<< 1. Vvedenie | Oglavlenie | 3. Kak poluchit' radioizobrazhenie >>

2. Sistemy "radiovideniya" v astronomii

Chtoby poluchit' radioizobrazhenie kakoi-to oblasti s pomosh'yu odinochnoi antenny, my mozhem libo prosmatrivat' posledovatel'no otdel'nye uchastki s pomosh'yu prostogo odnoluchevogo priemnika, libo popytat'sya sozdat' matrichnyi (mnogoluchevoi) priemnik, kotoryi pozvolit videt' srazu vsyu oblast' celikom. Preimushestva takogo podhoda ochevidny. Vo-pervyh, v principe v N raz (N - chislo pikselei) pri tom zhe otnoshenii signal/shum ekonomitsya vremya nablyudenii, kotoroe vsegda ogranicheno. Vo-vtoryh, esli istochnik peremennyi, to pri posledovatel'nom kartirovanii my riskuem poluchit' kartinu, kotoraya ne budet adekvatno otrazhat' sostoyanie ob'ekta za dannyi period vremeni.

V principe vozmozhny dva konceptual'no raznyh varianta mnogoluchevyh sistem: sistemy na osnove fazirovannyh antennyh reshetok (FAR), zapolnyayushih nekotoruyu aperturu, i sistemy, predstavlyayushie soboi reshetku priemnyh elementov v fokal'noi ploskosti antenny. Vozmozhny i sochetaniya etih variantov. Podavlyayushee bol'shinstvo mnogoluchevyh sistem (po krainei mere na dostatochno korotkih volnah) stroitsya po vtoromu principu.

Kakie osnovnye problemy vstayut na puti sozdaniya matrichnogo priemnika? Problemy eti sushestvenno razlichny dlya bolometricheskih priemnikov, ispol'zuemyh dlya izmerenii v nepreryvnom spektre, i dlya geterodinnyh priemnikov, kotorye primenyayutsya dlya spektral'nyh izmerenii. Sozdat' reshetku bolometrov s bol'shim chislom elementov znachitel'no proshe, chem matrichnyi geterodinnyi priemnik. I glavnoe razlichie v tom, chto v poslednem sluchae nuzhen geterodin, obshii dlya vseh kanalov. A poskol'ku moshnost' geterodina vsegda ogranichena, to i chislo kanalov ne udaetsya uvelichit' vyshe nekotorogo, dovol'no skromnogo znacheniya (10-15), v otlichie ot reshetok bolometrov, v kotoryh chislo elementov uzhe seichas dostigaet 100 i bolee.

Drugaya problema, specificheskaya dlya geterodinnyh reshetok, svyazana s obrabotkoi signalov. Poskol'ku eti priemniki prednaznacheny dlya spektral'nyh izmerenii, k kazhdomu elementu dolzhen byt' priceplen parallel'nyi spektroanalizator. A eto gromozdkoe i dorogoe ustroistvo. Dannoe obstoyatel'stvo takzhe sil'no ogranichivaet vozmozhnosti narashivaniya chisla elementov v geterodinnom matrichnom priemnike.

Sushestvuyut dva osnovnyh podhoda k sozdaniyu reshetok v fokal'noi ploskosti: (1) sborka takoi sistemy iz prakticheski nezavisimyh priemnyh modulei i (2) razrabotka principial'no mnogoluchevyh priemnikov. Pervyi variant oblegchaet obsluzhivanie i remont v sluchae neobhodimosti otdel'nyh kanalov. Vtoroi pozvolyaet sozdavat' bolee kompaktnye sistemy s bol'shim chislom kanalov.

