明安图射电频谱日像仪(MUSER)

2019年10月21日23:06:19明安图射电频谱日像仪(MUSER)已关闭评论 169 views

提名国家科学技术进步奖项目公示内容

项目名称明安图射电频谱日像仪(MUSER)

提名单位中国科学院

提名单位意见:

太阳爆发能对近地空间产生剧烈扰动,严重威胁空间安全和航天、通讯、导航、国防等高技术系统的运行。中科院国家天文台主持研制的国家重大科研装备、观测太阳爆发的、国际上新一代太阳射电望远镜—明安图射电频谱日像仪(MUSER)于2013年工程竣工,2016年项目验收。

该项目位于内蒙古正镶白旗,由100个抛物面天线组成三螺旋阵列,能对太阳爆发进行类似CT扫描一样的全日面快速频谱成像观测,是国际上首个太阳宽带动态频谱成像系统,实现了在百毫秒量级时间分辨率上同时584通道对太阳的快速连续观测,最高空间分辨率优于2角秒,完成了对太阳爆发初始能量释放区高分辨射电频谱成像观测。该项目的成功研制实现了太阳射电天文学跨越式进步,为太阳爆发活动研究打开了新的窗口。

该项目取得多项创新技术:首次实现了在0.4-15GHz频段以高时间、高频率和高空间分辨率对太阳成像观测、高性能超宽带双圆极化馈源、多通道高幅相一致性和高稳定性的信号传输技术、大规模太阳射电观测高速相关处理器技术等。获得多项国家发明专利,发表一系列研究论文。上述技术还广泛应用于通讯、军事、空间天气及其他射电天文探测等领域。

该项目受到国际同行的高度关注,先后22次在国际学术大会上做特邀报告。该项目提升了我国在太阳射电观测领域的位置,将极大促进太阳物理和空间天气学的发展,为我国近地空间安全、航天、通讯、导航等一系列高技术系统的稳定运行提供重要保障。

提名该项目为国家科学技术进步奖 等奖。

项目简介:

太阳活动引起的太阳风暴能对近地空间产生剧烈扰动,严重威胁空间安全和航天、通讯、导航、电力网、国防等一系列高技术系统的运行。太阳活动规律和预测预报是太阳物理的重要研究方向,也是我国《中长期科学和技术发展规划纲要》在学科发展和科学前沿问题中部署的主要研究领域,射电探测是研究和预报太阳爆发活动的重要途径,宽带动态射电频谱成像观测是揭示太阳爆发活动动力学过程和相关物理机制的重要手段,国内尚无此类探测设备,国际也仅局限于少数几个频点上观测。对于太阳爆发活动初始能量释放区附近的空间成像观测尚为空白,这一缺失直接限制了人类对太阳剧烈活动起源和发生发展规律的理解,限制着对太阳活动及对人类社会影响的研究和预报能力。

自2003年起,在国家自然科学基金委、973计划和财政部国家重大科研装备研制等项目的支持下,针对太阳射电频谱成像同时需要高时间、高空间和高频率分辨率的技术难题,提出了宽带接收、快速成像的系统方案,重点突破了超宽频带双圆极化信号接收、高幅相稳定性和高一致的信号传输、大规模高速数字相关等关键技术,成功研制了国际上新一代的厘米-分米波太阳射电望远镜—明安图射电频谱日像仪(MUSER),获取了大量观测数据,为太阳活动和空间天气学研究打开了新的观测窗口,实现了我国在太阳射电天文学领域的跨越式进步。主要创新点如下:

(1)首次实现了在全频带上(0.4-15GHz)多通道(584通道)同时(百毫秒量级)对太阳的快速连续观测,最高空间分辨率优于2角秒,综合指标达到国际领先水平。

(2)创新地提出了超宽带双圆极化馈源馈电方案,解决了超宽带射电观测中馈源驻波特性不满足快速变化信号接收的问题,性能指标达到了国际领先水平。

(3)构建了多通道高幅相一致性和高稳定性的信号传输技术方案,提出并实现了包括长距离传输信号线同温等长布置在内的一系列技术,解决了宽频带阵列接收信号通道间幅度和相位不一致的难题。

