Радіоінтерферометрія з наддовгою базою

Міністерство освіти і науки , молоді та спорту України

Чернівецький національний університет  імені Юрія Федьковича

Кафедра землевпорядкування та кадастру

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему :

 

“ Радіоінтерферометрія з наддовгою базою ”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконав студент 205 групи

Бабій Євген

 

 

 

 

 

Чернівці 2013

Зміст

1. Вступ
2. Основні принципи РНДБ
3. Короткий огляд наукових завдань, що вирішуються методами РНДБ
4. Досягнення та сучасні можливості РНДБ
5. Список літератури

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

 

До цих пір радіоінтерферометрії з наддовгими базами (РНДБ) є самим

передовим радіоастрономічного методом, використовуваним в самих різних областях наукових досліджень. Радіоінтерферометричної системи створюються для отримання більш високого кутового дозволу, чим це доступно для антен із суцільною апертурою. Одна з найбільших у світі, повноповоротні 100-метрова антена в Ефельсберге, Німеччина, на хвилі 10 см створює кутове дозвіл 10-3 радіан (~ 3 хв. Дуги). Для дослідження з більш високою роздільною здатністю на цій довжині хвилі придатні тільки радіоінтерферометричної системи. Класичний радіоінтерферометра будується за принципом об’єднання двох або більше повноповоротних антен, з ідентичними приймальними пристроями та лініями зв’язку, що забезпечують збереження когерентності прийнятих в різних пунктах сигналів при їх передачі в центр кореляційного опрацювання. Найбільший радіоінтерферометра такого типу – MERLIN, який розташований в Англії, має максимальну довжину бази 217 км, об’єднує 6 антен діаметром від 25 м до 76 м, працює в діапазоні частот від 151 МГц до 24 ГГц і забезпечує кутове дозвіл від 0,01 « до 1 «в залежності від використовуваного діапазону.Подальше збільшення роздільної здатності радіоастрономічних систем можливо тільки за рахунок використання методу радіоінтерферометрії з наддовгими базами – РНДБ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основні принципи РНДБ

 

Основні принципи РНДБ полягають у  наступному. Космічні об’єкти або явища спостерігаються за єдиною програмою одночасно на декількох радиотелескопах (антенах), розташованих на відстанях від декількох десятків до багатьох тисяч кілометрів один від одного. Радіосигнали від об’єктів когерентно приймаються в заданому діапазоні частот високочутливими радіоприймачами, перетворюються на проміжну частоту, потім необхідна смуга частот вирізується відеоконвертор в залежності від спектру прийнятого радіосигналу, оцифровується і записується на магнітну стрічку, відеокасети, жорсткі диски разом зі шкалою часу (в даний час втілюються в життя плани переведення національних і міжнародних РСДБ – мереж на роботу в квазі-реальному часі з передачею РНДБ – даних до центру обробки по оптичному кабелю). Всі частотні перетворення приймального тракту на радиотелескопах прив’язуються до опорного водородному стандарту частоти. Шкала часу ведеться також від водневого стандарту і синхронізується за сигналами системи GPS або телевізійним сигналом. Інформація про поточні параметри радіотелескопу і всі події по ходу експерименту оформляється в певні файли; записані магнітні носії і файли пересилаються в центри кореляційної обробки, де відтворюються і взаємно корелюються на спецпроцесорів (корелятора), після чого вторинна обробка дозволяє витягти різну інформацію в залежності від поставленої завдання. Таким чином, для проведення РСДБ – спостережень необхідно мати кілька радіотелескопів, оснащеної однотипними радіоприймачами та системами реєстрації, і центр кореляційного опрацювання.На сьогодні, РНДБ є найбільш використовуваним методом в радіоастрономії, він широко застосовується в астрофізиці, астрометрії, геодинаміці і багатьох інших галузях науки. Вимірювання, що виконуються глобальними мережами радіотелескопів (в тому числі, за участю космічних антен), досягають мікросекундного кутового дозволу і проводяться в широкому діапазоні від міліметрових до метрових радіохвиль. Десятки спеціалізованих радіотелескопів цілодобово працюють в РНДБ – режимі. Існує безліч національних (у США, Японії, Австралії, Китаї, Канаді), міжнародних (Європейська, Глобальна, Геодезична, Низькочастотна) і наземно-космічних («Радіоастрон») РНДБ – проектів. Є декілька центрів кореляційної обробки колективного користування (в США, Голландії, Канаді, Японії та Австралії).Група радіотелескопів, об’єднаних зазвичай за територіальною ознакою і оснащених однотипної апаратурою, разом з корелятором називається РНДБ – мережею.