Primer pervogo podhoda - priemnik Nacional'noi radioastronomicheskoi observatorii SShA na 1.3mm, predstavlyayushii soboi reshetku 2x4 SIS priemnikov s obshim geterodinom i kvaziopticheskim vhodom [3]. Sistema s neskol'ko bolee vysokim urovnem integracii, gde imeetsya edinyi priemnyi modul' s sem'yu obluchatelyami, volnovodnymi SIS-smesitelyami i UPCh, sozdaetsya v Chalmerskom tehnicheskom universitete (proekt SISYFOS [4]). Est' i drugie podobnye ustroistva.

Vtoroi podhod realizuetsya, naprimer, v JPL (CalTech), gde sozdayutsya kvaziopticheskie sistemy na 230 i 492GGc na osnove reshetki iz 2x5 SIS-perehodov, integrirovannyh s dipol'nymi antennami i razmeshennyh na ploskoi poverhnosti parabolicheskoi kvarcevoi linzy s metallizirovannoi parabolicheskoi poverhnost'yu [5]. Podobnoe ustroistvo na osnove DBSh i giperpolusfericheskoi linzy bylo sozdano okolo 15 let tomu nazad v NPO "Salyut" i uspeshno ispytano v IPF RAN [6].

Opticheskaya shema matrichnyh priemnikov dolzhna obespechivat' formirovanie neobhodimoi diagrammy napravlennosti kazhdogo elementa, ih dostatochno plotnuyu "upakovku", minimal'nyi uroven' kross-polyarizacionnoi komponenty, po vozmozhnosti chastotnuyu
nezavisimost' i pr. Raschet kvaziopticheskoi shemy obychno vedetsya na osnove teorii gaussovyh puchkov. V kachestve obluchatelei ispol'zuyutsya, kak pravilo, tak nazyvaemye skalyarnye rupora.

Pri etom voznikaet problema "upakovki" obluchatelei, razmeshaemyh obychno v fokal'noi ploskosti antenny. S odnoi storony, dlya polucheniya polnoi v smysle Naikvista vyborki obluchateli dolzhny raspolagat'sya na rasstoyaniyah, ne prevyshayushih (  - effektivnoe fokusnoe rasstoyanie,  - diametr antenny). Odnako dlya optimal'nogo oblucheniya antenny razmery ruporov dolzhny byt' v neskol'ko raz bol'she. Eta problema reshaetsya putem posledovatel'nogo zapolneniya izobrazheniya, a razmer obluchatelei i rasstoyanie mezhdu nimi vybirayutsya na osnove kompromissa mezhdu ukazannymi trebovaniyami.

Neobhodimo takzhe uchityvat' aberracii, kotorye osobenno zametny dlya elementov, raspolozhennyh vdali ot osi antenny. V rezul'tate diagramma napravlennosti elementov priemnika iskazhaetsya, v nei poyavlyayutsya sil'nye bokovye lepestki i pr.

Sleduyushaya problema svyazana s ohlazhdeniem priemnikov. Sovremennye vysokochuvstvitel'nye priemniki rabotayut pri sverhnizkih temperaturah dlya snizheniya sobstvennyh shumov. Geterodinnye priemniki seichas sozdayutsya na osnove SIS- ili NEV-elementov. Te i drugie trebuyut ohlazhdeniya do 4.5 K. Takie temperatury dostigayutsya pri ohlazhdenii zhidkim geliem. No ispol'zovanie zalivnyh sistem na radioteleskope v techenie dolgogo vremeni neudobno i dorogo. Poetomu chashe primenyayut sistemy ohlazhdeniya zamknutogo cikla. Hladoproizvoditel'nost' ih ne prevyshaet 1-1.5 Vt, chto takzhe ogranichivaet vozmozhnosti narashivaniya chisla elementov priemnika (v chastnosti, iz-za bystrorastushih radiacionnyh teplopritokov pri uvelichenii apertury okna). Bolometry rabotayut pri eshe bolee nizkih temperaturah, 0.3 K. Takie temperatury realizuyutsya v sistemah ohlazhdeniya na osnove izotopa geliya He.

