米波太阳射电观测是探测日冕物质抛射（CME）和日冕激波以及高能电子加速的重要地基手段。为了更好地观测米波段太阳射电爆发频谱（超）精细结构，在学院、空间科学研究院及国家重大科技基础设施（子午工程II期）、攀登计划创新团队、国家基金委等项目支持下，机电与信息工程学院智能探测与应用团队与空间电磁探测技术实验室成功研制出新一代90-600 MHz米波太阳射电频谱仪（槎山米波段宽带射电频谱仪，CBSm）。该系统由机电与信息工程学院智能探测与应用团队负责人、空间电磁探测技术实验室主任严发宝教授带领团队成员自主研制完成。相应学术论文“Development of a 90–600 MHz Meter-wave Solar Radio Spectrometer”在国际top期刊Astrophysical Journal Supplement Series(IF:8.7，中科院一区top)发表，严发宝教授为该论文的通讯作者，常树旺老师为第一作者。
图1米波太阳射电频谱仪信号接收单元
太阳爆发（耀斑、CME等）是太阳系中规模最大、最剧烈的能量释放现象，可加速产生大量高能带电粒子、可引起从射电到伽马射线的几乎全电磁频段辐射急剧增强，是日地空间环境扰动及空间天气灾害事件的源头所在。米波段II型太阳射电暴是CME激波的最佳示踪器，III型射电暴是日冕和行星际空间非热高能粒子流的示踪。研制米波段高性能太阳射电探测仪器可获取CME等射电爆发精细结构参数信息，对于研究高能粒子流的产生、传播和演变，对研究耀斑/CME过程中的能量释放和粒子加速等物理过程有着重要意义。目前，世界上处于工作状态的米波射电频谱观测设备主要有澳大利亚Learmonth、瑞士Phoenix-3、日本Yamagawa，以及国内云南天文台的低频太阳射电频谱仪等，它们大都建设于上世纪末及本世纪前十年，限于当时的电子器件性能，无法同时兼容高时间和高频率分辨率等主要性能。特别是在监测太阳爆发精细结构，如尖峰暴、斑马纹等结构时，往往无法获得理想的结构信息。为获取更高分辨率的自主观测数据，实验室成员以国家重大科技基础设施-空间环境地基综合监测网（简称子午工程II期）-米波太阳射电频谱仪项目为依托，开展了新一代90-600 MHz太阳射电频谱仪系统的研制工作。
为了解决米波段超宽频带太阳射电信号的高精度跟踪采集难题，在陈耀教授的支持和指导下，团队设计并使用了12米大口径抛物面天线、双线极化对数周期高增益馈源系统和高精度跟踪转台系统，实现了该仪器天线频率从90MHz到600MHz的超宽频带特性，信号接收单元指向/跟踪精度优于0.2°，减少了其他信号干扰，提高了系统的灵敏度和精度。为了克服使用混频和相位滤波器引起的通道多、成本高、通道间一致性难以较好匹配等难题，团队使用1.25GSPS高速ADC对超宽频米波太阳射电信号进行直接采样，实现了低成本低功耗设计。为了解决系统高分辨率和计算精度难题，团队自主研发了16k点FFT算法和基于FPGA的截位优化算法，提高了系统的时间分辨率和频率分辨率，并有效解决了高速采集中难以实时处理海量时域数据的瓶颈问题。
基于以上关键技术，本观测设备频率分辨率为76.294kHz，时间分辨率为0.839ms（最高可达0.21ms），灵敏度可达1 sfu，动态范围不低于60 dB，具有高频率分辨率、高时间分辨率、低噪声系数、高灵敏度、大动态范围等优点。本系统2022年11月试运行以来，已观测到大量I型和III型暴事件、~20例II型暴及~15例IV型暴事件。
图2所示为CBSm观测到的一组II型和III型射电暴精细结构。
图2 CBSm观测的一组II型和III型射电暴精细结构。a) 2023-05-08 T08:22:23UT至T08:28:58UT期间CBSm观测到的II型和III型射电暴，时间分辨率和频率分辨率分别为21 ms和76.294 kHz. b) 2023-05-08 T08:25:20UT至T08:25:55UT期间在210-270 MHz范围内CBSm观测到的斑马纹结构，时间分辨率和频率分辨率分别为15 ms和76.294 kHz。
图3所示为CBSm观测到的一组III型射电暴精细结构及与Yamagawa观测数据对比。
图3一组III型射电暴精细结构。a) 2023-02-13 T06:19:00 UT至06:23:00 UT期间Yamagawa观测到的动态频谱，时间分辨率和频率分辨率分别为1s和1MHz。b)CBSm在同一时间段内的动态频谱，时间分辨率和频率分辨率分别为500 ms和610 kHz。c)图b)中从06:20:50 UT到06:21:50 UT的精细结构（即图b)中两条白色虚线之间的部分），时间分辨率和频率分辨率分别为50ms和305kHz。
CBSm是子午工程II期在胶东半岛部署的观测子系统之一，该系统的研制成功，可为米波太阳射电频谱精细结构和太阳爆发物理研究提供高质量科学数据，也为后期参与空间天气应用和保障业务提供了重要数据支撑。
机电与信息工程学院智能探测与应用团队是由严发宝教授牵头，联合控制系、电子系、计算机系及空间科学研究院十余位老师成立的跨学科新型教学科研团队，面向科技前沿与国家重大需求，围绕智能探测技术与先进仪器研制，聚焦于深空探测、桥梁监测、工业生产等，解决这些应用领域信号探测关键技术。团队以立德树人为根本任务，立足人才培养，践行学科交叉、科教融合，致力于培养国家需要的复合型科技人才。
有关该仪器的主要学术论文和授权专利如下：
[1] ShuWang Chang (常树旺), Bing Wang (王冰), Guang Lu (路光), YuPeng Shen (申玉鹏), Yu Bai (白宇), ZiQian Shang (尚自乾), Lei Zhang (张磊), Zhao Wu (武昭), YanRui Su (苏艳蕊), Yao Chen (陈耀), and FaBao Yan (严发宝)*. Development of a 90–600MHz Meter-wave Solar Radio Spectrometer, The Astrophysical Journal Supplement Series, 2024, 272 21,DOI: 10.3847/1538-4365/ad3de7.
[2]常树旺，路光，申玉鹏，白宇，董镇，尚自乾，张磊，王玉玺，陈耀，苏艳蕊，武昭，严发宝.一种太阳射电频谱仪接收系统及方法[P].山东省：CN1114257259B, 2023-03-24.
The Astrophysical Journal Supplement Series是地学天文-天文与天体物理领域的顶级期刊，2022-2023年影响因子为8.7，SCI分区大类及小类学科均为1区。
作者/常树旺 编辑/唐华威