 

2. Короткий огляд наукових завдань, що вирішуються методами РНДБ

 

Спостережуваними об’єктами радіоінтерферометричної мережі є природні і штучні космічні радіоджерела. Наукові завдання подразумевают вимірювання енергетичних і геометричних характеристик астрофізичних об’єктів (інтенсивність, спектри, поляризація, просторова й тимчасова структура випромінювання, кінематика власних рухів). Прикладні задачі пов’язані в основному з вимірами геометрії системи «інтерферометр – спостережуваний об’єкт», причому в якості спостережуваних об’єктів можуть бути природні космічні радіоджерела (фундаментальна радіоастрономічна метрологія, космічна геодезія, геодинаміка), штучні космічні радіоджерела (радіопросвічування космічних середовищ), так і їх сукупність (космічна навігація, небесна механіка).В цілому наукові і прикладні завдання РНДБ можна розділити за типом об’єктів дослідження:

• активні галактичні ядра (АГЯ);
• радіоджерела, що знаходяться в нашій Галактиці і міжзоряне середу;
• сонце і сонячний вітер;
• об’єкти Сонячної системи (РНДБ – локація і навігація КА);
• земля (параметри обертання, орієнтація в просторі, рух континентів).

В даній роботі у зв’язку із специфікою теми буде детально розглянуто дослідження Сонця і сонячного вітру за допомогою РНДБ.Розуміння природи і механізмів сонячних процесів надзвичайно корисно для вивчення багатьох астрофізичних процесів у Всесвіті. Сонячна активність впливає на біосферу Землі саме через міжпланетну середу. Методом РНДБ можуть бути досліджені такі фундаментальні проблеми фізики сонячної активності як вивільнення і перенесення енергії в сонячних спалахах, умови формування та розвитку корональних викидів та їх вплив на формування неоднорідностей космічної плазми в Сонячній системі. Вивчення сонячної корони і сонячного вітру представляє постійний інтерес, оскільки дослідження стану цих середовищ дозволяє пророкувати геофізичні ефекти сонячної активності. Космічна середу робить істотний вплив на роботу РНДБ – систем і космічних ліній зв’язку. Щоб зрозуміти процеси вивільнення і перенесення енергії в сонячних спалахах, необхідно визначити просторові і частотні характеристики і фізичні параметри плазми, магнітних полів і прискорених заряджених частинок в цих областях. Вивчення бистропеременних дециметрового сонячного випромінювання дає можливість отримати необхідну інформацію, тому що воно генерується на сонячних висотах близьких до областей спалахової енерговиділення. Принципово важливими у вирішення цієї проблеми є відомості про просторовому масштабі області первинного енерговиділення і прискорення частинок, а також про характер поведінки цих процесів у часі. Дослідження сонячних спалахів, проведені останнім часом в різних діапазонах довжин хвиль, показали, що область енерговиділення сильно фрагментована в просторі, а процес енерговиділення в часі. Були отримані перші прямі докази просторової фрагментації джерела радіовипромінювання з дуже малими інтервалами часу (близько 100 мс.). Прояви цієї фрагментації виявляються в мікрохвильовому радіодіапазоні у вигляді спайки – короткоживучих сплесків радіовипромінювання з вузькосмуговим спектром.Оцінювані розміри елементарних джерел складають 0,1-0,001 кут. Сек.

 Тому методи РНДБ ідеально  підходять для дослідження тонкої  просторово – часової структури сонячних мікровспишек – спайки.В даний час діагностика міжпланетної та околосолнечной плазми здійснюється різними радіоастрономічними способами, які засновані на методі радіопросвечіванія. Перспективним напрямком в цій галузі є доповнення традиційного методу радіопросвечіванія методом РСДБ. При використанні РНДБ – методу, коли випромінювання від радіоджерела приймається далеко рознесеними антенами (сотні і тисячі км) і поширюється через неоднорідні середовища по різних трасах з різними фазовими і груповими швидкостями, є можливість прямих досліджень просторових характеристик неоднорідностей плазми сонячної корони і міжпланетної середовища.

