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槎山站米波段太阳射电多通道数学接收机：研制、技术与科学应用

一、引言

1.1研究背景与意义

太阳，作为地球的能量之源，其活动深刻影响着地球的空间环境和人类的生产生活。太阳爆发，如耀斑、日冕物质抛射（CME）等，是太阳系中规模最大、最剧烈的能量释放现象。这些爆发不仅加速产生大量高能带电粒子，还会引起从射电到伽马射线的几乎全电磁频段辐射急剧增强，是日地空间环境扰动及空间天气灾害事件的源头所在。

在对太阳爆发的研究中，米波太阳射电观测占据着举足轻重的地位，是探测日冕物质抛射、日冕激波以及高能电子加速的重要地基手段。米波段II型太阳射电暴是CME激波的最佳示踪器，通过对其观测和研究，能够推演日冕激波的传播速度与高能电子等信息，对于太阳和空间物理学研究及空间天气学应用具有重要意义。III型射电暴则是日冕和行星际空间非热高能粒子流的示踪，有助于深入了解高能粒子流的产生、传播和演变过程。

目前，世界上处于工作状态的米波射电频谱观测设备，如澳大利亚Learmonth、瑞士Phoenix-3、日本Yamagawa，以及国内云南天文台的低频太阳射电频谱仪等，大多建设于上世纪末及本世纪前十年。受限于当时的电子器件性能，这些设备无法同时兼顾高时间和高频率分辨率等主要性能。在监测太阳爆发精细结构，如尖峰暴、斑马纹等结构时，往往难以获得理想的结构信息。

为了获取更高分辨率的自主观测数据，满足对太阳爆发精细结构研究的需求，研制高性能的米波段太阳射电探测仪器迫在眉睫。槎山站米波段太阳射电多通道数学接收机的研制，正是在这样的背景下展开。该接收机的成功研制，能够获取太阳爆发精细结构的参数信息，为研究耀斑/CME过程中的能量释放和粒子加速等物理过程提供关键数据支持，对于推动太阳物理学和空间天气学的发展具有重要的科学意义和应用价值。

1.2国内外研究现状

米波太阳射电观测在太阳物理研究中占据着不可或缺的地位，其能够探测到日冕物质抛射、日冕激波以及高能电子加速等重要现象，为研究太阳爆发过程提供关键数据。多年来，国内外科研人员围绕米波射电频谱观测设备展开了大量研究，取得了一系列成果，但也面临着诸多挑战。

在国外，澳大利亚的Learmonth太阳射电天文台拥有一套米波射电频谱观测设备。该设备在过去的太阳射电研究中发挥了重要作用，为科研人员提供了许多关于太阳爆发的基础数据。其能够对太阳射电信号进行长期监测，记录太阳射电暴的发生和演变过程。然而，由于建设时间较早，受当时技术条件限制，它在时间分辨率上存在不足，对于一些快速变化的太阳射电现象，如太阳射电尖峰暴，无法精确捕捉其细节信息。在频率分辨率方面，也难以满足对太阳射电频谱精细结构研究的需求，对于一些复杂的频谱特征，如斑马纹结构，难以清晰分辨其频率分布。

瑞士的Phoenix-3太阳射电观测系统同样是米波射电观测领域的重要设备。它在太阳射电监测方面有着丰富的观测经验，积累了大量的观测数据。不过，该设备在性能上也存在一定局限。在面对太阳爆发时产生的高强度射电信号时，其动态范围有限，容易出现信号饱和的情况，导致部分信号信息丢失。而且，其在高时间分辨率和高频率分辨率的兼顾上存在困难，无法同时满足对太阳爆发精细结构多方面观测的要求。

日本的Yamagawa太阳射电天文台的观测设备在米波射电观测领域也具有一定影响力。它能够对米波频段的太阳射电信号进行较为全面的监测，为日本及国际上的太阳物理研究提供了重要的数据支持。然而，该设备在时间分辨率和频率分辨率上同样难以达到现代太阳物理研究的高要求。在观测太阳射电暴的精细结构时，常常无法提供足够清晰的频谱和时间变化信息，限制了对太阳爆发物理过程的深入研究。

在国内，云南天文台的低频太阳射电频谱仪是我国重要的米波太阳射电观测设备之一。该设备在我国太阳物理研究中发挥了关键作用，为我国科研人员提供了自主观测的太阳射电数据。它在系统设计和性能上具有一定的优势，例如在天线设计和信号接收方面进行了优化，提高了对太阳射电信号的接收灵敏度。但同样由于建设时期技术水平的限制，在时间和频率分辨率等方面存在不足。在观测太阳爆发的精细结构时，难以获取高精度的时间和频率信息，无法满足当前对太阳爆发精细结构研究的迫切需求。

随着太阳物理研究的不断深入，对米波射电频谱观测设备的性能要求越来越高。现代研究需要设备能够同时具备高时间分辨率和高频率分辨率，以捕捉太阳爆发过程中各种精细结构的变化。例如，在研究太阳射电尖峰暴时，需要极高的时间分辨率来记录其瞬间的能量释放过程；在研究斑马纹结构时，需要高频率分辨率来解析其复杂的频率模式。然而，现有的国内外米波射电频谱观测设备，由于大多建设于上世纪末及本世纪前十年，受当时电子器件性能、信号处理技术等因素的制约，无法同时兼顾这些高要求的性能指标