Многооктавный спектрально-поляризационный комплекс для исследований микроволнового излучения солнечной атмосферы на РАТАН-600

В работе описываются возможности модернизированного программно-аппаратурного комплекса солнечных наблюдений на радиотелескопе РАТАН-600. Сочетание параметров крупного рефлекторного инструмента и нового расширенного приемного комплекса предоставляет новые возможности для исследований солнечного радиоизлучения. Наличие непрерывного спектрального анализа в широком диапазоне длин волн позволяет просматривать высотную структуру солнечной атмосферы, в которой формируются области мощного энерговыделения. Весьма важен анализ поляризации принимаемого излучения, поскольку он несет в себе информацию о величине и структуре магнитного поля. Получать такую информацию на высотах верхней хромосферы и нижней короны оптическими методами и с помощью наблюдений со спутников довольно трудно, вследствие чего радиоастрономические методы актуальны. Данные многоволновых наблюдений Солнца автоматически передаются в локальную сеть радиотелескопа РАТАН-600, откуда по сети Интернет поступают на сайты и на выделенный сервер , где оперативно обрабатываются и представляются внешнему пользователю в различных форматах через веб-сайт

The paper presents capabilities of the updated hardware-software system for solar observations being a part of the radio telescope RATAN-600. Parameters of the large reflex instrument and a new advanced receiver complex provide new possibilities for studying solar radio emission. Application of continuous spectral analysis over a wide wavelength range allows us to examine the height structure of the solar atmosphere where regions of a strong energy release form. Analysis of polarization of the received emission is of importance, since it provides information on size and structure of the magnetic field. Obtaining such information on the upper chromosphere and lower corona with optical methods and from satellite observations is rather difficult; radioastro-nomical methods are thus important. Multiwave solar observation data are automatically transferred to the local network of the radio telescope and then to website and dedicated server via Internet. Afterwards they are processed in real-time mode and transferred in different formats to external user through website

Наличие многооктавного спектрального анализа излучения отдельных плазменных образований солнечной атмосферы весьма важно для создания полной картины происходящих в них активных процессов. Сочетание крупного инструмента и широкодиапазонного спектрального комплекса приемной аппаратуры позволяет получить эффективный набор технических параметров для изучения активной плазмы на уровнях хромосферы и нижней короны. В частности, такие параметры позволяют реализовать методы прямых измерений магнитных полей в короне, представляющие большой интерес для исследователей. Измерения основаны на хорошо развитых механизмах излучения: циклотронном (доминирует в локальных радиоисточниках), тепловом тормозном, плазменном и др. Корональные магнитные поля (< 2500 Гс) в локальных источниках над пятнами в активных областях измеряются с помощью спектрально-поляризационных наблюдений на РАТАН-600 в диапазоне 0.75–18 ГГц. Регулярность наблюдений позволяет получать ежедневную информацию о состоянии активности и величинах магнитных полей в отдельных активных областях. При этом чем выше спектральное разрешение инструмента, тем точнее оценка магнитного поля и тем меньшие изменения величины магнитного поля он может регистрировать. Спектральное разрешение, достигнутое на солнечном приемном комплексе РАТАН-600, составляет 1 % при пространственном разрешении (15"×15' на са- мой короткой волне 1.6 см), что является уникальным для крупных радиотелескопов, исследующих отдельные компоненты активных областей. Большое значение имеют также высокая чувствительность инструмента по потоку (несколько янских) и высокая точность измерения степени поляризации (0.3– 1.5 %).

