Автор Тема: Шум и температура Солнца на миллиметрах  (Прочитано 3606 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн NickName

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 921
  • Репутация: +118/-9
  • Оставил форум в начале 2018
  • QRA: EARTH
Солнечная активность, процессы в пятнах хорошо проявляются на низких частотах, на сантиметрах. Что отражается в изменениях индексов потока излучения (SFI), измеряемых на частотах ~ 2.8 GHz. При этом считается, что чем выше частота, тем зависимость шума Солнца и его температуры от активности становится слабее. Остается в основном тепловая составляющая или шум "спокойного" Солнца. Ну, и редкие спорадические всплески. А т.н. "медленно меняющаяся" компонента, связанная с активностью, вымирает с ростом частоты, и на миллиметрах, и после 24 GHz должна быть почти незаметна.

Вопрос возник у меня потому, что года полтора назад, когда делал и испытывал комплект на 24 GHz я эту зависимость от SFI чувствовал. И списать ее на ошибки измерения, на нестабильные условия (поглощение в атмосфере, неустойчивость погоды) было трудно. Старые записи сохранились, пока я их не обработал, но собираюсь сделать это.

А пока результаты на 38 GHz, это около 8 mm длины волны. Приемник с двумя преобразованиями частоты, 38 GHz --> 2.5 GHz и MMDS конвертер до 470 MHz, коробочку-конвертер 38 GHz можно купить на eBay. Пирамидальный рупор с винтами подстройки под вход конвертера, рассчитанный под эффективный f/d=0.5 у оффсетной тарелки Supral 0.9 m (ширина ее лепестка на 38 GHz - 0.61 при угловом размере Солнца ~ 0.5 град). С точным определением параметров конвертера есть трудности, но грубо оценить NF можно. Равно, как есть неопределенность с параметрами тарелки, эффективностью ее главного лепестка. Но, опять же, можно взять какие-то разумные или типовые цифры, ввести коррекцию на ширину лепестка, и в результате вычислить температуру Солнца на этой частоте. Да, и нам не так важна точность ее абсолютного значения, как выяснить есть ли зависимость температуры на 38 GHz от потока излучения на 2.8 GHz.

Температура "спокойного" солнца, которую я брал при SFI(2.8GHz)=100 получается около 6000 K, приблизительно такая она и должна быть. Может, цифра 100 для "спокойного" Солнца и великовата, видел, что берут ее около 70.

SFI взят по данным Learmonth National Laboratory, Австралия. Данные они обычно приводят на тот момент, когда у нас ночь, в лучшем случае утро, а измерения я обычно делал днем, с запозданием на половину суток примерно. В связи с этим два графика по результатам для температуры Солнца на этой частоте. На одном из них нет точек при SFI=191: дело в том, что на следующий день после этой и пока промеренной самой высокой цифры SFI был уже меньше, ближе к 160, и возможно, на момент измерения реальный поток - solar flux был меньше того, что соответствует SFI=191 (по уровню точки соответствуют SFI ~ 160-170, если считать, что зависимость все-таки есть).

Короче, похоже, что какая-то зависимость есть, почувствовать ее можно, судя по графикам. А сама тема солнечного излучения широкая, надеюсь, еще будет развиваться, уточняться ...
« Последнее редактирование: 15 Октябрь 2014, 13:34:46 от UA3AVR Dimitry »
Подписывался фразой "Scio me nihil scire", но здесь и теперь она лишь означает, что написанное мною можно игнорировать или не читать, я точно не обижусь, :).