(4)突破了国际上最大规模的太阳射电观测高速相关处理器技术,实现了多通道宽带信号的高速同步采样、延迟补偿、条纹旋转以及高速相关输出。

该项目的研制受到国内外同行的高度关注。国际天文学联合会(IAU)、国际无线电科联(URSI)等重要国际学术会议先后 22次邀请项目研制人员做特邀报告,1人当选IAU太阳与日球分会主席。先后发表了 SCI 和 EI 论文 23 篇,其他刊物43 篇,获5项国家发明专利,多次组织国际和国内学术研讨会。

该项目对太阳爆发初始能量释放源区进行类似CT成像一样的三维立体观测,为太阳爆发研究打开了新的窗口,将极大地促进太阳物理和空间天气学发展。各项创新技术广泛应用到通讯、国防、空间天气研究以及其他射电天文观测等领域。其研制成功并投入使用,使我国一跃而为太阳射电成像观测的国际领先国家,将极大促进太阳物理和空间天气学发展,保障我国空间环境的安全。

客观评价:

1.    与国内外同类设备比较

太阳射电观测的发展趋势是在同时具有较高时间-频率-空间分辨率的射电频谱日像仪观测,可以得到有关太阳耀斑、CME、太阳超热粒子发射和行星际激波等产生剧烈爆发活动的动力学特征的演变规律。目前国内无太阳射电成像观测设备,国外的同类设备,只能在部分频点上成像观测,例如法国南茜日像仪,工作在150-450MHz内10个频点;俄罗斯西伯利亚太阳射电望远镜工作在单频点5.7GHz,日本野边山射电日像仪工作17和34GHz两个频率,其他频段都是空白。(注:印度Gauribidanur射电日像仪,只能在40-150MHz之间,分时在几个频点上观测,不能进行常规观测,一般国际上均不作为通用观测设备)。

该项目能同时在双圆偏振两个分量、584个频点对太阳进行快速成像,其频谱分辨能力比国际上现有同类设备提高了2个数量级。同时具备高时间、高空间和高频率分辨率,2013年在项目国际评估会上被称为新一代射电日像仪。其研制建成,使国际上首次拥有了太阳射电宽带频谱成像观测设备,也使我国拥有了国际领先的太阳探测设备。

2.    项目验收意见

2016年7月6日,该项目通过了由方成院士担任组长,包括5位中国科学院院士(方成、朱能鸿、王水、吕达仁、万卫星)等国内外著名专家组成的验收组的评审验收,并被命名为明安图射电频谱日像仪—MUSER。专家组一致认为项目所研制的日像仪具有前所未有的同时再超宽频带上进行高时间、空间和频率分辨率观测的能力,是国际太阳射电物理研究领域的领先设备,为耀斑和日冕物质抛射等太阳活动提供了新的先进的观测手段,将极大地促进太阳物理和空间天气科学的发展。

3.    国际评估会评价

1) 在2013 年召开的射电频谱日像仪项目国际评估会上,由叶叔华院士担任组长包括汪景琇院士在内的国内外专家们一致认为:

“新一代厘米-分米波射电日像仪具备前所未有的同时在超宽频带上进行高时间、空间和频率分辨率观测的能力;拥有世界上性能优异的超宽带、双圆极化馈源;可实现多频点快速成像的先进高速大规模数字相关接收;并采用了通过光纤实现长距离和宽带模拟信号传输等先进技术。 基于上述特点,新一代厘米-分米波射电日像仪将在耀斑和日冕物质抛射等太阳活动研究中打开新的观测窗口。该设备能够对太阳大气中的磁场和耀斑活动进行直接测量与成像,从而有助于理解各种太阳活动的物理本质及其在空间天气中的驱动作用。新一代厘米-分米波射电日像仪作为国际太阳物理领域的领先设备,将极大地促进太阳物理和射电天文学的发展。”

