Solnechno-Zemnaya FizikaSolnechno-Zemnaya FizikaСолнечно-земная физика2712-96402089110.12737/szf-43201804Результаты исследованийResults of current researchРезультаты исследованийFirst results of absolute measurements of solar flux at the Irkutsk Incoherent Scatter Radar (IISR)Первые результаты абсолютных измерений потока солнечного излучения на Иркутском радаре некогерентного рассеяния (ИРНР)СетовАртём ГеннадьевичSetovArtem Gennadyevichartemsetov@gmail.com
Институт солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian Federation433338https://zh-szf.ru/en/nauka/article/20891/view
На Иркутском радаре некогерентного рассеяния (ИРНР) проводятся регулярные пассивные радионаблюдения излучения Солнца и других мощных радиоисточников. В работе описан метод абсолютных измерений спектральной плотности потока мощности солнечного излучения на ИРНР. Под абсолютными измерениями имеется в виду определение плотности потока мощности в физических единицах [Вт·м–2·Гц–1]. Антенна ИРНР представляет собой рупор с частотным сканированием, поэтому наблюдение радиоисточников происходит на разных частотах. К тому же в раскрыве антенны имеется поляризационный фильтр, пропускающий только одну (горизонтальную) поляризацию. Для получения абсолютных значений плотности потока приемный тракт ИРНР калибруется по излучению радиоисточника Лебедь-А. Поскольку положение Солнца в диаграмме направленности ИРНР определяется частотой, отличной от частоты наблюдения Лебедя-А, проводится дополнительная калибровка общей амплитудно-частотой характеристики антенны в рабочем диапазоне 154–162 МГц по фоновому космическому радиоизлучению. Размеры солнечного диска сопоставимы с шириной главного лепестка установки в направлении север—юг, поэтому требуется учитывать форму распределения яркости в рабочем диапазоне частот. Средняя плотность потока мощности излучения спокойного Солнца составила ~5 sfu (solar flux units, 10–22 Вт·м–2·Гц–1) на частоте 161 МГц.
The Irkutsk Incoherent Scatter Radar (IISR) allows us to carry out passive radio observations of the Sun and other powerful radio sources. We describe a method for absolute measurements of spectral flux density of solar radiation at IISR. Absolute measurements are meant to determine the flux density in physical units [W·m–2·Hz–1]. The IISR antenna is a horn with frequency beam steering, therefore radio sources can be observed at different frequencies. Also there is a polarization filter in the antenna aperture, which passes only single (horizontal) polarization. To acquire flux density absolute values, the IISR receiver is calibrated by the Cygnus-A radiation. Since the Sun’s position in the IISR antenna pattern is determined by a frequency differing from the Cygnus-A observation frequency, we perform an additional calibration of the antenna overall frequency response in the 154–162 MHz operation frequency range, using the background sky noise. The solar disk size is comparable with the main beam width in the north—south direction, hence the need to take into account the shape of the brightness distribution in the operation frequency range. The average flux density of the quiet-Sun radiation was ~5 sfu (solar flux units, 10–22 W·m–2·Hz–1) at the 161 MHz frequency.
