Aperturnyi sintez

Metod polucheniya vysokogo uglovogo razresheniya pri ispol'zovanii sravnitel'no nebol'shih antenn, obrazuyushih sovokupnost' radiointerferometrov, signaly s vyhodov kotoryh podvergayutsya sootvetstvuyushei obrabotke. V bolee shirokom smysle aperturnyi sintez - metod vosstanovleniya po otdel'nym izmereniyam prostranstvennogo raspredeleniya polei (dlya nekogerentnyh polei - prostranstvennoi funkcii korrelyacii), izluchaemyh ili rasseivaemyh kakim-libo istochnikom ili ob'ektom. Sistemy aperturnogo sinteza predstavlyayut soboi antenny s obrabotkoi signalov i primenyayutsya v radiolokacii i radioastronomii. V radiolokacii rasprostraneny sistemy s "iskusstvennoi aperturoi", dlya sozdaniya kotoryh ispol'zuetsya peremeshenie antenny, a signal obrabatyvaetsya v processe etogo dvizheniya metodom kogerentnogo nakopleniya. V radioastronomii issleduetsya v osnovnom nekogerentnoe izluchenie.

Posledovatel'nyi sintez mozhno poyasnit', osnovyvayas' na analogii s antennoi reshetkoi. Esli na sinfaznuyu antennuyu reshetku padaet ploskaya volna, to signal v priemnike opredelyaetsya superpoziciei tokov, navodimyh v kazhdom elemente reshetki. Pri normal'nom padenii vse toki skladyvayutsya sinfazno. Esli volna padaet pod uglom k normali, faza tokov vdol' reshetki izmenyaetsya lineino, chto i obuslovlivaet napravlennost' priema. Putem sootvetstvuyushego upravleniya fazami tokov v otdel'nyh elementah osushestvlyayut skanirovanie lucha antenny. Vse eti effekty mozhno poluchit' s pomosh'yu sistemy, sostoyashei v prosteishem sluchae tol'ko iz dvuh antenn: nepodvizhnoi i podvizhnoi, posledovatel'no zanimayushei mesta raspolozheniya elementov ekvivalentnoi reshetki. Izmeriv kompleksnye koefficienty korrelyacii tokov, navodimyh v obeih antennah, i provedya sootvetstvuyushuyu obrabotku (obychno lineinoe preobrazovanie, chashe vsego v vide postroeniya usechennogo ryada Fur'e s vesovymi koefficientami), mozhno v itoge poluchit' to zhe uglovoe razreshenie, chto i pri ispol'zovanii mnogoelementnoi reshetki. Etot metod predlozhil v 1959 M. Rail (M. Ryle) dlya polucheniya radioizobrazhenii astronomicheskih istochnikov. Na spektral'nom yazyke emu mozhno pridat' sleduyushuyu interpretaciyu. Radioizobrazhenie, t. e. uglovoe raspredelenie radioyarkosti, predstavlyaetsya v vide fur'e-razlozheniya po prostranstvennym chastotam s bezrazmernym (v masshtabe ) periodom. Amplituda i faza kazhdoi garmoniki izmeryayutsya dvuhelementnym radiointerferometrom s peremennoi bazoi. Tekushaya dlina bazy d opredelyaet chastotu garmoniki , kotoruyu vydelyaet radiointerferometr. Posledovatel'naya seriya izmerenii s bazami raznoi dliny i orientacii pozvolyaet opredelit' neobhodimyi nabor garmonik i vosstanovit' raspredelenie radnoyarkosti istochnika s razresheniem , gde - maksimal'naya velichina bazy.