4.     “一三五国际诊断评估报告的评价

在2015 年中科院组织对国家天文台的“一三五”国际诊断评估报告中认为:“国家天文台在包括太阳天文观测等三个方面的工作都是世界级水平的”;“中国射电频谱日像仪的建成和初步观测,首次实现在400MHz-15GHz射电成像观测,同时具有超高时间、空间和频率分辨率”;“中国射电频谱日像仪的研制成功代表了现代射电日像仪的跨越式进步,打开了通过射电观测探测太阳色球和日冕的新窗口,国家天文台将无可争辩地成为同类研究的领导者”;“中国射电频谱日像仪显然是世界上最好的同类设备”;“中国射电频谱日像仪的花费远少于其他大型射电天文项目,而且至少在未来10年里它都将是该领域最重要的太阳专用设备。”“中国太阳物理界将在该领域占据国际领导地位。”

5.    国际专著中的评价

美国G.Verschuur教授在2015年Springer出版的专著《The Invisible Universe: the Story of Radio Astronomy》中专门介绍了该项目的特点,指出“世界上其他地方的太阳射电天线都是设计来或者研究爆发的频率漂移、或者爆发位置,而中国射电频谱日像仪同时兼备这两方面的能力。因此,它的命名中:‘频谱’表示能够观测爆发的频率变化特征,‘日像仪’则表示能够对日面上的位置变化进行准确定位并成图。”

6.    国际会议、文章中的评价

1)2007年,国际著名学者Hudson(美)和Vilmer(法)在Springer出版社的Lecture Notes in Physics文集中指出:“新的主要观测设施(特别是FASR和中国射电日像仪)将大为扩展太阳射电探测能力。”

2)2008年,国际著名太阳物理学家Pick和Vilmer在《Astron.&Astrophys.》Review中指出“期待由太阳专用的地基射电日像仪在宽频带区域获得高空间分辨率和高动态范围射电图像而取得的重要进展,如FASR和中国射电日像仪”。

2) 2008年,国际著名太阳物理学家Klein 在国际权威期刊《Solar Phys》上撰文指出“未来几年,一些新设备,特别是FASR 和中国射电日像仪将为耀斑和日冕物质抛射打开新的观测窗口” (Klein,2008, Solar Phys.)。

3)《Science》曾在“科学纵览”头条介绍了该项目的研制进展,称“中国正在建设一双地球的新耳朵来聆听我们最近的恒星”(Richard Stone, Science, 2008)。

5) 2016年,欧洲太阳射电研讨会主页显示:“空基和地基射电观测的互相配合,以及Solar Orbiter, Solar Probe+,和新的、未来射电装备ALMA、E-OVSA、EVLA、LOFAR、MUSER、SKA 和欧盟频谱日像仪等研制和观测,将为学术界提供发现激动人心的新科学机会”。

7.    科技查新报告

由中科院文献情报中心出具的科技查新报告表明:国内外均未见同时具备高时间、高空间和高频率分辨率的射电频谱日像仪和优化馈电方式提高电压驻波比的超宽带双圆极化馈源(0.4-2GHz,2-15GHz)的相关报道。

8.    获奖情况

    该项目的工程竣工和验收分别入选2013年度和2016年度“十大天文科技进展”。

应用情况:

该项目研制过程中的创新技术包括高性能超宽带双圆极化馈源,模拟接收机相位稳定技术,多通道信号采集同步和相位稳定关键技术,宽带信号信道化的高效算法实现关键技术。这些关键技术都在多家设备研制单位的多项技术产品中应用,具体应用情况如下:

1.    该项目高性能超宽带双圆极化馈源技术应用于中国电子科技集团公司第五十四研究所的产品中。

中国电科五十四所认为明安图射电频谱日像仪中采用的宽频带线极化馈源加3dB电桥移相器的办法实现的高性能超宽带双圆极化馈源,具备新型对数周期天线超宽频带单元技术;宽带匹配技术;低损耗圆极化馈电技术;高稳定相位中心技术等,经专家鉴定,该馈源具备世界领先水平的款频带阻抗匹配特性,已应用在9米天线和13米天线等多个重大工程项目中。

