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)