太阳射电天文学的观测技术( 二 )

图4.射电成像的技术手段，扫描方式（左），多波束方式（中），综合孔径方式（右）（图源：郑兴武，射电望远镜天线）
利用单个射电望远镜单馈源即可以实现扫描方式的射电成像，这种方式实现简单，但时间分辨率很低，空间分辨率受限于单个望远镜的口径。即是像FAST这样大口径的望远镜，在最高工作频率3GHz处通过扫描方式对太阳成像的空间分辨率约1.5角分，整个太阳也仅有约400个像素。
更为重要的是大口径望远镜观测太阳时还需要解决散热问题，要不然望远镜就会变成一个“太阳灶” 。在毫米-亚毫米波段，由于波长很短，利用扫描方式仍然可以获得不错的太阳射电图像。图5为ALMA望远镜的太阳扫描成像，在约2分钟内可以获取一幅全日面图像。对于宁静太阳的研究，这样的时间分辨率是可以接收的。

图5.智利阿卡塔玛毫米-亚毫米波望远镜ALMA的扫描成像，右图为望远镜扫描路径（图源：https://www.almaobservatory.org/）
多波束成像则利用单个抛物面望远镜焦点处的相控阵馈源（PAF）来实现单次多波束快速成像，实现相对简单。这种方式同样也受限于望远镜口径，空间分辨率不高，且波束数有限。随着数字技术发展，新一代低频射电望远镜多采用数字化方式实现信号的接收和处理，如欧洲低频阵LOFAR、美国的长波阵LWA、澳大利亚的墨其森宽视场阵MWA和平方公里阵SKA等。这种望远镜的优点是可以利用数字波束合成技术实现望远镜的灵活指向，在资源充足的情况下可以一次形成上百个波束来实现快速成像。图6为LOFAR的太阳射电爆发成像。

【太阳射电天文学的观测技术】图6.LOFAR的低频多波束太阳射电成像， LOFAR阵列形成的127个波束（中），太阳的低频射电爆发成像（右）（图源：Kontar,E.P.etal. ， Naturecommunications ， 2017）
综合孔径技术是一种同时具有高空间和高时间分辨率的射电成像技术。专门用于太阳观测的综合孔径射电望远镜也称为射电日像仪。与一般射电源不同，太阳是展源，变源，且信号的动态范围很大，要求射电日像仪具有很好的瞬时成像能力，且图像的动态范围要高，这就对太阳射电日像仪提出了不同的挑战，例如阵型设计、接收链路动态范围设计等。
初期的射电日像仪仅能在单个或少数几个频点实现对太阳快速成像，如日本野边山射电日像仪（NoRH），法国南茜射电日像仪（NRH）以及俄罗斯西伯利亚的射电日像仪（SSRT）。为了实现高频谱分辨率的太阳射电成像，我国研制了明安图射电频谱日像仪（MUSER），于2016年建成并投入使用，可以在~200ms内实现0.4-15GHz频段内584个频率通道的快速射电成像（图7）。
升级后的俄罗斯SSRT和美国E-OVSA也实现了太阳射电频谱成像。此外，国际上许多非太阳专用的大型射电望远镜也可以对太阳进行全日面或是局部的射电成像，如美国甚大阵（VLA），印度巨型米波阵GMRT、澳大利亚的MWA等。
图7.明安图射电频谱日像仪MUSER及其在4.1875GHz的太阳成像结果（图源：Y.Yan,etal.,FrontiersinAstronomyandSpaceSciences,2021）
受到地球大气层透明度的限制，在大部分毫米-亚毫米波以及甚低频（

图8.中国IPS望远镜主站望远镜设计图，由三个140m×40m的抛物柱面构成（图源：中电54所提供）