Nakonec, dlya matrichnyh priemnikov, kak pravilo, nado reshat' problemu kompensacii vrasheniya Zemli. Vse krupnye radioteleskopy stroyatsya v al't-azimutal'noi montirovke. Legko ponyat', chto esli ne prinyat' special'nyh mer, to sovokupnaya diagramma napravlennosti matrichnogo priemnika budet povorachivat'sya na nebesnoi sfere pri slezhenii za istochnikom. Takim obrazom, nakoplenie signala v techenie dostatochno prodolzhitel'nogo vremeni ot kazhdoi tochki istochnika stanet nevozmozhnym. Dlya ustraneniya etogo effekta mozhno libo vrashat' priemnik celikom, libo ispol'zovat' dopolnitel'nye kvaziopticheskie elementy, kompensiruyushie vrashenie Zemli.

Vse eto zametno uslozhnyaet konstrukciyu matrichnogo priemnika i vedet k dopolnitel'nym poteryam. Krome togo, yasno, chto odnoluchevoi priemnik zavedomo mozhno otladit' luchshe, chem kazhdyi kanal matrichnogo priemnika. To est' chuvstvitel'nost' odinochnogo priemnika obychno luchshe, chem otdel'nogo kanala matrichnogo priemnika. Poskol'ku uluchshenie chuvstvitel'nosti v dva raza sokrashaet vremya nablyudenii v chetyre raza, odinochnyi priemnik v dva raza bolee chuvstvitel'nyi, chem kazhdyi element matrichnogo priemnika ekvivalenten, po suti dela, chetyrehelementnomu matrichnomu i pri etom sushestvenno proshe i nadezhnee. Takim obrazom, chtoby ispol'zovanie matrichnogo priemnika bylo opravdannym, nuzhno, chtoby chislo ego elementov bylo sushestvenno bol'she.

V nastoyashee vremya v raznyh observatoriyah mira uzhe ekspluatiruetsya neskol'ko matrichnyh priemnikov - kak geterodinnyh, tak i bolometricheskih (vyshe my uzhe upominali nekotorye iz nih). Dopolnitel'no iz pervyh mozhno otmetit' takie sistemy, kak 15 elementnyi priemnik observatorii pyati kolledzhei (SShA), 9 elementnyi priemnik HERA na 30-m antenne IRAM, priemnik
SMART observatorii KOSMA i dr. Iz reshetok bolometrov -
MAMBO (IRAM), SCUBA (JCMT), SIMBA (SEST).

V IPF RAN razrabatyvaetsya matrichnyi SIS-priemnik diapazona dlin voln 3 mm dlya RT-22 KrAO. V etoi razrabotke ispol'zuetsya opyt sovmestnoi raboty nad analogichnym matrichnym priemnikom dlya 20-m radioteleskopa observatorii Onsala (Shveciya). Rassmotreny raznye varianty opticheskoi shemy priemnika (ris. 1). V pervoi u kazhdogo kanala imeetsya sobstvennyi korrektiruyushii element. Ispol'zuya skalyarnyi rupor s malym uglom raskryva i linzu, mozhno sozdat' chastotno-nezavisimuyu sistemu s koefficientom ispol'zovaniya apertury do 84 %. Osnovnaya problema zdes' - sravnitel'no bol'shoe rasstoyanie mezhdu priemnymi elementami, chto privodit k bol'shomu raznosu ih diagramm napravlennosti. Dva drugih varianta etu problemu reshayut, no u nih est' ser'eznye nedostatki: principial'naya nevozmozhnost' obespechit' chastotnuyu nezavisimost', dopolnitel'nye poteri 3% i uvelichennye gabarity, chto sozdaet problemy pri razmeshenii na antenne. V rezul'tate vybran variant (a), obespechivayushii dostatochno vysokii koefficient ispol'zovaniya antenny pri priemlemom urovne poter'.

---

<< 1. Vvedenie | Oglavlenie | 3. Kak poluchit' radioizobrazhenie >>