Оффлайн RW3BP

  • Очный чемпионат
  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 878
  • Репутация: +374/-17
Re: Шум и температура Солнца на миллиметрах
« Ответ #1 : 15 Октябрь 2014, 21:37:28 »
Очень интересные для меня результаты. Я пытался найти подобные данные для диапазона 77 ГГц, но улов очень невелик. Либо это очень старые данные  полувековой давности, когда были проблемы с точностью измерений, либо это современные данные, где исследуются всякие тонкие процессы и про интегральный шум никто не говорит. Так что действительно иногда проще измерить самому.
Мне это надо было для расчета параметров антенны. Статью на русском я наконец написал и она в ближайшее время здесь появится.
73!
73! Сергей

Оффлайн RA3EME Александр

  • Очный чемпионат
  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 1758
  • Репутация: +207/-27
Re: Шум и температура Солнца на миллиметрах
« Ответ #2 : 16 Октябрь 2014, 00:16:59 »
Блин, а я то думал что у меня проблемы с аппаратурой, мерял КШ МШУ по солнцу на своём сетапе, и иногда получал чудесные и не реальные значения используя в калькуляторе данные из известных источников. Дмитрий, очень интересная работа, будет думаю многим полезна и мне в том числе.
EX RA3WME

Оффлайн NickName

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 921
  • Репутация: +118/-9
  • Оставил форум в начале 2018
  • QRA: EARTH
Re: Шум и температура Солнца на миллиметрах
« Ответ #3 : 21 Октябрь 2014, 21:28:32 »
Спасибо большое за комментарии. Здесь результат обработки старых данных на 24 GHz, измерения май-июнь 2013. По графику кажется, что зависимости скорее нет, чем есть, хотя разброс точек приличный. Измерения были, в основном, при малых углах элевации, <= 20 град, когда атмосферное поглощение сравнительно велико, да и погода теплая и летняя с высокими влажностями воздуха. Надеюсь повторить измерения, как будет возможность, уменьшить разброс, делать их с больших углов элевации и т.д. А пока будем считать, что результаты на 24 GHz предварительные.
Подписывался фразой "Scio me nihil scire", но здесь и теперь она лишь означает, что написанное мною можно игнорировать или не читать, я точно не обижусь, :).

Оффлайн NickName

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 921
  • Репутация: +118/-9
  • Оставил форум в начале 2018
  • QRA: EARTH
Re: Шум и температура Солнца на миллиметрах
« Ответ #4 : 20 Ноябрь 2014, 21:02:40 »
Последние результаты по солнечной температуре с учётом измерений с прошлого раза. За это время индекс активности SFI сходил за 200, измерения можно было сделать в более широком диапазоне уровней солнечной активности. Возможно, какие-точки отражают и спорадические всплески, те точки, что выше 11000 K.

Сезон измерений 2014 завершен, по-видимому, Солнце низко слишком, углы элевации небольшие, и тут здорово влияет поглощение а атмосфере. И, похоже, немалая ошибка расчёта атмосферного затухания: заметил, что точки по температуре при малых углах стремятся выше к вечеру, даже если днём было хорошее высокое Солнце. Превышение среднего по некоторым точкам в середине участка, связано с атмосферными ошибками, скорее всего. Методика расчёта атмосферного затухания - вторая из рекомендаций ITU, она изначально компромиссная с использованием метеорологических данных на земле, для более точной данных просто нет.

Сами значения температур на графике, по абсолютной величине они выше тех, что получались в сентябре. За это время подкорректировал параметры приёмной системы по температуре Луны, и сделал пересчет данных, полученных до лунных измерений. С Луной, похоже, больше определенности: характер излучения тепловой, это просто нагретый солнцем шарик, там нет сложностей или неопределенностей, связанных с излучением плазмы или электронного газа, или связанных с магнитными полями от пятен, спорадических всплесков и т.п. В освещенных фазах, близких к полнолунию, её температура несколько больше 200 K. Во всяком случае, переоцененные параметры тарелки она помогла выявить. Температура "спокойного" Солнца у меня получилась 7460 K, взята она при SFI(2.7GHz)=90.