Рис.1. Принцип РСДБ

Випромінювання віддаленого радіоджерела у вигляді квазіплоской хвилі поширюється вздовж осі z через турбулентне середовище з великомасштабними випадковими неоднорідностями електронної концентрації і приймається в площині xy, перпендикулярної напрямку розповсюдження, Двохелементний мультиплікативним інтерферометром з базою (рис. 1). Сигнали, прийняті на двох антенах, перемножуються між собою в один момент часу t. В результаті цієї процедури, здійснюваної в коррелятор, виділяється флуктуірующіх різниця фаз у двох приймальних пунктах.Вихідний сигнал комплексного коррелятора можна представити у вигляді:

                                                                  (2.1)

 

де  - різниця флуктуацій фаз сигналів, прийнятих в один і той же момент часу на різних нтеннах, - додатково вводиться постійний фазовий зсув в сигнал коррелятора. Така процедура має низку переваг у порівнянні з традиційним однопунктовий прийомом, оскільки дозволяє досліджувати флуктуації поля, що вносяться тільки турбулентної середовищем на двох різних трасах поширення. У цьому випадку виключається вплив флуктуацій власного випромінювання джерела, що робить можливим досліджувати середовище при просвічуванні її не тільки монохроматичними сигналами космічних апаратів, але і широкосмуговими шумовими сигналами природного радіоджерела. Далі виконувався спектральний аналіз сигналу інтерферометра. При великій тривалості реалізації спектр потужності виражається наступним чином:

                                                             (2.2)

де :                           (2.3)

Експериментальні частотні спектри (2.2), отримані описаним способом і є  найбільш важливою статистичною характеристикою  сигналу, аналізувалися з метою витягання інформації про середовище поширення.Уявімо спектр потужності у вигляді Фур’є-образу автокореляційної функції сигналу коррелятора :

                                               (2.4)

Функція в (2.4) є функцією когерентності четвертого порядку для комплексних полів в пунктах прийому і з урахуванням (2.3) може бути представлена ​​у вигляді:

     (2.5)

Опис флуктуацій поля випромінювання проводилось методом геометричної оптики. Досліджуваної характеристикою середовища була електронна концентрація плазми сонячного вітру. Для опису часових змін параметрів середовища в сонячній короні застосовувалася гіпотеза «вмороженностью», справедлива на відстанях від Сонця, великих - передбачалося, що неоднорідності електронної концентрації не змінюються з плином часу і рухаються в радіальному напрямку від Сонця зі швидкістю V, яка дорівнює швидкості сонячного вітру. Просторовий спектр флуктуацій електронної концентрації задавався степеневою функцією з індексом p в інтервалі хвильових чисел (де - зовнішній і внутрішній масштаб турбулентності):

                                           (2.6)

где C_N² – структурный коэффициент, характеризующий интенсивность флуктуаций электронной концентрации:

                     (2.7)

( - дисперсія флуктуацій електронної концентрації, - гамма-функція). Передбачається, що така форма статечного спектру задовільно описує розподіл флуктуацій електронної концентрації в області сонячного вітру на кутових відстанях більше 2 ° в дециметровому діапазоні довжин хвиль.Зазначені вище наближення, використовувані при теоретичному аналізі сигналу інтерферометра, дозволили спростити розрахунки й отримати вирази для спектру інтерференційного сигналу, що містять інформацію про середовище поширення – про швидкість сонячного вітру, просторовому розподілі електронної концентрації в області зондування, інтенсивності її флуктуацій і т.д. Тим не менш, витяг цієї інформації з експериментальних спектрів утруднене, так як спектр, розрахований по (2.4), надає собою складну комбінацію окремих інтегральних параметрів турбулентної середовища. Для того щоб дослідити обурення, що надаються середовищем поширення на сигнал інтерферометра, і оцінити деякі її характеристики, розглянемо граничні випадки поширення випромінювання при слабких і сильних збуреннях.При слабких флуктуаціях фази спектр потужності поля сигналу інтерферометра являє собою спектр потужності випадкової різниці фаз сигналів в двох точках прийому. Спектр потужності поля сигналу інтерферометра при має вигляд:

                (2.8)

Тут введено такі позначення: - проекції вектора бази та швидкості на площину, перпендикулярну напрямку випромінювання. При виведенні (2.8) передбачалося, що вісь x системи координат збігається за напрямком з напрямком вектора швидкості, тобто . Для позначення довжини проекції бази і швидкості використовуються наступні позначення: , .

