標(biāo)系又叫作方位角仰角坐標(biāo)系，地平坐標(biāo)系的第一坐標(biāo)是方位角坐標(biāo)，計作Az，從當(dāng)?shù)兀ㄓ^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(biāo)系的第二坐標(biāo)是仰角坐標(biāo)，計作El，它是地平坐標(biāo)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(jīng)赤緯數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成各時刻的方位角仰角數(shù)據(jù)，天線控制單元再將這些方位角仰角數(shù)據(jù)和兩個軸角傳感器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，由天線驅(qū)動單元經(jīng)天線的方位驅(qū)動裝置和俯仰驅(qū)動裝置驅(qū)動天線運(yùn)動實現(xiàn)對觀測目標(biāo)的指向跟蹤，太陽角度跟蹤模塊的流程圖見圖3。

3.2數(shù)據(jù)接收存儲和分析

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

數(shù)據(jù)處理采用對觀測數(shù)據(jù)的平滑和干擾抑制方法：

將干擾視為小概率事件。根據(jù)隨機(jī)誤差概率密度函數(shù)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(fā)生的事件。所謂概率極小，尚有多種判別準(zhǔn)則，在未加特別規(guī)定時，可使用3[δ]判別準(zhǔn)則。

則認(rèn)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(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，完成數(shù)據(jù)的平滑處理。[δ]為數(shù)據(jù)方差，[μ]為數(shù)據(jù)均值。

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

通過太陽射電數(shù)據(jù)的相對定標(biāo)的結(jié)果，對不同頻點上的太陽射電流量進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定各頻點寧靜時期流量的變化，設(shè)定合適閾值，進(jìn)行射電流量異常預(yù)警。同時監(jiān)測大的環(huán)境干擾對接收帶來的影響。

3.3實驗數(shù)據(jù)展示

4結(jié)束語

本文主要闡述了太陽流量軟件在太陽射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的應(yīng)用，通過對天線角度的控制，獲得儀器設(shè)備對準(zhǔn)太陽時接收到的太陽數(shù)據(jù)，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(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽望遠(yuǎn)鏡技術(shù)也在不斷發(fā)展進(jìn)步，目前在研究日地關(guān)系、空間環(huán)境及通訊電磁影響等方面有著廣泛的應(yīng)用。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】