如何三维立体探测太阳？

　　常言道“万物生长靠太阳”，可以说，地球上的一切能源都是直接或间接的来源于太阳。人类的进步离不开太阳，太阳造福着人类，而太阳的剧烈活动也可能给人类带来灾难，对航天器、导航、通信、长距离电力输送等都有严重的影响。

　　太阳活动最主要的表现为耀斑和日冕物质抛射，本质为太阳磁场变化而引起的能量释放、物质团迅速运动、高能粒子发射和相应的辐射增强。为了能够很好的理解太阳辐射，为空间活动提供预报预警，就需要对太阳进行三维探测。

　　射电爆发是这些太阳剧烈活动的即时反应，能够无缝隙地提供太阳扰动在整个日地范围内信息。因此在无线电波段进行射电观测是研究太阳活动及其对日地空间环境影响的一个十分重要的手段。

图1. 不同观测频率对应的太阳空间分布（图源：颜毅华）

　　太阳及其喷射出的物质，填充了整个太阳系，涵盖了从太阳表面到地球附近，甚至整个太阳系空间。上图表明了在不同观测频率下观测到太阳的不同部分。在不同频率下相当于观测到了太阳不同的层次，类似于去剥一个“洋葱”，频率越低，观测的层次约靠外，频率越高，约接近太阳表面，直到可见光波段，看到太阳光球层，也就是大家肉眼可见的太阳。为了能够在三维上对太阳进行解析，构建数字化太阳，就必须在射电波段进行探测。

　　在从日心向外的方向上，可以利用不同的射电频率观测，综合其不同的层次得到完成的太阳数据。在日地连线的方向上，需要采用干涉成像的方法来得到两维的射电图像。一般的射电望远镜的空间分辨率可以近似表述为：1.22λ/D，其中λ为观测波长，D为望远镜口径。因为射电波段的波长远远大于光学波段，单一的大口径天线也无法得到较好的空间分辨。

　　因此，一般会采用综合孔径成像的方法来实现，通过测量太阳信号到达各个天线的相位差来反求太阳亮度分布，专门对太阳观测的射电干涉阵列也称之为“射电日像仪”。关于太阳射电探测技术的内容可见《太阳射电天文学的观测技术》（陈林杰），《太阳射电成像的数字相关器》（刘飞）。

　　与其它的射电源不同，太阳辐射具有一些独特之处，使得射电日像仪系统有着独特的设计要求。

　　信号的快变性，信号的变化时标最快可达毫秒级。要求成像观测只能工作在快照模式，无法通过长时间积分提高信噪比；还要求同时多频率通道探测，实现类似于“CT”般的成像观测。

　　展源特性，太阳大概是个32角分的面源，根据单口径天线视场公式，为了罩住全日面，天线口径不能太大。例如日本野边山日像仪的口径仅为80cm。

　　信号的大动态性。不同频率下，太阳的信号动态范围很大，例如在厘米分米波段，要求接收系统的动态范围大于30dB。

　　中科院国家天文台在明安图观测基地建立的明安图射电频日像仪（MUSER），就是可以实现太阳三维立体探测的一个射电成像望远镜，具备快速多通道对太阳的二维成像观测能力。

图2. 明安图射电频谱日像仪（MUSER）（图源：颜毅华 摄）

　　由射电日像仪获得太阳观测二维图像后，对这些不同频率的分层图像进行处理与三维（3D）重构，对二维图像中的特征点搜索，直观展现太阳不同高度层，给出有效的科学数据展现办法，实现太阳三维立体空间展示。

图3. MUSER多通道观测的太阳爆发（图源：Chen, Yan, Tan, et al.ApJ, 2019）

　　作者简介：王威，中国科学院国家天文台高级工程，明安图观测基地站长，主要研究方向为射电望远镜校准方法，射电天文数据处理和图像处理方法等。

　　文稿编辑：赵宇豪、柒柒