Пока так, с подробностями позже, наверное, интересные детали есть, а тема, надеюсь, будет ещё разиваться, и не исключено, что-то еще будет уточняться или корректироваться.
Подписывался фразой "Scio me nihil scire", но здесь и теперь она лишь означает, что написанное мною можно игнорировать или не читать, я точно не обижусь, :).

Оффлайн NickName

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 921
  • Репутация: +118/-9
  • Оставил форум в начале 2018
  • QRA: EARTH
Re: Шум и температура Солнца на миллиметрах
« Ответ #5 : 08 Январь 2015, 17:46:39 »
По поводу температуры Луны. Вот, если кому-то интересно, тут пара файлов внизу прикреплено (в одном архиве), которые я делал себе для расчетов. Там подбирается температура под измеренный Y-фактор Луны ("горячая" клавиша Ctrl+m). С файлами можно поиграть: в них стоит защита, но все клетки, в которые вводятся исходные данные, оставлены незащищенными (это частота, антенные параметры и размер тарелки, коэффициент шума приемника, шумовая "утечка" антенны или spillover,  угловой размер Луны и другие).

Диаграмма основного лепестка антенны, ширина которого может быть соизмерима с размером Луны, смоделирована в виде гауссоиды ~ exp(-r^2/r0^2), r - угловой радиус от центра лепестка. Можно было взять другие формы лепестка, типа cos(r) или sin(r)/r, но c гауссоидой формулы получаются проще, точность расчетов не самый главный фактор, а про технику, с которой делались измерения, нельзя сказать, что она прецезионная. Для проверки в этой модели выводил значение main beam efficiency, просто для верности, чтоб убедиться, что не сильно ошибся с оценкой параметров системы. Размеры лепестка антенны по половине мощности, при которых модель должна должна давать нормальные результаты, от нескольких десятых, до пары градусов.

Есть расчет температуры Луны, чтобы иметь цифру для ориентира. По экспериментам конца 60-х, начала 70-х годов прошлого века (и даже более старых), но есть. Формулы расчета температуры взяты из работы Patricia Foster: она такого, обзорного характера. Если посмотреть другие работы (по ее же ссылкам, например, Clardy&Straiton), то выяснится, что температуру они дают для центра лунного диска, на его экваторе. У нас же измеряется интегральная температура, т.е. усредненная по всему видимому диску. Т.е. наши цифры можно ожидать немного меньше тех, что получаются по формулам из работы Patricia Foster, ибо Луна горячее в центре и холоднее по краям диска.

То, что это именно "немного", а не "намного" :) можно понять из работы Christian Monstein, Zurich, который измерял именно интегральную температуру на 3 cm. Причем на простой технике: на доступных тарелках и с конвертером на спутниковые частоты. Результаты расчетов по формулам от Patricia Foster с его результатами я сверил.

Еще есть цифры и графики по температуре Луны в точках на экваторе в курсе Физфака МГУ (Радиоастрономия, стр. 61-62 и Основные характеристики радиоизлучения космических источников). Данные с графиков оттуда близки к тому, что получается по формулам из Foster, правда, как потом выяснилось, в формуле расчета температуры Луны для разных ее фаз то ли перепутано новолуние с полнолунием, то ли со знаком перед Cos() там ошиблись. Вообще, подобные фрагменты в курсах всегда замечательны: когда есть ошибки, то это стимулирует поглубже подумать над написанным и разобраться подробнее в теме. Но это не значит, что их нужно намеренно делать :).

В общем, американские работы и источники по-любому надо было поднимать. И нашлась одна довольно интересная работа, Jeffrey Linsky, A recalibration of the quiet sun millimeter spectrum based on the moon as an absolute radiometric standard, там же есть цифры по солнечной температуре на разных частотах. Со своей quiet sun temperature, температурой "спокойного" Солнца на 38 GHz попал неплохо :).

