作者：吳季 閻敬業(yè)（均系中國科學院國家空間科學中心研究員）

　　在四川省稻城縣金珠鎮(zhèn)的花海間，藏著一個由數百面白色反射面天線組成的巨大的圓環(huán)形望遠鏡陣列，圓環(huán)的正中心有一個約百米高的鐵塔。這就是正在建設中的國家重大科技基礎設施子午工程二期標志性設備之一——圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡（DSRT）。它被當地居民稱為“千眼天珠”，由中國科學院國家空間科學中心牽頭建設，核心任務是實時監(jiān)測地球空間天氣事件的源頭——太陽。

　　空間天氣預報看太陽

　　太陽是離我們最近的恒星，給地球和人類帶來了光和熱，孕育了地球上的生命。但是它也有“打噴嚏”的時候——會發(fā)生爆發(fā)，強烈的太陽爆發(fā)會釋放出100億顆百萬噸級原子彈的能量。如果爆發(fā)時拋射出來的帶電粒子飛向地球，等離子體團攜帶的巨大能量將對地球的磁場、電離層、高層大氣密度產生嚴重的影響。這些對地球空間環(huán)境產生擾動的事件叫做空間天氣事件，會引起地球空間環(huán)境劇烈響應，而對地面和空間的高技術系統(tǒng)產生較大影響的事件叫做災害性空間天氣事件。

　　古時，人類是不太能感受到空間天氣事件的。空間天氣事件對人類的

　　影響僅限于極光。對于中國人來說，因為我國地理緯度較低，磁緯度更低，基本上看不到極光。即使是在中國最北面的漠河，極光也是小概率事件。但是在中國的史書上也記錄過極光事件。比如《舊唐書》中記載，在公元775年，“十二月丙子夜，東方月上有白氣十余道，如匹帛，貫五車、東井、輿鬼、觜、參、畢、柳、軒轅，三更方后散?！卑讱馐嗟?，如匹帛，只能用極光來解釋。利用現代科學技術研究古樹時發(fā)現，公元775年的碳14顯著增加。太陽爆發(fā)的高能粒子與大氣作用，會產生碳14，隨著水汽循環(huán)進入樹木，因此也許就是那一次極為強烈的空間天氣事件產生了非常明亮的極光，還延伸到了長安所處的中緯度地區(qū)?？臻g天氣領域著名的卡靈頓事件在中國古籍中也有記載，《欒城縣志》祥異卷有“己未九年春三月壬辰，天狗過境，左旋入于東北，聲如雷。秋八月癸卯夜，赤氣起于西北，亙于東北，平明始滅?！毕特S己未年即1859年，秋八月癸卯夜即9月1日晚，此時是英國早上，時間上一致。這次事件看到了“赤氣”，這應該是高能粒子與氧原子相互作用激發(fā)的紅光。

　　隨著科學技術的發(fā)展，空間天氣事件對人類社會的影響就非常嚴重了，比如會導致天上的衛(wèi)星出故障，電離層擾動會影響衛(wèi)星導航定位的精度，磁場的變化會在地面電網、高鐵等大環(huán)路導體中產生超強的感應電流，帶來線路故障等。2022年2月，一次量級不高的地磁暴導致了高層大氣密度增加，使美國空間探索公司（SpaceX）的一批“星鏈”衛(wèi)星很快墜毀，其直接原因就是對空間天氣的認識不到位，未能預報高層大氣軌道密度變化。

　　如果我們不重視對空間天氣事件的研究、預報和應對，一旦遇到這樣非常極端的空間天氣事件，人類社會的高技術設施可能會受到嚴重破壞，我們現在密切依賴于衛(wèi)星的生活方式，可能也會遭到嚴重影響。而這些高技術系統(tǒng)的重建和恢復需要很長時間，要耗費大量的人力、物力、財力。

　　DSRT補上空間天氣預報的短板

　　我們已經知道，空間天氣的源頭在太陽。但人類對太陽的磁場、耀斑和日冕物質拋射機理的認識還不是很清晰——日冕物質拋射會不會到達地球？如何影響地球空間天氣？這些問題都需要深入研究。缺乏足夠的觀測數據成為研究和預報的最大掣肘，因此，當前空間天氣的預報也不太準確。