 

2.    该项目模拟接收机相位稳定技术应用在中国电子科技集团公司第五十四研究所的相关产品中。

中国电科五十四所于2013年12月开始广泛应用该技术到所承担的测向接收系统中的多个项目,经历了恶劣环境的考验,运行稳定可靠,性能优良,为任务的顺利完成发挥了重要作用,受到领导和用户单位的高度评价。

明安图射电频谱日像仪(MUSER)

图2 测向接收系统照片

3.    该项目多通道信号采集同步和相位稳定关键技术应用于中国科学院电子学研究所的相关产品和项目中。

中科院电子所将将该技术应用到多通道大功率电法勘探仪项目中,已部署50余个电磁数据采集站,系统经受了野外环境的长时间考验,性能优异稳定,圆满完成了多次野外矿区测试任务。

明安图射电频谱日像仪(MUSER)

图3 多通道大功率电法勘探仪照片

 

4.    该项目宽带信号信道化的高效算法实现关键技术应用于中国科学院电子学研究所的相关产品和项目中。

中科院电子所将该技术应用到数字电离层测高仪设备多通道接收机中,系统性能优良,运行稳定。目前已经建设5个监测站点,并处于常规业务运行状态。

明安图射电频谱日像仪(MUSER)

图4 数字电离层测高仪设备照片

5.    该项目模拟接收机相位稳定技术应用在中国电子科技集团公司第十三所研究所的相关产品中。

中国电科十三所自2011年开始广泛应用该技术到所承担的某型号四通道组件、某型号接收变频组件等多个项目,经历了恶劣环境的考验,运行稳定可靠,性能优良,为任务的顺利完成发挥了重要作用,受到用户单位的高度评价。

明安图射电频谱日像仪(MUSER)

图5 多通道接收组件照片


主要知识产权和标准规范等目录:

知识产权类别 知识产权具体名称 国家

(地区)

授权号 授权日期 证书编号 权利人 发明人 发明专利有效状态
论文 The Chinese Spectral Radioheliograph—CSRH Earth Moon Planet Vol.104, 97-100 2009 Yan, Yihua; Zhang, Jian; Wang, Wei; Liu, Fei; Chen, Zhijun; Ji, Guoshu
发明专利 射电日像仪宽频带双圆极化馈源 中国 201210034924.4 2016-12-14 第2313994号 中国科学院国家天文台 李沙;颜毅华;陈志军;王威 有效专利
发明专利 一种宽频带馈源 中国 201410820485.9 2017-04-05

 

第2439841号 中国电子科技集团公司第五十四研究所 孙良;牛传峰;赵东贺;刘超;耿京朝;赵东贺;杨国栋;马万垒;张廷恒;卢飞宇 有效专利
发明专利 一种宽频带双线极化或双圆极化馈源 中国 201410820336.2

 

2017-10-27

 

第2669830号 中国电子科技集团公司第五十四研究所 牛传峰;刘超;耿京朝;杨国栋;赵东贺;孙良;董晓娟;蒋博;吴旭;何其洪;马万垒;王志伟;张廷恒 有效专利
发明专利 一种巴伦合路器一体化馈电网络 中国 201410817288.1

 

2017-04-05

 

第2435559号 中国电子科技集团公司第五十四研究所

 

孙良;牛传峰;刘超;耿京朝;赵东贺;杨国栋;马万垒;张廷恒;卢飞宇 有效专利
发明专利 一种宽频带双极化馈源 中国 201410817426.6 2017-04-12 第2442052号 中国电子科技集团公司第五十四研究所 牛传峰;耿京朝;赵东贺;杨国栋;刘超;蒋博;蔺占中;吴旭;何其洪 有效专利
实用新型 一种极轴式天线 中国 201420783945.0 2014-12-11 第4194125号 中国电子科技集团公司第五十四研究所 贾彦辉、李建军、何翠瑜 有效专利
论文 Calibration and Data Processing for a Chinese Spectral Radioheliograph in the

