王 威，顏毅華，陳志軍

(中國科學院太陽活動重點實驗室(國家天文臺)，北京 100012)

1 中國頻譜日像儀簡介

中國頻譜日像儀設(shè)計頻率范圍為0.4～15 GHz，由于前端系統(tǒng)在此帶寬內(nèi)很難實現(xiàn)，故采用高頻(2～15 GHz)、低頻(0.4～2 GHz)分開的接收方案。即分別用40面4.5 m、60面2.4 m拋物面天線分別接收低高頻信號，再進入不同的接收機實現(xiàn)。

低高頻陣對應(yīng)的性能參數(shù)如表1。

表1 CSRH性能參數(shù)

2 優(yōu)化標準及性能參數(shù)

由綜合孔徑原理可知，干涉儀輸出的復可見度函數(shù)與真實射電輻射源成傅里葉變換關(guān)系。反之，所觀測到的圖像是由復可見度函數(shù)的傅里葉反變換所得到?？梢?，復可見度函數(shù)在UV平面上的分布情況對圖像質(zhì)量有重要影響[1]。

天線的位置決定了UV平面上可見度函數(shù)的分布。所以，天線陣的優(yōu)化設(shè)計也就是UV平面上復可見度函數(shù)點分布的優(yōu)化。復可見度函數(shù)點也就是UV點的分布直接決定了臟束的副瓣分布、副瓣大小、波瓣寬度等重要參數(shù)。所以說，天線陣的優(yōu)化設(shè)計對系統(tǒng)成圖質(zhì)量有重要的影響。

根據(jù)觀測源特性, 一般來說陣列設(shè)計需要考慮：天線數(shù)目、口徑、分辨率和視場、不遮擋觀測時間、不混疊的成像范圍、工程實現(xiàn)等方面。不同于宇宙源觀測，太陽射電望遠鏡陣列設(shè)計需要充分考慮太陽展源特性，其次UV平面覆蓋的均勻性、臟束的旁瓣較小且均勻、適合地址拓撲結(jié)構(gòu)限制、工程易實施等方面也需要詳細考慮。

從以下4個方面作為判決依據(jù)比較幾種不同的天線陣型。

(1)UV平面特性

Boone在2001年提出的壓力算法中把UV點高斯型分布定義為理想的UV覆蓋，他認為這樣的UV覆蓋有利于得到更好的圖像[2]。從太陽輻射的展源特性及圖像后期處理算法考慮，相對均勻的UV覆蓋會使?jié)嵒蟮膱D像更好些，希望UV分布在徑向和軸向都分布均勻且圓對稱。

(2)波束特性

由于UV分布和波束之間存在傅里葉變換關(guān)系，UV覆蓋也就間接決定了波束的分布情況。Kogan在1998年提出的天線陣優(yōu)化算法以波束的最大旁瓣最小為目標，但沒有考慮其他參數(shù)，有時其他因素對成像質(zhì)量同樣具有很大的影響[3-4]。波束主瓣的半功率波瓣寬度、形狀，旁瓣的最大、最小值，旁瓣的均方根誤差(RMS)和旁瓣的分布情況都是衡量波束特性的重要指標。

(3)成圖質(zhì)量

天線陣優(yōu)化的最終目的是為了得到更好的觀測圖像。但由于觀測目標的復雜性和多樣性，使得優(yōu)化不能僅僅以某一單一的輻射源模型為依據(jù)?？紤]了幾種不同的輻射源模型比較最后的成圖質(zhì)量，為了便于結(jié)果的比較，選取相同的圖像處理參數(shù)，例如選取相同的natural weighting, Taper, CLEAN算法和最大熵算法的判停依據(jù)等。

(4)具體工程實施性

CSRH的站址在內(nèi)蒙古的正鑲白旗，地形及選址工作詳見本刊陳志軍等“CSRH選址工作進展”。天線陣的排列決定了信號線長度、土建施工、征地等具體工程問題。所以，在優(yōu)化工程中也應(yīng)該對工程實施性難度進行考慮。

3 CSRH陣列的選擇

綜合孔徑成像干涉儀陣列主要有“十”、“T”、“Y”、螺旋和不規(guī)則型幾種排列方式?，F(xiàn)在存在的大型二維干涉儀天線的排列主要為“十”、“T”、“Y”等三種。最近的研究表明，螺旋型排列和不規(guī)則性天線陣有可能得到更好的觀測結(jié)果。其中不規(guī)則排列天線排列位置基于Boone在2001年提出的壓力算法[4]。