Takim obrazom, elementarnoi yacheikoi sistemy posledovatel'nogo aperturnogo sinteza yavlyaetsya dvuhelementnyi radiointerferometr, kotoryi mozhno rassmatrivat' kak fil'tr prostranstvennyh chastot s uzkoi polosoi propuskaniya na chastote . V sistemah aperturnogo sinteza dvuhelementnyi radiointerferometr igraet tu zhe rol', chto i rezonansnyi kontur v radiotehnicheskih ustroistvah. Polosa etogo kontura opredelyaetsya formoi prostranstvenno-chastotnoi harakteristiki antenn, vhodyashih v sostav radiointerferometra, poskol'ku lyubuyu antennu so sploshnoi aperturoi mozhno rassmatrivat' kak fil'tr nizkih prostranstvennyh chastit s granichnoi chastotoi , vyshe kotoroi spektr "obrezaetsya" (t. e. naimen'shii registriruemyi prostranstvennyi period raven , chto sootvetstvuet kriteriyu razresheniya Releya; sm. Antenna). Dlya izmeneniya dliny bazy (v proekcii na nebesnuyu sferu) chasto ispol'zuyut vrashenie Zemli (metod supersinteza). Sinteziruemaya pri etom apertura v obshem sluchae zapolnyaetsya ellipticheskimi dugami. Nedostatkami sistem posledovatel'nogo aperturnogo sinteza yavlyayutsya bol'shoe vremya nablyudeniya i nevozmozhnost' izucheniya istochnikov, parametry kotoryh izmenyayutsya za vremya peremesheniya antenn.

Parallel'nyi sintez osushestvlyaetsya s pomosh'yu radiointerferometrov so stacionarnymi antennami, pozvolyayushih poluchat' informaciyu obo vseh spektral'nyh sostavlyayushih odnovremenno i issledovat' ne tol'ko stacionarnye, no i peremennye vo vremeni processy. Obychno v mnogoelementnyh sistemah diagramma napravlennosti soderzhit lepestki, harakternye dlya lyuboi difrakcionnoi reshetki, no chastichno podavlyaemye za schet diagramm otdel'nyh elementov, ih raspolozheniya i metodov obrabotki. S pomosh'yu podobnyh sistem mozhno issledovat' lish' istochniki s uglovymi razmerami, men'shimi uglovogo rasstoyaniya mezhdu sosednimi lepestkami. Mnogolepestkovost' isklyuchaetsya s pomosh'yu special'nyh metodov priema i obrabotki, realizuemyh, v chastnosti, v kreste Millsa {ili T- i G-obraznyh sistemah) i kompaund-interferometrah. Krest Millsa (ris. 1) sostoit iz dvuh odnomernyh antenn (naprimer, parabolicheskih cilindrov ili reshetok izluchatelei), raspolozhennyh v vide kresta, a kompaund-interferometry - iz sushestvenno raznyh po geometricheskim razmeram i forme antenn [naprimer, odnomernoi antenny i dvuhelementnogo (ris. 2) ili mnogoelementnogo interferometra]. Signaly ot antenn peremnozhayutsya i usrednyayutsya, vydelennyi v priemnike okazyvaetsya lish' signal, popadayushii v peresechenie diagramm otdel'nyh antenn. V rezul'tate diagramma napravlennosti soderzhit odin glavnyi lepestok, shirina kotorogo opredelyaetsya protyazhennost'yu sistemy. Tak, shirina lepestka kresta Millsa takaya zhe, kak u diagramm napravlennosti odnomernyh antenn, sostavlyayushih krest, a u N-elementnogo kompaund-interferometra - kak u lineinoi reshetki dlinoi 2ND; v kompaund-interferometrah chasto vmesto odnomernoi antenny ispol'zuyut nabor nebol'shih antenn, na ris. 3 izobrazheno odno plecho kompaund-interferometra vo Flerse (Avstraliya).

