作者：吳季 閻敬業(yè)（均系中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員）

　　在四川省稻城縣金珠鎮的花海間，藏著(zhù)一個(gè)由數百面白色反射面天線(xiàn)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(gè)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(yáng)射電成像望遠鏡（DSRT）。它被當地居民稱(chēng)為“千眼天珠”，由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心牽頭建設，核心任務(wù)是實(shí)時(shí)監測地球空間天氣事件的源頭——太陽(yáng)。

　　空間天氣預報看太陽(yáng)

　　太陽(yáng)是離我們最近的恒星，給地球和人類(lèi)帶來(lái)了光和熱，孕育了地球上的生命。但是它也有“打噴嚏”的時(shí)候——會(huì )發(fā)生爆發(fā)，強烈的太陽(yáng)爆發(fā)會(huì )釋放出100億顆百萬(wàn)噸級原子彈的能量。如果爆發(fā)時(shí)拋射出來(lái)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(chǎng)、電離層、高層大氣密度產(chǎn)生嚴重的影響。這些對地球空間環(huán)境產(chǎn)生擾動(dòng)的事件叫做空間天氣事件，會(huì )引起地球空間環(huán)境劇烈響應，而對地面和空間的高技術(shù)系統產(chǎn)生較大影響的事件叫做災害性空間天氣事件。

　　古時(shí)，人類(lèi)是不太能感受到空間天氣事件的。空間天氣事件對人類(lèi)的

　　影響僅限于極光。對于中國人來(lái)說(shuō)，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(shū)上也記錄過(guò)極光事件。比如《舊唐書(shū)》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(chē)、東井、輿鬼、觜、參、畢、柳、軒轅，三更方后散。”白氣十余道，如匹帛，只能用極光來(lái)解釋。利用現代科學(xué)技術(shù)研究古樹(shù)時(shí)發(fā)現，公元775年的碳14顯著(zhù)增加。太陽(yáng)爆發(fā)的高能粒子與大氣作用，會(huì )產(chǎn)生碳14，隨著(zhù)水汽循環(huán)進(jìn)入樹(shù)木，因此也許就是那一次極為強烈的空間天氣事件產(chǎn)生了非常明亮的極光，還延伸到了長(cháng)安所處的中緯度地區。空間天氣領(lǐng)域著(zhù)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(guò)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。”咸豐己未年即1859年，秋八月癸卯夜即9月1日晚，此時(shí)是英國早上，時(shí)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(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空間天氣事件對人類(lèi)社會(huì )的影響就非常嚴重了，比如會(huì )導致天上的衛星出故障，電離層擾動(dòng)會(huì )影響衛星導航定位的精度，磁場(chǎng)的變化會(huì )在地面電網(wǎng)、高鐵等大環(huán)路導體中產(chǎn)生超強的感應電流，帶來(lái)線(xiàn)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(lèi)社會(huì )的高技術(shù)設施可能會(huì )受到嚴重破壞，我們現在密切依賴(lài)于衛星的生活方式，可能也會(huì )遭到嚴重影響。而這些高技術(shù)系統的重建和恢復需要很長(cháng)時(shí)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(jīng)知道，空間天氣的源頭在太陽(yáng)。但人類(lèi)對太陽(yáng)的磁場(chǎng)、耀斑和日冕物質(zhì)拋射機理的認識還不是很清晰——日冕物質(zhì)拋射會(huì )不會(huì )到達地球？如何影響地球空間天氣？這些問(wèn)題都需要深入研究。缺乏足夠的觀(guān)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(lèi)對太陽(yáng)的觀(guān)測歷史悠久，手段也比較豐富。不但有衛星上的高能X射線(xiàn)、紫外和可見(jiàn)光觀(guān)測手段，也有地面上的可見(jiàn)光、紅外以及毫米波和射電望遠鏡。但是低頻段的觀(guān)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(gè)望遠鏡能夠觀(guān)測，其靈敏度和分辨率都遠不能滿(mǎn)足需求。此外，由于地球在旋轉，這臺射電望遠鏡并不能連續觀(guān)測太陽(yáng)，無(wú)法滿(mǎn)足觀(guān)測時(shí)區覆蓋的要求。

　　圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠鏡（DSRT）補齊了這一短板。它可以觀(guān)測太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射過(guò)程產(chǎn)生的射電輻射，通過(guò)射電圖像序列合成連續的視頻，監測太陽(yáng)噴發(fā)出來(lái)的這些物質(zhì)的形成和演化，研究太陽(yáng)爆發(fā)過(guò)程和機理，判斷日冕物質(zhì)拋射的速度和方向，這樣就可以幫助科學(xué)家研究太陽(yáng)爆發(fā)的規律和機制，分析日冕物質(zhì)是否以及何時(shí)到達地球，預測是否會(huì )產(chǎn)生空間天氣事件。

　　這個(gè)波段之所以重要，是因為日冕物質(zhì)從太陽(yáng)大氣拋射進(jìn)入行星際的過(guò)程中，激波驅動(dòng)的射電輻射就在這個(gè)波段。在這個(gè)波段能夠監測到距離太陽(yáng)表面幾個(gè)太陽(yáng)半徑的高日冕中發(fā)生的射電輻射，也是這個(gè)階段決定了日冕物質(zhì)拋射進(jìn)入行星際的形態(tài)、結構和運動(dòng)方向。因此，監測這個(gè)拋射的過(guò)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(jìn)而預測日冕物質(zhì)是拋向地球方向，還是其他方向。