Conway曾在1998年提出了干涉儀對數(shù)螺旋陣方案，對數(shù)螺旋陣與其它排列形式相比具有如下一些優(yōu)點[5]：

(1)UV覆蓋近似圓對稱；

(2)具有自相似性，可以靈活地選擇子陣工作模式；

(3)易于最高分辨率的實現(xiàn)；

(4)較低且均勻的波束旁瓣。

CSRH低頻天線陣中每個旋臂中第n個天線位置的極坐標(rn,φn)由下式得到：

式中，N為單臂天線數(shù)目，N=14；rmin為最短徑向距離，rmin=8 m；rmax為最長徑向距離，rmax=1 700 m；Φ為旋轉(zhuǎn)角度，考慮UV覆蓋的均勻性，選取Φ=2.6π。

下面以螺旋陣和‘Y’型陣為例，分別從UV分布特性、波束特性、圖象處理質(zhì)量等幾個方面進行性能評價。其中，螺旋陣的排列根據(jù)(2)式得到，“Y”型陣的每個天線到中心位置的距離由(2)式中rn的計算方法得到，每個臂分別相差12°。文中模擬觀測頻率為2 GHz。

圖1 兩種排列方式天線分布圖 (左為螺旋型，右為“Y”型，下同)

Fig.1 Antenna distribution of two configurations (The spiral shape is shown in the left-hand panel, and the Y shape is in the right-hand)

圖2 兩種排列方式的UV覆蓋

Fig.2 UV coverage of the two configurations (as in Fig.1)

由圖2可以看出，Y字天線排列的UV覆蓋點密集分布在Y字及倒Y字的6個方向上，呈水晶分布；對數(shù)螺旋排列的UV覆蓋中心對稱，在徑向和軸向分布都相對更均勻，沒有明顯的UV點密集區(qū)。

圖4給出了兩種不同的天線排列對相同的模擬源觀測到的圖象經(jīng)過最大熵方法(Maximum-Entropy Method, MEM)處理的結(jié)果。模擬源模型是中心一個強度為高斯形分布的展源，左側(cè)有兩個相同強度的輻射源，上角(-150"， 150")處為一點源，下角(-150"， -150")為一橢圓形狀的展源，與中心源輻射強度相差15 dB。從圖像的處理結(jié)果可以看出，左側(cè)圖像的噪聲較小且分布均勻，可以清晰地分辨3個輻射源，得到了較好的觀測結(jié)果。

圖3 兩種陣型的臟束

Fig.3 Dirty beams of the two configurations (as in Fig.1)

表2 兩種排列方式波束參數(shù)

注：圖像靈敏度與觀測源模型的流量密度、系統(tǒng)溫度等參數(shù)有關(guān)。

圖4 潔化后的圖像

Fig.4 Cleaned maps of the two configurations (as in Fig.1)

4 結(jié) 論

以在UV平面、波束特性、潔化圖像的一些性能參數(shù)作為優(yōu)化目標，分析了幾種不同的天線陣排列方式，并進一步對各個陣的參數(shù)進行了調(diào)節(jié)，最終認為螺旋陣的排列方式可以得到較好的觀測結(jié)果，并在工程上可以實施。

[1] Perley R A, Schwab F R, Bridle A H. Synthesis imaging in radio astronomy[J]. Astronomical Society of the Pacific Conference Series, 1989, 6: 477-500.

[2] Kogan L. Optimization of an array configuration minimizing side lobes[J]. MMA Memo, 1997: 171-176.

[3] Boone F. Interferometric array design: optimizing the locations of the antenna pads[J]. Astronomy and Astrophysics, 2001, 377(1): 368-376.

[4] Boone L. Interferometric array design: distributions of Fourier samples for imaging[J]. Astronomy and Astrophysics, 2002, 386(3): 1160-1171.

[5] Conway J. Self-Similar spiral geometries for the LSA/MMA[J]. MMA Memo, 1998: 216-219.

[6] 王威, 顏毅華, 張堅, 等. CSRH陣列設(shè)計研究及饋源設(shè)計的初步考慮[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊, 2006, 3(2): 128-134.

Wang Wei, Yan Yihua, Zhang Jian, et al. Array configuration and feed design for CSRH[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2006, 3(2): 128-134.