РАЗДЕЛ 2
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА СПОРАДИЧЕСКОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЦА
Как видно из предыдущего раздела, для детального изучения характеристик
всплесков необходимы как высокоэффективные радиотелескопы с высокой
флуктуационной чувствительностью, так и регистрирующая аппаратура, которая
должна обладать большим динамическим диапазоном, высоким временным и частотным
разрешением, а также возможностью записи наблюдательных данных в электронной
форме. Последнее требование предполагает также наличие соответствующего
программного обеспечения, позволяющего обрабатывать данные с максимальной
эффективностью.
Традиционно в наблюдениях солнечного излучения в декаметровом диапазоне
использовались многоканальные фильтровые приемники, свип-анализаторы спектра и
акусто-оптические анализаторы.
В данном разделе показано, что использовавшиеся ранее устройства регистрации не
позволяют обнаруживать тонкую структуру солнечных всплесков в декаметровом
диапазоне длин радиоволн даже несмотря на работу с радиотелескопом с большой
эффективной площадью.
В последнее время стали использоваться цифровые широкополосные приемники,
использующие для спектрального анализа метод дискретного преобразования Фурье.
Такой спектроанализатор был разработан в результате совместной работы
специалистов Радиоастрономического института НАНУ и института космических
исследований Австрийской академии наук.
В диссертационной работе автором была выполнена оптимизация тракта
предварительного усиления сигнала для использования спектроанализатора в
составе радиотелескопа УТР-2 для наблюдений спорадического излучения Солнца, а
также создано программное обеспечения для обработки полученных с помощью
спектроанализатора данных.
2.1. Основные требования к аппаратуре регистрации и анализа спорадического
радиоизлучения Солнца
Рабочая частота радиотелескопа УТР-2 охватывает лишь часть декаметрового
диапазона от его верхней границы 30 МГц, до частот 8-10 МГц, обусловленных
экранирующим эффектом земной ионосферы. Исходя из этого, максимальная рабочая
полоса приемника должна составлять не менее 20 МГц. Приемник должен
обеспечивать возможность представления регистрируемого излучения в
частотно-временной плоскости в виде динамического спектра, как обычно принято в
радиоастрономии.
Частотно-временные масштабы спорадического радиоизлучения Солнца изменяются в
довольно широких пределах, как было показано в предыдущем разделе. Исходя из
этого, частотное разрешение приемника должно быть не хуже 10 кГц, а временное –
не хуже 10 мс.
Также в широких пределах – до 50 дБ, изменяются потоки излучения. Учитывая, что
наблюдения Солнца проводятся исключительно летом, в дневное время, неизбежен
высокий уровень промышленных и естественных помех, которые зачастую существенно
превышают уровень полезного сигнала. В этом случае для подавления помех без
искажений полезного сигнала необходим динамический диапазон не хуже 70 дБ.
Требования к чувствительности, в принципе, не такие жесткие, как, например, в
случае наблюдений удаленных космических объектов, так как уровень фонового
излучения спокойного Солнца составляет около 1 с.е.п. Однако для детального
изучения свойств солнечных всплесков, особенно его тонкой структуры, необходима
высокая флуктуационная чувствительность приемника, которая непосредственно
связана как с абсолютной чувствительностью приемников, так и с эффективной
площадью антенны.
2.2. Многоканальные фильтровые приемники
Многоканальные фильтровые приемники явились самыми первыми инструментами,
позволявшими регистрировать и обрабатывать солнечное радиоизлучение. Принцип их
действия основан на разделении входного сигнала на отдельные частотные полосы с
помощью линейки полосовых фильтров (чаще фильтровых приемников), с последующим
детектированием и регистрацией [27]. При этом разрешающая способность по
частоте определяется количеством приемников в исследуемой полосе частот.
Потенциальная разрешающая способность по времени определяется шириной полосы
одного канала Dfк как 1/Dfк. Реальное же разрешение по времени устанавливается
постоянной времени амплитудного детектора на выходе приемников. Регистрация
проводилась на бумажную ленту с помощью самописцев, что, во-первых,
ограничивало количество одновременно используемых частотных каналов, а
во-вторых, сильно усложняло обработку полученных данных. Такой спектрометр (6 и
8 канальный) использовался долгое время на обсерватории УТР-2 (Граково) для
наблюдений радиоизлучения Солнца. Очевидно, что при таком ограниченном числе
каналов в рабочей полосе радиотелескопа УТР-2, когда частотное разрешение
составляло всего 3-4 МГц, невозможно не только исследование тонкой спектральной
структуры радиовсплесков, но даже обнаруживать некоторые типы радиоизлучения,
такие как солнечные спайки, дрейфующие пары, всплески II типа, U и J всплески.
По этой причине данные 8 канального спектрометра в настоящей диссертации не
использовались. Усовершенствованным вариантом многоканального фильтрового
спектрометра стали 30 и 60 канальные спектрометры, реализующие регистрацию
информации в цифровом виде. Такой спектрометр состоит из 30 (60)
радиоприемников Р-250 «Кит», настроенных на ряд частот, в диапазоне 10-30 МГц.
После селекции и усиления в приемниках сигнал на промежуточной частоте
поступает на квадратичный детектор, после чего преобразуется в цифровую форму с
помощью многоканального АЦП и записывается на жесткий диск компьютера.
Основным преимуществом такого спектрометра перед ранее использовавшимися
заключается, с одной стороны, в регистрации данных в электронном виде, а с
- Київ+380960830922