ВВЕДЕНИЕИркутский радар некогерентного рассеяния (ИРНР) работает в диапазоне 154–162 МГц и ис-пользуется для проведения ионосферных, спутниковых и радиоастрономических наблюдений. Ранее радар был модернизирован — разработана цифровая система приема, позволяющая хранить принятые реализации сигнала в комплексном представлении [Potekhin et al., 2009]. Это дает возможность отложенной обработки квадратур принятых сигналов. Антенна ИРНР представляет собой рупор размерами 246×12 м, разделенный перегородкой на два полурупора с шириной диаграммы направленности (ДН) 0.5°×20°. В антенне установлен поляризационный фильтр, пропускающий только горизонтальную компоненту поляризации падающей волны. Радар обладает частотным принципом сканирования — главный лепесток ДН наклоняется на 30° от вертикального положения в южном направлении при изменении частоты от 154 до 162 МГц. Это позволяет про-водить пассивные наблюдения за Солнцем в летнее время, а также за мощными радиоисточниками (Лебедь-А, Кассиопея, Крабовидная туманность) и фоновым космическим радиоизлучением круглогодично.Ранее на ИРНР проводились измерения принятой мощности в относительных единицах [Васильев и др., 2013], однако научную ценность для сравнения с данными других инструментов представляют абсолютные измерения спектральной плотности потока мощности излучения S [Вт м–2 Гц–1]. Стоит отметить, что часто под абсолютными измерениями понимают измерения, проводимые без регулярной калибровки на радиометрах с известными характеристиками антенно-приемного тракта. В данной работе под абсолютными измерениями понимается определение значений физических параметров после калибровки приемного тракта. Интенсивность и пространственное распределение радиоизлучения Солнца в значительной степени определяются частотой, а низкочастотных установок с большой эффективной площадью мало. Кроме того, во время мощных радиобурь на Солнце интенсивность излучения в низкочастотном диапазоне может возрастать в несколько сотен раз. Абсолютные измерения спектральной плотности потока мощности различными методами имеют длительную историю [Baars, 2014]Однако при разработке алгоритма калибровки радара ИРНР необходимо было учесть ряд особенностей: частотный принцип сканирования, сильную неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) антенной системы и узкую полосу приемного тракта.
Васильев Р.В., Кушнарев Д.С., Кашапова Л.К. и др. Первые результаты радионаблюдений Солнца и мощных дискретных источников на Иркутском радаре // Астрономический журнал. 2013. Т. 90, № 11. С. 948-958. DOI: 10.7868/S0004629913110078.Baars J. History of flux-density calibration in radio astronomy. The Radio Science Bulletin. 2014, no. 348, pp. 47-66. DOI: 10.23919/URSIRSB.2014.7909943.Васильев Р.В., Глоба М.В., Кушнарев Д.С. и др. Модель сигнала дискретного космического радиоисточника для Иркутского радара некогерентного рассеяния // XXV Всероссийская открытая конференция «Распространение радиоволн». Томск, 2016. Т. 3. С. 122-125.de Oliveira-Costa A., Tegmark M., Gaensler B.M., Jonas J., Landecker T.L, Reich P. A model of diffuse galactic radio emission from 10 MHz to 100 GHz. Mon. Not. R. Astron. Soc. 2008, vol. 388. pp. 247-260. DOI: 10.1111/j.1365-2966.2008.13376.x.Лебедев В.П., Медведев А.В., Кушнарев Д.С. Методика калибровки диаграммы направленности Иркутского радара НР // Труды IX конференции молодых ученых «Физические процессы в космосе и околоземной среде». Иркутск, 2006. С. 185-188.Heald G.H., Pizzo R.F., Orru E., Breton R.P., et al. The LOFAR Multifrequency Snapshot Sky Survey (MSSS). I. Survey description and first results. Astronomy & Astrophysics. 2015, vol. 582, pp. A123, 1-22. DOI: 10.1051/0004-6361/201425210.Baars J. History of flux-density calibration in radio astronomy // The Radio Science Bulletin. 