Благодаря такому набору параметров в многоази мутальных наблюдениях , проводимых с 2000 г . на РАТАН -600, была обнаружена [ Богод , Тохчукова , 2003] немонотонность спектров поляризованного из лучения активных областей ( АО ), производящих мощ ные вспышки , в отличие от спектров активных облас тей без вспышек . Как показывают расчеты [ Кальтман и др ., 2005; Zlotnik et al., 2007; Bogod, Yasnov, 2009], к таким немонотонностям могут приводить неоднород ности в высотной структуре АО , инверсии знака маг нитного поля , температурные инверсии и др . Эти из менения происходят , согласно наблюдениям , на вре менных масштабах от нескольких часов до вспышки до нескольких дней до вспышки , поэтому спектраль но - поляризационные радионаблюдения могут быть использованы для предсказания мощных солнечных вспышек [ Богод , 2006]

Создание многооктавного приемного ком плекса на диапазон 0.75–18.0 ГГц

Перекрытие столь широкого диапазона частот от 0.75 ГГц до 18 ГГц (4.5 октавы) в одновременных наблюдениях с подробным спектрально-поляриза- ционным анализом реализовано впервые на крупном инструменте. Разработка включала в себя поиск и реализацию входных облучателей (рупоров) с предельно широким перекрытием по диапазону частот и обеспечение высокой чувствительности по потоку радиоизлучения и поляризационной точности в одновременных наблюдениях. Этим требованиям сегодня оптимально соответствуют двухзаходные спиральные антенны (рис. 1). Они обладают частотно-независимыми диаграммами направленности, как для правых, так и для левых круговых поляризаций с высокой круговой симметрией. Недостатком такого решения является разнесение облучателей для правой и левой круговых поляризаций, что приводит к некоторым аберрационным искажениям, которые могут быть уменьшены в ходе компьютерной обработки данных. Важной особенностью комплекса является также одновременная регистрация интенсивности и поляризации излучения с высоким спектральным разрешением (около 1 %).

Для минимизации аберрационных искажений при работе в составе радиотелескопа РАТАН -600 входные облучатели ( рупоры ) размещены на минимальном расстоянии от оси радиотелескопа . Оптимальным является расстояние , не превышающее одной длины волны . В связи с этим все входные рупоры объеди нены в единую систему облучателей , включающую облучатели правой и левой круговых поляризаций на диапазоны 3–18 ГГц и 0.75–3 ГГц .

Другая часть разработки заключалась в создании адекватного широкополосного усилительного вход ного блока с набором всех основных радиометриче ских функций , включая калибровки по интенсивно сти и по обеим ( правой и левой ) поляризациям , тер мостабилизацию и высокую стабильность питающих напряжений , а также устойчивость к существующей помеховой обстановке вблизи радиотелескопа .

На рис . 2 приведена схема входного приемного блока , который функционально представлен в виде составляющих блоков . Они выполняют функции реа лизации широкополосных входных облучателей в об щем диапазоне 0.75–18 ГГц ( блок широкополосных спиральных излучателей ), широкодиапазонного усиления в двух поддиапазонах (0.75–3.0 ГГц и 3.0–18.0 ГГц ) ( усилительный блок ), переключения поляризаций R и L и подачи широкодиапазонных ка либровок . В дальнейшем усиленный широкополосный сигнал проходит через систему предварительной фильтрации , где он разбивается на 14 субблоков , каж дый из которых состоит из восьми узкополосных час тотных фильтров со средней шириной полосы около 1 %. На выходе фильтров включены детекторы с низ ким барьером . В дальнейшем сигналы усиливаются в предварительных усилителях постоянного тока и по -

Рис . 1. Пример реализации широкодиапазонных облу чателей на двухзаходных спиралях .

Рис . 2. Схема входного приемного устройства . Пока заны усилительные тракты для диапазона 0.75–3 ГГц ( сна ружи ) для правой и левой круговых поляризаций и для диа пазона 3–18 ГГц ( внутри ), подключенные к входным рупо рам R и L. На выходе усилительных каналов находятся пере ключатели М с дальнейшим усилением общего канала и последующей многоканальной фильтрацией . Сигналы от генераторов шума используются для выравнивания коэффи циента в режиме непрерывной калибровки .