В файлах для расчета температуры по формуле из Foster вводятся фаза Луны в долях ее освещенности (>=0 и <=1 освещенность должна быть) и какая она в момент измерений, растущая (waxing) или убывающая (waning). Файл использует макросы VBA Excel, их включить надо при запуске. Я не уверен, надо ли при настоящей погрешности расчетов и используемой технике думать над более точными расчетами температуры Луны, помимо слов о том, что интегральная температура должна быть немного меньше расчетной. С учетом распределения температуры по диску Луны, изофот и т.п. Разбросы точек на графиках, в том числе у Christian Monstein, как-то не очень стимулируют, а работы тут действительно прилично будет: надо будет какую-то модель распределения температуры изобретать, учитывать форму лепестка антенны. Если попадание у нас выходит с разницей даже около 20 градусов, то это уже нормально.

На отдельной закладке в файле есть расчет атмосферного затухания. Данные вводятся те, что измеряются у земли. Я беру температуру по термометру с датчиком за окном, давление и влажность по 15-ти минутным данным Гидрометцентра, по Москве они дают такие. Элевация не меньше 5 градусов должна быть по использованной методике расчета, лучше не меньше 20 градусов. Ограничение по частоте <54 GHz, для расчетов затухания на 76 GHz у меня есть отдельный файл для расчетов.

Еще, мне не совсем ясно, какие берет у себя в программах данные по температуре Луны VK3UM. У меня, во всяком случае, цифры выше получаются. Хотя Y-фактор в его EME-калькуляторе вроде бы не сильно заниженным выходит. Попытаюсь еще разобраться.
Подписывался фразой "Scio me nihil scire", но здесь и теперь она лишь означает, что написанное мною можно игнорировать или не читать, я точно не обижусь, :).

Оффлайн ua4hts Toly

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 971
  • Репутация: +208/-2
  • QRA: LO43mo
Re: Шум и температура Солнца на миллиметрах
« Ответ #6 : 08 Январь 2015, 18:09:00 »
По поводу температуры Луны

Дмитрий спасибо большое, очень интересная работа

Если не трудно сделать, надписи изменяемых параметров - по русски и разного (другого нежели расчетные) цвета


73!
Toly
http://ua4hts.ru
+79272686090
skype: ua4hts
email: ua4hts@gmail.com

Оффлайн RW3BP

  • Очный чемпионат
  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 878
  • Репутация: +374/-17
Re: Шум и температура Солнца на миллиметрах
« Ответ #7 : 08 Январь 2015, 21:07:25 »
Очень интересно!
  Я немного отвлекся от этих измерений, но в ближайший месяц надеюсь вернуться к измерениям на 77 ГГц. Возможно с новым МШУ. Тогда обязательно воспользуюсь "калькулятором".
73! Сергей

Оффлайн NickName

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 921
  • Репутация: +118/-9
  • Оставил форум в начале 2018
  • QRA: EARTH
Re: Шум и температура Солнца на миллиметрах
« Ответ #8 : 09 Январь 2015, 12:16:56 »
Прилагаю два файла (опять в одном zip-архиве): там сделал по возможности русифицированный вариант этого калькулятора на частоты до 54 GHz, и аналогичный на частоты, куда попадает диапазон 76 GHz, с уже вставленной последовательностью расчета атмосферного затухания, пригодной для этих частот.

Спасибо большое за отклики, и буду рад, если файлы окажутся полезными. :)

PS. Защиту с файлов можно снять вручную. Правда, макросы при работе могут ее восстанавливать. Сделал так потому, что некоторые действия, используемые макросами, Excel отказывается выполнять при наличии защиты: приходится снимать ее автоматом и ставить снова по окончании действий.
Подписывался фразой "Scio me nihil scire", но здесь и теперь она лишь означает, что написанное мною можно игнорировать или не читать, я точно не обижусь, :).