Sistemy aperturnogo sinteza razlichayutsya po svoim prostranstvenno-chastotnym harakteristikam. Na ris. 4 - 9 privedeny oblasti registriruemyh sistemami aperturnogo sinteza prostranstvennyh chastot na ploskosti u, v: dlya kresta Millsa, T- i G-obraznyh sistem (ris. 4, zashtrihovannaya chast'), kol'ca (ris. 5), razlichnyh tipov radiointerferometrov - mnogoelementnogo (ris. 6), kresta i polukresta Hristiansena (ris. 7), trehelementnogo i mnogoelementnogo kompaund-interferometrov (ris. 8) i, nakonec, sistem posledovatel'nogo aperturnogo sinteza s podvizhnymi elementami (sintez T-obraznoi sistemy, radiointerferometra i krugovoi apertury, ris. 9). Punktirom oboznachena oblast' chastot, registriruemyh sootvetstvuyushei sploshnoi aperturoi. Iz ris. 4 vidno, chto v kreste Millsa i ego modifikaciyah odnovremenno prinimaetsya ves' spektr prostranstvennyh chastot v predelah oblasti, sootvetstvuyushei sploshnoi aperture, t. e. krest, kak i sploshnaya apertura, imeet diagrammu napravlennosti v vide uzkogo, "karandashnogo" lucha i neposredstvenno izmeryaet yarkostnoe raspredelenie. V mnogoelementnyh sistemah s nepodvizhnymi antennami, kak vidno iz ris. 5 - 8, mozhno takzhe realizovat' "karandashnyi" luch, esli nabor registriruemyh chastot na ploskosti u, v nepreryvno zapolnyaet kakuyu-to oblast' (naprimer, v kol'ce i v kompaund-interferometrah). Podobnye sistemy neposredstvenno izmeryayut yarkostnuyu temperaturu, hotya pozvolyayut nahodit' i prostranstvennye chastoty. Nakonec, sistemy s podvizhnymi elementami (ris. 9) izmeryayut tol'ko spektral'nye komponenty raspredeleniya.

Trudnosti, voznikayushie pri sozdanii sistem aperturnogo sinteza, svyazany v osnovnom s obespecheniem vysokoi tochnosti ustanovki i kontrolya polozheniya antenn (dopustimaya pogreshnost' obychno ne dolzhna prevyshat' ) i fazostabil'noi svyazi mezhdu antennami i central'nym punktom upravleniya i obrabotki (dopustimaya pogreshnost' v sdvige faz - edinicy gradusov). Obychno v sistemah aperturnogo sinteza ispol'zuyut t. n. zavisimye geterodiny (t. e. geterodiny v priemnikah antenn, sinhroniziruemye obshim geterodinom iz central'nogo punkta). Svyaz' mezhdu geterodinami osushestvlyaetsya s pomosh'yu koaksial'nyh, volnovodnyh, radioreleinyh i t. p. linii peredachi. Krupneishei sistemoi aperturnogo sinteza s neposredstvennoi svyaz'yu mezhdu geterodinami yavlyaetsya VLA (Very Large Array), sozdannaya v SShA v 1981. Iz drugih krupnyh sistem aperturnogo sinteza vydelyayutsya instrumenty v Vesterborke (Niderlandy), Kembridzhe (Velikobritaniya), Grin-Benke i Kalifornii (SShA), T-obraznaya sistema v Har'kove. Odna iz naibolee krupnyh sistem aperturnogo sinteza s radioreleinoi svyaz'yu - mnogoantennaya radioreleinaya sistema aperturnogo sinteza, ob'edinyayushaya 6 krupnyh radioteleskopov Velikobritanii v edinuyu sistemu aperturnogo sinteza s bazami ot 7 do 134 km.

V svyazi s razvitiem tehniki radiointerferometrii so sverhdlinnymi bazami, ispol'zuyushei nezavisimye geterodiny, vse bol'shee rasprostranenie priobretayut global'nye nazemnye sistemy aperturnogo sinteza, ob'edinyayushie krupneishie radioteleskopy v razlichnyh stranah v edinuyu radiointerferometricheskuyu set'. Dostigaemoe pri etom uglovoe razreshenie sostavlyaet 10^-4 uglovyh sekund. Razrabotany proekty na zemnokosmicheskih sistem aperturnogo sinteza s nezavisimymi geterodinami i s zavisimymi, upravlyaemymi cherez ISZ, vozmozhnosti kotoryh po razresheniyu n chuvstvitel'nosti chrezvychaino veliki. Konkretnye sistemy aperturnogo sinteza opisany v stat'yah Antenna radioteleskopa i Radiointerferometr.