ступают в многоканальную систему сбора данных , состоящую из 14 радиометрических плат и плат синхронизации и управления . Радиометрическая плата предназначена для приема восьми частотных каналов , каждый из которых представляет собой согласующие цепи с аттенюаторами на ЦАП , цепи распределения сигналов поляризаций , совмещенные с RC- цепями . На выходе каждой из поляризаций подключены многоразрядные сигма - дельта - АЦП (0.1 МГц , 24 бит ). Всего используется 224 АЦП . Реализован режим наблюдений полной мощности сигнала (Total Power). Синхронизация всех процес сов комплекса и управление ими реализованы на при борах с программируемой логикой (PLD), в частности на FPGA. В программном обеспечении , работающем в FPGA, заложена возможность изменения временной диаграммы сбора данных в диапазоне частот от 1 Гц до 1 кГц .

Для объединения данных, поступающих от радиометрических НЧ-ячеек, использована стандартная шинная архитектура: двунаправленная шина данных, однонаправленные шины адреса и управления . Данная архитектура позволяет реализовать параллельный прием радиометрических данных и управление параметрами регистрации от внешнего управляющего компьютера. В случае необходимости первичной обработки принятых данных она производится средствами подпрограмм, реализованных в виде отдельных задач на процессоре ARM по командам управления, полученным по шине Ethernet от управляющего компьютера. Запись первичных данных реализуется на жестком диске компьютера. Одновременно данные поступают в локальную сеть радиотелескопа РАТАН-600, откуда по сети Интернет – на сайты и для обработки и последующего предоставления заинтересованным пользователям.

Данные наблюдений

Увеличение числа каналов (вследствие увеличения спектрального диапазона и разрешения), а также временного перекрытия и частоты регистрации ведет к непрерывному увеличению объема наблюда- тельных данных. В настоящее время количество отдельных одномерных изображений, получаемых в течение дня при стандартных многоазимутальных наблюдениях, достигает 13664. Такой объем данных невозможно вручную поканально обработать, поэтому актуальна задача автоматизации всех этапов работы – сбора, передачи, занесения в базу данных, контроля качества, хранения, первичной обработки, моделирования и представления данных. Для этих целей создана и развивается единая информационная система наблюдений Солнца на РАТАН-600 на основе выделенного сервера с использованием технологий Linux/Apache/Oracle/ Perl, PHP, ION.

На выходе системы регистрации создаются дан ные в формате RAW, которые преобразуются в FITS- формат и после завершения каждого отдельно го наблюдения автоматически переносятся по сети Интернет на специализированный сервер в Санкт - Петербурге . Полученные данные на сервере СПбФ САО РАН автоматически заносятся в базу данных и подвергаются первичной обработке , включающей в себя следующие операции :

• 1)    отфильтровка неработающих или сбойных каналов ;

• 2)    удаление записей ГШ на скане ;

• 3)    вычитание уровня неба ;

• 4)    преобразование параметров Стокса R&L в I&V;

• 5)    корректировка положения центра Солнца на скане ;

• 6)    калибровка по спокойному Солнцу .

Обработанные таким образом данные образуют архив второго уровня и доступны в формате FITS для скачивания через веб - интерфейс либо через по иск в базе данных . На сайте через пользовательский веб - интерфейс можно при желании выполнить дальнейшие операции с данными , а именно :

• 1)    вычитание уровня спокойного Солнца ;

• 2)    вычитание соседних частот ( для выявления изменений по спектру );

• 3)    гаусс - анализ ( нахождение локальных источ ников и вписывание гауссиан с целью определения параметров источников );

• 4)    построение спектров различных наблюдаемых параметров ( размер , положение , поток , антенная тем пература , яркостная температура ) источников ;

• 5)    построение графиков временных рядов ( в азимутах в течение дня ) антенной температуры вы бранного источника ;

• 6)    фурье - и вейвлет - анализ полученных данных ( спектров , временных рядов );

• 7)    наложение сканов на двумерные изображения в других диапазонах (SOHO MDI, SSRT, NoRH, и др .) и т . п .

