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“千眼天珠”建成，313部天线瞄准太阳
原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/9/509427.shtm
9月27日，圆环阵太阳射电成像望远镜通过工艺测试，正式建成。它是目前全球规模最大的综合孔径射电望远镜，也是国家重大科技基础设施“空间环境地基综合监测网”（子午工程二期）的标志性设备之一。
圆环阵太阳射电成像望远镜（以下简称圆环阵），位于海拔3820米的四川省甘孜州稻城县噶通镇，被当地居民称作“千眼天珠”。
它由中国科学院国家空间科学中心牵头建设，占地面积约1平方公里，由313部直径6米的抛物面天线构成，天线之间相隔10米，均匀分布在直径为1公里的圆环上。
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圆环阵太阳射电成像望远镜。中国科学院国家空间科学中心供图
监测太阳，守卫地球
太阳是离地球最近的恒星，也是地球空间天气事件的源头，太阳一打“喷嚏”，地球可能会“感冒”。
“太阳为地球带来光和热，孕育地球上的生命，但它也是高技术系统的杀手。”圆环阵太阳射电成像望远镜项目负责人、中国科学院国家空间科学中心研究员阎敬业告诉《中国科学报》。
人类进入高技术时代和太空时代后，太阳爆发活动会导致电网大面积损毁，威胁高铁、卫星等运行安全，影响导航精度、雷达性能，造成短波通信中断等。
要想理解日地空间环境系统和空间天气因果链，就要对太阳和日地空间传播链条进行高质量监测，圆环阵所属的子午工程由此而来。
早在1993年，我国科学家提出了空间天气领域的国家重大科技基础设施——子午工程，其科学目标之一便是通过从太阳大气到近地空间全链条、全国覆盖、高时空分辨的监测，探索空间天气事件的传播、演化和影响我国空间环境的路径和规律。
2012年，子午工程一期建成，沿东经120度、北纬30度布局了15个综合性台站，形成“东半球空间环境地基综合监测子午链”。2019年，子午工程二期开工建设，在一期工程的基础上，新增16个台站，形成沿东经100度、120度、北纬40度、30度“井”字型布局的31个台站、近300台套监测设备组成的空间环境监测网络。
圆环阵是子午工程二期布局建设的装置，也是子午工程中的标志性设备。
“它不但能监测太阳的各种爆发活动，还能监测太阳风暴进入行星际的过程，这对于理解太阳爆发机制和日地传播规律，预测太阳活动对地球的影响具有重要作用。”阎敬业说。
正瞄准太阳的天线。李子锋摄
313朵“向日葵”已运行
圆环阵是由313部天线围成的大圆环，圆环正中央是一座高达100米的中心定标塔。
每天清晨，在太阳升起之前，313部天线同时对准中心定标塔进行对焦校准。太阳升起后，它们就像“向日葵”一样对准太阳，并跟随太阳转动。太阳落山后，圆环阵便开始进行其他观测，如探测空间碎片、脉冲星和静止轨道卫星等。
“圆环阵的接收面积等效于一台106米的单口径天线。”阎敬业说。
为了保证建设质量和工期，项目采取了“三步走”的研制方案。第一步建造2部天线，进行技术摸底；第二步建造14部天线，与此前的2部天线组成16单元系统，进行成像实验；第三步建设313单元系统。
阎敬业介绍，圆环阵采取“边建设、边调试、边运行”的策略，自2022年3月起，16单元成像实验系统就已经开始获取太阳成像数据，迄今已积累了大量太阳活动图像和频谱数据。
今年3月，正处于系统调试阶段的圆环阵，开展了我国首次基于射电图像序列的脉冲星探测实验，从连续射电图像中成功识别出脉冲星闪烁；
5月，圆环阵与欧洲低频阵列（LOFAR）开展联合观测实验，实现了交叉验证；
7月，圆环阵已具备连续稳定高质量监测太阳活动的能力，脉冲星成像等射电天文观测能力得到初步验证，科学试观测开启。
百米高的中心定标塔。倪思洁摄
与现实环境较劲
要实现圆环阵的科学观测目标，313部天线和626条接收链路都要具有非常好的幅度和相位一致性。
“圆环阵里的任何一项技术单拎出来都不太难，但是要整齐划一就很难。”阎敬业说。
在圆环阵太阳射电成像望远镜副主任设计师、中国科学院国家空间科学中心副研究员武林看来，现实环境条件无法达到绝对理想状态，圆环阵最具挑战性的技术就是根据现实环境条件进行系统校准。
例如，圆环阵所在场地地势存在倾斜，最高处与最低处相差30米，中心定标塔无法精准地立在圆环阵的正中心；稻城当地的大风天气会导致中心定标塔晃动；连接在天线和中心定标塔之间的626根电缆线无法从工业生产层面实现同等长度……这些都需要项目团队根据现场的实际情况，通过系统定标的方式对偏差进行校正。
武林介绍，在与现实环境较劲的过程中，项目团队攻克了一系列关键核心技术，提出了原创的圆环阵列构型和中心定标总体方案，突破了单通道多环绝对相位定标等关键技术。
此次工艺测试表明，圆环阵太阳射电成像望远镜实现了最大视场达到10个太阳半径的连续稳定的太阳射电成像与频谱观测能力，各项技术指标达到或优于初步设计报告的指标要求。
阎敬业表示，下个阶段，圆环阵将在白天观测太阳活动，为太阳物理和空间天气研究提供长时间序列高质量数据，并与子午工程的其它监测设备开展联合观测。
考虑到圆环阵每天监测太阳需要8小时左右，为了充分发挥国家重大科技基础设施的综合效能，圆环阵项目团队还有新的计划。