2014. N. 348. P. 47-66. DOI: 10.23919/URSIRSB.2014.7909943.Kundu M.R., Gergely T.E., Erickson W.C. Observations of the quiet Sun at meter and decameter wavelengths. Solar Physics. 1977, vol. 53, pp. 489-496. DOI: 10.1007/BF00160291.de Oliveira-Costa A., Tegmark M., Gaensler B.M., et al. A model of diffuse Galactic radio emission from 10 MHz to 100 GHz // Mon. Not. R. Astron. Soc. 2008. V. 388. P. 247-260. DOI: 10.1111/j.1365-2966.2008.13376.x.Lebedev V.P., Medvedev A.V., Kushnarev D.S. Method to calibrate antenna pattern of Irkutsk IS radar. Trudy IX konferentsii molodykh uchenykh «Fizicheskie processy v kosmose i okolozemnoi srede» [Proc. of IX Young Scientists Conference “Physical Processes in Cosmos and Near Earth Space”]. Irkutsk, 2006, pp. 185-188 (in Russian).Heald G.H., Pizzo R.F., Orru E., Breton R.P., et al. The LOFAR Multifrequency Snapshot Sky Survey (MSSS). I. Survey description and first results // Astronomy & Astrophysics. 2015. V. 582. P. A123, 1-22. DOI: 10.1051/0004-6361/201425210.Leblanc Y., le Squeren A.M. Dimensions, temperature and electron density of the quiet corona. Their variations during the solar cycle. Astronomy & Astrophysics. 1969, vol. 1, pp. 239-248.Kundu M.R., Gergely T.E., Erickson W.C. Ob-servations of the quiet Sun at meter and decame-ter wavelengths // Solar Physics. 1977. V. 53. P. 489-496. DOI: 10.1007/BF00160291.Medvedev A.V., Zavorin A.V., Lebedev V.P., Lubyshev B.I., Nosov V.E. Incoherent scatter radar directional pattern using radio astronomical observations. Eighth International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. Proc. SPIE 4678. Irkutsk, 2002. DOI: 10.1117/12.458495.Leblanc Y., le Squeren A.M. Dimensions, temperature and electron density of the quiet corona. Their variations during the solar cycle // Astronomy & Astrophysics. 1969. V. 1. P. 239-248.Potekhin A.P., Medvedev A.V., Zavorin A.V., Kushnarev D.S., Lebedev V.P, Lepetaev V.V., Shpynev B.G. Recording and control digital systems of the Irkutsk Incoherent Scatter Radar. Geomagnetism and Aeronomy. 2009, vol. 49. no. 7, pp. 1011-1021. DOI: 10.1134/S0016793209070299.Medvedev A.V., Zavorin A.V., Lebedev V.P., et al. Incoherent scatter radar directional pattern using radio astronomical observations // Eighth International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. Proc. SPIE 4678. Irkutsk, 2002. DOI: 10.1117/12.458495.Setov A.G., Medvedev A.V., Lebedev V.P., Kushnarev D.S., Alsatkin S.S., Tashlykov V.P. Calibration methods for absolute measurements at the Irkutsk Incoherent Scatter Radar. 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. Proc. SPIE 10466. Irkutsk, 2017. DOI: 10.1117/12.2287328.Potekhin A.P., Medvedev A.V., Zavorin A.V., et al. Recording and control digital systems of the Irkutsk Incoherent Scatter Radar // Geomagnetism and Aeronomy. 2009. V. 49, N. 7. P. 1011-1021. DOI: 10.1134/S0016793209070299.Vasilyev R.V., Kushnarev D.S., Kashapova L.K., Lebedev V.P., Medvedev A.V., Nevedimov N.I., Ratovsky K.G. First results of radio observations of the Sun and powerful discrete sources at Irkutsk Radar. Astronomicheskii zhurnal [Astronomical journal], 2013, vol. 90, no. 11, pp. 948-958 (in Russian). DOI: 10.7868/S0004629913110078.Setov A.G., Medvedev A.V., Lebedev V.P., et al. Calibration methods for absolute measurements at the Irkutsk incoherent scatter radar //, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. Proc. SPIE 10466. Irkutsk, 2017. DOI: 10.1117/12.2287328.Vasilyev R.V., Globa M.V., Kushnarev D.S., Lebedev V.P., Medvedev A.V., Ratovsky K.G. Model of discrete cosmic radiosource signal for Irkutsk Incoherent Scatter Radar. XXV Vserossiiskaya otkrytaya konferentsiya «Rasprostranenie radiovoln» [XXV All-Russian Open Conference “Propagation of Radio Waves”]. Tomsk, 2016, vol. 3, pp. 122-125. (in Russian).