　　人類對太陽的觀測歷史悠久，手段也比較豐富。不但有衛(wèi)星上的高能X射線、紫外和可見光觀測手段，也有地面上的可見光、紅外以及毫米波和射電望遠鏡。但是低頻段的觀測能力卻有缺失，比如150-450MHz頻段只有法國在20世紀80年代建設的一個望遠鏡能夠觀測，其靈敏度和分辨率都遠不能滿足需求。此外，由于地球在旋轉，這臺射電望遠鏡并不能連續(xù)觀測太陽，無法滿足觀測時區(qū)覆蓋的要求。

　　圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡（DSRT）補齊了這一短板。它可以觀測太陽耀斑和日冕物質拋射過程產生的射電輻射，通過射電圖像序列合成連續(xù)的視頻，監(jiān)測太陽噴發(fā)出來的這些物質的形成和演化，研究太陽爆發(fā)過程和機理，判斷日冕物質拋射的速度和方向，這樣就可以幫助科學家研究太陽爆發(fā)的規(guī)律和機制，分析日冕物質是否以及何時到達地球，預測是否會產生空間天氣事件。

　　這個波段之所以重要，是因為日冕物質從太陽大氣拋射進入行星際的過程中，激波驅動的射電輻射就在這個波段。在這個波段能夠監(jiān)測到距離太陽表面幾個太陽半徑的高日冕中發(fā)生的射電輻射，也是這個階段決定了日冕物質拋射進入行星際的形態(tài)、結構和運動方向。因此，監(jiān)測這個拋射的過程非常重要，可以為判斷其行星際傳播提供重要的初始條件，進而預測日冕物質是拋向地球方向，還是其他方向。

　　精巧的設計讓太陽射電觀測技術換代升級

　　射電望遠鏡的天線越大，空間分辨率越高。但是天線的大小不能光看物理尺寸，還要看電尺寸，也就是物理尺寸和觀測波長之比。比如一個天線的物理孔徑是10米，如果工作在10GHz，也就是0.03米的波長，它的電尺寸就是333.3個波長，所以是一個電尺寸很大的天線。但是，如果同樣孔徑的天線，工作在100MHz，波長為3米，它的電尺寸就是3.3個波長，是一個電尺寸較小的天線。地球距離太陽1.5億公里遠，從地球觀測整個太陽的張角也只有32角分，比0.5度大一點，產生強烈太陽爆發(fā)的活動區(qū)尺寸約為20萬公里，而太陽的直徑是140萬公里，如果想識別獨立太陽活動區(qū)的爆發(fā)活動，需要至少獲得全日面20×20個像素的圖像，也就是大約1.6角分的空間分辨率。相比光學望遠鏡，這個分辨率要低得多，但對于射電望遠鏡，就需要電尺寸很大的孔徑，根據波長計算，物理孔徑就需要達到2公里。

　　DSRT天線陣的直徑雖然只有1公里，但因為采用了綜合孔徑的成像方法，理論上可以將電尺寸加倍，天線的空間分辨率也提高一倍。什么是綜合孔徑呢？中國的FAST是世界上最大的單孔徑射電望遠鏡，巨大的接收面積使其靈敏度遠遠超過其他射電望遠鏡。如果用FAST做成像觀測，需要用特殊的主動反射面控制技術做漂移掃描，把感興趣的天區(qū)掃一遍。但太陽射電活動十分復雜，逐點掃描不能同時獲得全日面的射電信息。此外，做一個2公里的單孔徑望遠鏡既不現實，也不必要。這就要采用綜合孔徑的成像方法——把一個巨大的鏡頭分解成很多小的孔徑，每個小孔徑都同步接收外界的信號，然后再把所有小孔徑接收的信號加在一起，就等效為一個大孔徑天線。太陽的輻射強度非常高，并不需要很高的觀測靈敏度，滿陣的“性價比”就不高了——可以拿掉很多小孔徑，再通過一系列復雜的信號干涉處理來成像，仍然可實現大孔徑的角度分辨率。拿掉很多小孔徑的操作就叫稀疏化，利用稀疏化的小孔徑成像的過程就叫綜合孔徑。例如，DSRT就拿掉了98.9%的小孔徑，極大地降低了建設成本和工作量。綜合孔徑技術不但簡化了系統(tǒng)，還能像照相機一樣，按一下快門，就可以給整個視場拍個照，不再需要逐點掃描，這就解決了大視場同時監(jiān)測的問題。