У випадку, коли база інтерферометра має переважне напрямок вздовж швидкості  дрейфу неоднорідностей середовища , спектр потужності описується простим співвідношенням:

                               (2.9)

При довільній відносної  орієнтації векторів бази інтерферометра і швидкості, коли умова порушується, вираз для спектру (2.8) можна привести до наступного вигляду:

          (2.10)

де - гамма-функція, - функція Макдональда.

Вимірюючи частоти екстремумів  експериментальних спектрів, можливо  оцінити значення швидкості дрейфу неоднорідностей через трасу просвічуванняУ разі сильних фазових флуктуацій частотний спектр має вигляд гауссових функції незалежно від вибору виду просторового спектру . Спектр потужності поля сигналу інтерферометра описується співвідношенням:

                                                                 (2.11)

де,

          (2.12)

                                                                                    (2.13)

де  - функція Бесселя нульового порядку, - функція Бесселя 2-го порядку, Z – товщина шару неоднорідностей, - частота прийому, - електронна плазмова частота, c – швидкість світла, N – невозмущенной компонента електронної концентрації, , - проекції бази інтерферометра і швидкості сонячного вітру на площину, перпендикулярну напрямку поширення випромінювання; поперечна проекція базової лінії спрямована вздовж осі X, тобто .

В (2.11)

- напівширина спектральної лінії. Величина являє собою дисперсію флуктуацій частоти інтерференції і пропорційна інтенсивності флуктуацій електронної концентрації. Напівширина спектра лінійно залежить від модуля швидкості. Залежність напівширини від взаємної орієнтації бази інтерферометра і швидкості переносу неоднорідностей визначається множником:                                                                               (2.14)

де a – кут між вектором швидкості і віссю x, вздовж якої орієнтований вектор базової лінії . Напівширина спектра максимальна при орієнтації бази уздовж швидкості дрейфу неоднорідностей, мінімальна в разі взаємно-поперечного розташування і .

У разі сильних фазових  флуктуацій ширина спектра залежить від комбінації параметрів середовища і визначається інтенсивністю впливу турбулентної середовища, отже можлива якісна оцінка стану середовища за відносними уширення спектрів джерел, розташованих на різних кутових відстанях від Сонця і виміряним одночасно на декількох базах.У підсумку, можна сказати, що слабкі неоднорідності приводять до зміни фази інтерферометрична відгуку. За наявності сильних неоднорідностей в просвічує середовищі фазові спотворення відгуку переходять в частотні. Тому по фазовому портрету інтерференційного відгуку можна досліджувати слабкі неоднорідності, спектральний же склад інтерференційного відгуку і його положення в площині взаємних частотно-часових зрушень дають інформацію про характеристики сильних неоднорідностей. При цьому індикаторами стану турбулентної середовища служать ширина і форма спектральної лінії інтерференційного відгуку. При одночасних РНДБ – вимірюваннях з використанням декількох баз різної довжини і орієнтації можна судити також і про форму (анізотропії) неоднорідностей по різниці фазових збурень інтерференційних відгуків на різних базах, знімаючи практично їх «миттєвий» портрет.

 

3. Досягнення та сучасні можливості РНДБ

 