Decimeter Wave Range

Publications of the Astronomical Society of Japan Volume 65, Issue sp1 2013 Wei WANG, Yihua YAN, Donghao LIU, Zhijun CHEN, Cang SU, Fei LIU, Lihong GENG, Linjie CHEN, Jing DU
论文 Radio imaging spectroscopy observations of the Sun in decimetric and centimetric wavelengths Proceedings IAU Symposium Vol.294, 501 2013 Yihua Yan, Wei Wang, Fei Liu, Lihong Geng, Zhijun Chen, and

Jian Zhang

论文 A New Impedance Matching Method for an Ultra-Wide Band and Dual Circularly Polarised Feed Publications of the Astronomical Society of Australia Vol. 33, e061 2016 Sha Li, Yi Hua Yan, Wei Wang, Zhi Jun Chen, Dong Hao Liu, Fu Shun Zhang and Natasha Jeffrey3

主要完成人情况:

无。

 

主要完成单位及创新推广贡献:

中国科学院国家天文台,排序1,是该项目的研制和建设单位,为设备的成功研制及投入使用做出了主要贡献。提出了该项目的建议书和研制方案,完成了关键技术攻关,推动该项目立项,组织项目建设和运行。具体为完成了该项目各天馈分系统、模拟接收与传输分系统、数字相关与监控分系统和数据处理分系统的的设计方案,完成了全部关键技术攻关,完成系统集成测试,获得观测结果。完成的关键技术包括:高性能超宽带双圆极化馈源、宽带信号信道化高效算法、高速延迟补偿与条纹旋转技术、多通道信号采集同步和相位稳定技术等。该项目建成后作为国际太阳射电物理研究领域的领先设备,为耀斑和日冕物质抛射等太阳活动研究提供了新的先进的观测手段,将极大促进太阳物理和空间天气科学的发展。通过该项目的实施,培养了一批既有扎实的理论基础、又有丰富的实践经验的综合型科研人才。推进该项目相关研制技术应用于通讯、军事、空间天气及其他射电天文探测等领域。

中国电子科技集团公司第五十四研究所,排序2,负责组织实施了该项目全频段(0.4-2GHz,2-15GHz)的天馈分系统和2-15GHz频段的模拟接收分系统。提出全频段天馈分系统和2-15GHz频段的模拟接收分系统实施方案并组织整个子系统的设计、验证、测试。完成了该项目中40面4.5米天线和60面2米天线的研制和生产和安装工作,完成了60路2-15GHz频段模拟接收机的研制和生产和安装工作;应用了该项目的超宽带双圆极化馈源技术和模拟接收机相位稳定技术在9米天线、13米天线和测向接收系统等多个项目中,产生了13778.915万的经济效益。

中国科学院电子学研究所,排序3,负责组织实施了该项目全频段(0.4-2GHz,2-15GHz)的数字相关与监控分系统。提出全频段数字相关与监控分系统实施方案并组织整个分系统的验证、测试,完成了0.4-2GHz频段40路信号,2-15GHz频段60路信号的高速数字相关器的生产和安装工作,完成了该项目所有设备的监控单元,实现了项目设备的有效管理和运行。应用了该项目的多通道信号采集同步和相位稳定技术和宽带信号信道化的高效算法实现技术于多通道大功率电法勘探仪项目和数字电离层测高仪等项目中,产生了1779万的经济效益。

中国电子科技集团公司第十三研究所,排序4,负责组织实施了该项目0.4-2GHz频段的模拟接收与光传输分系统。提出0.4-2GHz频段的模拟接收与光传输分系统实施方案并组织整个分系统的验证、测试,完成了该项目中40路0.4-2GHz接收机的研制和生产和安装工作。应用了该项目的模拟接收机相位稳定技术在某型号四通道组件、某型号接收变频组件等项目中,产生了13110.9万的经济效益。

完成人合作关系说明:

无。

 

 

weinxin
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