На рис . 3 приведены примеры графического представления данных ( многоволновых сканов ) на сервере в виде трехмерных изображений .

На рис . 4 приведены примеры сопоставления данных РАТАН -600 с данными других обсервато рий – SOHO MDI и ССРТ .

При автоматической обработке данных осуществляется оперативный контроль качества данных. По за- а

SUN 2010/09/19, 13:07:29.620, az+00, 71/112

б

SUN 2010/09/19, 13:07:29.620, az+00, 71/112

Рис . 3. Примеры представления исходных данных многоволновых наблюдений РАТАН -600 в виде трехмер ных изображений . По оси абцисс отложено расстояние от центра Солнца . По оси ординат – частота : сканы в интен сивности ( а , б ), в поляризации ( в ), сканы после вычитания уровня спокойного Солнца ( г ).

Рис . 4 . Наложение скана РАТАН -600 на волне 3 см на магнитограмму SOHO MDI ( а ) и карту интенсивности ССРТ ( б ).

данным критериям определяется качество наблюде ния в целом и в каждом отдельном канале – наличие на одномерном изображении адекватной записи Солнца , соотношение сигнал / шум в каждом канале , отклонение параметров кривой от среднего и меди анного значений , наличие зашкалов и т . д . По ре зультатам анализа данных производится рассылка алертов наблюдателям , инженерам , обеспечиваю щим работу приемной аппаратуры и комплекса ре гистрации , с информацией о неисправных каналах , а также в случае отсутствия наблюдений по каким - либо причинам . В дальнейшем на этом этапе плани руется анализ спектров и рассылка писем в случае об наружения в спектрах поляризации характерных не - монотонностей , свидетельствующих о предвспышеч - ной ситуации в активной области . Для этих целей раз рабатывается программное обеспечение для автомати ческого распознавания заданных особенностей на спектральных кривых . В базе данных предусмотрены таблицы для хранения информации о спектрах интен сивности и поляризации и вычисленных физических параметрах активных областей . Определение парамет ров в общем случае должно быть основано на модели ровании радиоизлучения локальных источников . Со ответствующие программы представлены на веб сервере наряду с веб - интерфейсами для анализа данных , их разнообразного графического представ ления и поиска в базе данных .

Выводы

Программно - аппаратный комплекс обеспечения наблюдений Солнца на РАТАН -600 в настоящее время включает в себя c пектрально - поляризацион - ный комплекс приемной аппаратуры диапазона 0.75–18 ГГц , систему многоканальной регистрации и информационную систему для сбора , передачи , хранения , обработки и представления данных в сети Интернет .

При реализации приемного комплекса были ис пользованы новые идеи в радиометрии , применена новая элементная база и реализованы современные технологии конструирования , такие как :

• 1)    применение широкодиапазонных рупоров для RH- и LH- поляризаций ;

• 2)    параллельный анализ спектра с однопроцент ным частотным разрешением ;

• 3)    высокоскоростная многоканальная регистра ция с сигнальным процессором и PLD- приборами . Точная привязка каналов осуществляется с помо щью ЦАП - аттенюаторов ;

• 4)    полная автоматизация наблюдательного про цесса в широком динамическом диапазоне ;

• 5)    применение непрерывной калибровки для обеспечения высокой стабильности всего усили тельного тракта .

Достигнутые на данный момент результаты в развитии многооктавного спектрального программ но - аппаратного комплекса регистрации и исследо вания предвспышечной плазмы позволяют рассчи тывать на дальнейшие шаги в создании интеллекту альной системы , вплоть до автоматизированного прогноза солнечной активности и выдачи рекомен даций на основе анализа солнечных наблюдений приемного комплекса высокого разрешения радио телескопа РАТАН -600.