Радіоінтерферометрії  з кутовим дозволом в тисячні  частки секунди дуги «заглянули»  в самі внутрішні області найбільш потужних «радіомаяків» Всесвіту – радіогалактик і квазарів, які випромінюють в радіодіапазоні в десятки мільйонів разів інтенсивніше, ніж звичайні галактики. Вдалося «побачити», як з ядер галактик і квазарів викидаються хмари плазми, виміряти швидкості їх руху, які виявилися близькими до швидкості світла.Багато цікавого було відкрито і в нашій Галактиці. В околицях молодих зірок знайдені джерела мазерного радіовипромінювання (мазер – аналог оптичного лазера, але в радіодіапазоні) в спектральних лініях молекул води, гідроксилу (OH) та метанолу (CH3OH). За космічними масштабами джерела дуже малі – менше Сонячної системи. Окремі яскраві цятки на радіокарту, отриманих інтерферометрами, можуть бути зародками планет.Такі мазери знайдені і в інших галактиках. Зміна положень мазерного плям за декілька років, що спостерігалося в сусідній галактиці M33 в сузір’ї Трикутника, вперше дозволило безпосередньо оцінити швидкість її обертання і переміщення по небу. Виміряні зміщення незначні, їх швидкість у багато тисяч разів менше видимої для земного спостерігача швидкості равлики, що повзе по поверхні Марса. Такий експеримент поки знаходиться далеко за межами можливостей оптичної астрономії: помітити власні рухи окремих об’єктів на міжгалактичних відстанях їй просто не під силу.Нарешті, інтерферометричні спостереження дали нове підтвердження існування надмасивних чорних дір. Навколо ядра активної галактики NGC 4258 були виявлені згустки речовини, які рухаються по орбітах радіусом не більше трьох світлових років, при цьому їх швидкості досягають тисячі кілометрів на секунду. Це означає, що маса центрального тіла галактики – не менше мільярда мас Сонця, і воно не може бути не чим іншим, як чорною дірою.Цілий ряд цікавих результатів отримано методом РНДБ при спостереженнях в Сонячній системі. Почати хоча б з найточнішою на сьогодні кількісної перевірки загальної теорії відносності. Інтерферометр виміряв відхилення радіохвиль в полі тяжіння Сонця з точністю до сотої частки відсотка. Це на два порядки точніше, ніж дозволяють оптичні спостереження.Глобальні радіоінтерферометрії також застосовуються для стеження за рухом космічних апаратів, які вивчають інші планети. Перший раз такий експеримент був проведений в 1985-му, коли радянські апарати «Вега-1» і «-2» скинули в атмосферу Венери аеростати. Спостереження підтвердили швидку циркуляцію атмосфери планети зі швидкістю близько 70 м / с, тобто один оборот навколо планети за 6 діб.Аналогічні спостереження за участю мережі з 18 радіотелескопів на різних континентах супроводжували посадку апарата «Гюйгенс» на супутник Сатурна Титан. З відстані в 1,2 млрд. Км велося стеження за тим, як рухається апарат в атмосфері Титану з точністю до десятка кілометрів! Не надто широко відомо про те, що під час посадки «Гюйгенса» була втрачена практично половина наукової інформації. Зонд ретранслював дані через станцію «Кассіні», яка доставила його до Сатурна. Для надійності передбачалося два дублюються каналу передачі даних. Однак незадовго до посадки було прийнято рішення передавати по них різну інформацію. Але в найвідповідальніший момент через поки ще не з’ясованого збою один з приймачів на «Кассіні» не включився, і половина знімків пропала. А разом з ними зникли і дані про швидкість вітру в атмосфері Титану, які передавалися як раз по відключити каналу. На щастя, в NASA встигли підстрахуватися – спуск «Гюйгенса» спостерігав з Землі глобальний радіоінтерферометра. Це, мабуть, дозволить врятувати зниклі дані про динаміку атмосфери Титана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список літератури :

1. Геодезія / / http://www.krugosvet.ru/articles/19/1001997/1001997a3.htm.

2. І. Є. Молотов, Радіоінтерферометрія  зі надвеликими базами (РНДБ) - історія, стан та апаратура / / http://lfvn.astronomer.ru/report/0000007/ p000007.htm.

3. В. Г. Гавріленко1, М. Б. Нечаева2і ін Результати  теоретичних і експериментальних  досліджень сонячного вітру і  активних ядер галактик на  РНДБ-мережі LFVN з використанням системи реєстрації S2 / / http://astra.prao.psn.ru/Molotov/ Webpage / html / lfvn_paper.html.

4. І.Є. Молотов1, 2, М.Б.  Нечаева3 та ін Розвиток методу  РНДБ-локації в проекті LFVN / / http://lfvn.astronomer.ru/report/0000010/p000010.htm.

5. Нечаєва М. Б., Антипенко  А. А., Дементьєв А. Ф., Дугін  Н. А., Снєгірьов С. Д., Тихомиров  Ю. В. РНДБ - дослідження в науково  - дослідному радіофізичному інституті  / / http:// lfvn.astronomer.ru/report/0000031/index_ru.htm.