　　數學上，用天線陣列接收信號，然后通過信號處理來成像，就等效于用一個凸透鏡來成像，本質上都是做了傅里葉變換。而無論是太陽還是其他真實世界的輻射源，它們的輻射能量都是實數，傅里葉變換有一個性質：實函數的傅里葉變換的幅度譜是偶函數，相位譜是奇函數。這就意味著我們只需要用一半干涉基線進行測量，對這些干涉測量值做個共軛處理，就可以得到另一半干涉基線的測量值，最終獲取了完整的傅里葉變換數據。這就是DSRT用1公里的物理孔徑就實現2公里孔徑的角度分辨率的奧秘。

　　DSRT天線陣之所以采用圓環(huán)陣列構型，也是由綜合孔徑的具體實現方法——相關處理和圖像反演決定的。

　　其一，是通過每對小天線相關處理，以獲取完整的傅里葉分量的要求。相關處理時，把圓環(huán)上的每一個小天線與所有其他小天線分別配對，并將每一對小天線的接收信號相乘，然后累加一定的時間（相當于照相機的快門）來提高靈敏度。每一對小天線的間距矢量稱為干涉基線，每條干涉基線的測量值就是這條基線的測量可見度。要想很好成像，干涉基線的分布就需要密集而均勻，圓環(huán)形陣列的干涉基線就是相當密集和均勻的。

　　其二，是圖像反演的要求。受到天線、接收機和各種連接器和線纜加工精度的限制，小天線的幅度和相位一致性無法做得很好。特別是像DSRT這種空間尺度很大的陣列，望遠鏡硬件系統(tǒng)的一致性和穩(wěn)定性通常都無法滿足綜合孔徑成像的要求。直接用這樣的望遠鏡拍照，就像用磨砂玻璃鏡頭去拍照，會導致圖像模糊，甚至根本無法成像。這就需要用到綜合孔徑望遠鏡特有的單元一致性定標技術。國際上的其他望遠鏡都需要通過觀測一個位置和亮度已知的天文源，來修正望遠鏡系統(tǒng)自身的誤差。問題是，滿足要求的天文源不是很多，對于大視場的低頻望遠鏡來講，更難找到這樣的定標源。而且，這種用天文源定標的方法還會浪費寶貴的觀測時間。DSRT基于特殊的圓環(huán)構型，在圓心建設了受控發(fā)射定標信號的定標塔，每個小天線都能無遮擋地接收定標信號，相當于有一個隨時可用、自主可控的定標源。通過特殊設計定標流程和算法，可以把“鏡頭”磨得亮亮的，實現精確的成像處理。

　　國際上，采用這種技術專門觀測太陽的射電望遠鏡有法國南希天文臺、日本野邊山天文臺、俄羅斯西伯利亞射電天文臺，以及中國國家天文臺在內蒙古明安圖的射電望遠鏡。另外，美國、印度、智利也有主要用于天文觀測、偶爾用于太陽觀測的射電天文臺。它們采用的都是比較傳統(tǒng)的技術，在圖像質量或實時成像能力等方面，都碰到了一些困難。

　　2022年3月，DSRT完成了一套16部天線的試驗系統(tǒng)的搭建，成功地獲取了高質量的太陽射電圖像和頻譜，驗證了總體方案。雖然試驗系統(tǒng)規(guī)模只有法國同頻段系統(tǒng)的1/3，但獲取的太陽射電圖像質量明顯更好。2022年11月13日，建設者們完成了313個天線的系統(tǒng)集成，正式進入聯(lián)調聯(lián)試階段。預計在2023年6月完成系統(tǒng)調試，轉入試運行階段，全面投入科學觀測。而由于DSRT獨有的大視場高質量成像能力，我們也會在太陽落山后，配合射電天文學家開展夜天文觀測，充分發(fā)揮重大科技基礎設施平臺的效能。

　　應該說，DSRT是太陽射電觀測領域的更新?lián)Q代產品，將是世界上同頻段成像質量最高的太陽射電天文臺，將為太陽物理、空間天氣研究和預報提供非常可靠和實時的觀測數據。