　　精巧的設計讓太陽(yáng)射電觀(guān)測技術(shù)換代升級

　　射電望遠鏡的天線(xiàn)越大，空間分辨率越高。但是天線(xiàn)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(guān)測波長(cháng)之比。比如一個(gè)天線(xiàn)的物理孔徑是10米，如果工作在10GHz，也就是0.03米的波長(cháng)，它的電尺寸就是333.3個(gè)波長(cháng)，所以是一個(gè)電尺寸很大的天線(xiàn)。但是，如果同樣孔徑的天線(xiàn)，工作在100MHz，波長(cháng)為3米，它的電尺寸就是3.3個(gè)波長(cháng)，是一個(gè)電尺寸較小的天線(xiàn)。地球距離太陽(yáng)1.5億公里遠，從地球觀(guān)測整個(gè)太陽(yáng)的張角也只有32角分，比0.5度大一點(diǎn)，產(chǎn)生強烈太陽(yáng)爆發(fā)的活動(dòng)區尺寸約為20萬(wàn)公里，而太陽(yáng)的直徑是140萬(wàn)公里，如果想識別獨立太陽(yáng)活動(dòng)區的爆發(fā)活動(dòng)，需要至少獲得全日面20×20個(gè)像素的圖像，也就是大約1.6角分的空間分辨率。相比光學(xué)望遠鏡，這個(gè)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(cháng)計算，物理孔徑就需要達到2公里。

　　DSRT天線(xiàn)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(xiàn)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(guò)其他射電望遠鏡。如果用FAST做成像觀(guān)測，需要用特殊的主動(dòng)反射面控制技術(shù)做漂移掃描，把感興趣的天區掃一遍。但太陽(yáng)射電活動(dòng)十分復雜，逐點(diǎn)掃描不能同時(shí)獲得全日面的射電信息。此外，做一個(gè)2公里的單孔徑望遠鏡既不現實(shí)，也不必要。這就要采用綜合孔徑的成像方法——把一個(gè)巨大的鏡頭分解成很多小的孔徑，每個(gè)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(gè)大孔徑天線(xiàn)。太陽(yáng)的輻射強度非常高，并不需要很高的觀(guān)測靈敏度，滿(mǎn)陣的“性?xún)r(jià)比”就不高了——可以拿掉很多小孔徑，再通過(guò)一系列復雜的信號干涉處理來(lái)成像，仍然可實(shí)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(guò)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(shù)不但簡(jiǎn)化了系統，還能像照相機一樣，按一下快門(mén)，就可以給整個(gè)視場(chǎng)拍個(gè)照，不再需要逐點(diǎn)掃描，這就解決了大視場(chǎng)同時(shí)監測的問(wèn)題。

　　數學(xué)上，用天線(xiàn)陣列接收信號，然后通過(guò)信號處理來(lái)成像，就等效于用一個(gè)凸透鏡來(lái)成像，本質(zhì)上都是做了傅里葉變換。而無(wú)論是太陽(yáng)還是其他真實(shí)世界的輻射源，它們的輻射能量都是實(shí)數，傅里葉變換有一個(gè)性質(zhì)：實(shí)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(zhù)我們只需要用一半干涉基線(xiàn)進(jìn)行測量，對這些干涉測量值做個(gè)共軛處理，就可以得到另一半干涉基線(xiàn)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(shí)現2公里孔徑的角度分辨率的奧秘。

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

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

　　其二，是圖像反演的要求。受到天線(xiàn)、接收機和各種連接器和線(xiàn)纜加工精度的限制，小天線(xiàn)的幅度和相位一致性無(wú)法做得很好。特別是像DSRT這種空間尺度很大的陣列，望遠鏡硬件系統的一致性和穩定性通常都無(wú)法滿(mǎn)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(huì )導致圖像模糊，甚至根本無(wú)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(shù)。國際上的其他望遠鏡都需要通過(guò)觀(guān)測一個(gè)位置和亮度已知的天文源，來(lái)修正望遠鏡系統自身的誤差。問(wèn)題是，滿(mǎn)足要求的天文源不是很多，對于大視場(chǎng)的低頻望遠鏡來(lái)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(huì )浪費寶貴的觀(guān)測時(shí)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(gè)小天線(xiàn)都能無(wú)遮擋地接收定標信號，相當于有一個(gè)隨時(shí)可用、自主可控的定標源。通過(guò)特殊設計定標流程和算法，可以把“鏡頭”磨得亮亮的，實(shí)現精確的成像處理。

　　國際上，采用這種技術(shù)專(zhuān)門(mén)觀(guān)測太陽(yáng)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(guān)測、偶爾用于太陽(yáng)觀(guān)測的射電天文臺。它們采用的都是比較傳統的技術(shù)，在圖像質(zhì)量或實(shí)時(shí)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(xiàn)的試驗系統的搭建，成功地獲取了高質(zhì)量的太陽(yáng)射電圖像和頻譜，驗證了總體方案。雖然試驗系統規模只有法國同頻段系統的1/3，但獲取的太陽(yáng)射電圖像質(zhì)量明顯更好。2022年11月13日，建設者們完成了313個(gè)天線(xiàn)的系統集成，正式進(jìn)入聯(lián)調聯(lián)試階段。預計在2023年6月完成系統調試，轉入試運行階段，全面投入科學(xué)觀(guān)測。而由于DSRT獨有的大視場(chǎng)高質(zhì)量成像能力，我們也會(huì )在太陽(yáng)落山后，配合射電天文學(xué)家開(kāi)展夜天文觀(guān)測，充分發(fā)揮重大科技基礎設施平臺的效能。

　　應該說(shuō)，DSRT是太陽(yáng)射電觀(guān)測領(lǐng)域的更新?lián)Q代產(chǎn)品，將是世界上同頻段成像質(zhì)量最高的太陽(yáng)射電天文臺，將為太陽(yáng)物理、空間天氣研究和預報提供非常可靠和實(shí)時(shí)的觀(guān)測數據。