Оффлайн NickName

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 921
  • Репутация: +118/-9
  • Оставил форум в начале 2018
  • QRA: EARTH
Re: Шум и температура Солнца на миллиметрах
« Ответ #9 : 07 Август 2015, 10:38:12 »
Приветствую. Сделал такой текст или записку об измерениях на 38 GHz (pdf-файл, < 2 MB), что и зачем там делалось, как и на чем. О чем-то подробнее и с формулами,  множество ссылок, интересные и нужные картинки из них пересняты. Результаты с анализом неопределенностей. Какие-то дополнения к тексту возможны, небольшие корректировки тоже.
Подписывался фразой "Scio me nihil scire", но здесь и теперь она лишь означает, что написанное мною можно игнорировать или не читать, я точно не обижусь, :).

Оффлайн RW3BP

  • Очный чемпионат
  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 878
  • Репутация: +374/-17
Re: Шум и температура Солнца на миллиметрах
« Ответ #10 : 07 Август 2015, 12:24:57 »
Пока только просмотрел статью и уже увидел много интересного. Как всегда Дмитрий порадовал обстоятельностью подхода к вопросу. Впрочем, для тех, кому не хочется разбираться с формулами там тоже есть что посмотреть.
73! Сергей

Оффлайн NickName

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 921
  • Репутация: +118/-9
  • Оставил форум в начале 2018
  • QRA: EARTH
Re: Шум и температура Солнца на миллиметрах
« Ответ #11 : 17 Август 2015, 23:08:55 »
Приветствую. Статья частично обновлена и дополнена, откорректированы формулы расчета, включая формулы в калькуляторе температур Луны и земли. Описания корректировок и дополнений, включая пояснения и комментарии к использованию калькулятора, в конце текста записки.

Ссылка на скачивание записки: Температура Солнца на миллиметрах (pdf ~ 2.5 MB);
Ссылка на архивный файл с калькуляторами: Расчеты температур для калибровки (zip ~ 100 KB).

Дополнения с картинками Солнца в разные даты в течение времени измерений и в разных спектральных линиях, в сравнительно спокойном состоянии и не очень. Попадание с температурой Солнца на 38 GHz у меня неплохо вышло. И с калибровкой приемной системы по Луне с землей, похоже, получается.   

Ссылки на записку статьи и калькулятор оставляю так, допуская их обновления. Очень может быть, что они будут: буду информировать об обновлениях. Нашел не одну статью, есть обзоры, в том числе, в российских (точнее, еще советских) журналах про разные способы калибровки радиотелескопов. По чему их только не калибровали, и по лесу, и по горам .... :), есть оценки того, насколько окружение антенн, леса и горы могут считаться "черным телом", что собирает антенна боковыми лепестками, помимо принимаемого в ее главном лепестке, когда она находится на земле.

Калибровку приемника и антенны на миллиметрах, тесты приемной системы вижу, как практический выход данной работы, помимо познавательного. Попасть в температуру Солнца и увидеть еще раз "медленную" компоненту радиоизлучения, связанную с солнечной активностью, тоже здорово, тем более что на нее как-то не очень внимание обращают. В перспективе аналогичная работа на 24 GHz и 76 GHz.
« Последнее редактирование: 17 Август 2015, 23:21:33 от UA3AVR Dimitry »
Подписывался фразой "Scio me nihil scire", но здесь и теперь она лишь означает, что написанное мною можно игнорировать или не читать, я точно не обижусь, :).

Оффлайн NickName

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 921
  • Репутация: +118/-9
  • Оставил форум в начале 2018
  • QRA: EARTH
Re: Шум и температура Солнца на миллиметрах
« Ответ #12 : 10 Сентябрь 2015, 11:15:19 »
Скорректировал формулы расчета в калькуляторе, давал он ошибку в расчете атмосферного затухания при низких температурах < - 15 С. Не очень сильную, сразу она не была заметна, а итоговые результаты подозрения не вызывали, но мало ли как еще она может выскочить.
Подписывался фразой "Scio me nihil scire", но здесь и теперь она лишь означает, что написанное мною можно игнорировать или не читать, я точно не обижусь, :).