Апертурный синтез. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Апертурный синтез - метод получения высокого углового разрешения при использовании сравнительно небольших антенн, образующих совокупность радиоинтерферометров ,сигналы с выходов к-рых подвергаются соотв. обработке. В более широком смысле апертурный синтез - метод восстановления по отд. измерениям пространственного распределения полей (для некогерентных полей - пространственной функции корреляции), излучаемых или рассеиваемых к--л. источником или объектом. Системы апертурного синтеза представляют собой антенны с обработкой сигналов и применяются в радиолокации и радиоастрономии. В радиолокации распространены системы с "искусств. апертурой", для создания к-рых используется перемещение антенны, а сигнал обрабатывается в процессе этого движения методом когерентного накопления. В радиоастрономии исследуется в осн. некогерентное излучение.

Особенности апертурного синтеза рассматриваются ниже на примере радиоастр. систем в связи с задачами исследования углового распределения радиояркости источников с тонкой структурой от угловых минут до долей секунд. Для этих исследований необходимы антенны с отношением

(

- длина волны, D - линейный размер апертуры), поэтому, напр., в диапазоне сантиметровых волн требуется D порядка сотен метров и более. Традиц. антенны с апертурой такого диаметра реализовать практически невозможно. Поэтому применяют антенные системы с т. н. незаполненной апертурой, достигая высокого углового разрешения путём обработки измерений в отд. точках или участках, расположенных внутри синтезируемой апертуры. Эти измерения могут быть последовательными во времени или одновременными (последовательный или параллельный синтез) либо сочетать оба вида синтеза.

Последовательный синтез можно пояснить, основываясь на аналогии с антенной решёткой. Если на синфазную антенную решётку надает плоская волна, то сигнал в приёмнике определяется суперпозицией токов, наводимых в каждом элементе решётки. При нормальном падении все токи складываются синфазно. Если волна падает под углом к нормали, фаза токов вдоль решётки изменяется линейно, что и обусловливает направленность приёма. Путём соотв. управления фазами токов в отд. элементах осуществляют сканирование луча антенны. Все эти эффекты можно получить с помощью системы, состоящей в простейшем случае только из двух антенн: неподвижной и подвижной, последовательно занимающей места расположения элементов эквивалентной решётки. Измерив комплексные коэф. корреляции токов, наводимых в обеих антеннах, и проведя соотв. обработку (обычно линейное преобразование, чаще всего в виде построения усечённого ряда Фурье с весовыми коэф.), можно в итоге получить то же угловое разрешение, что и при использовании многоэлементной решётки.

Этот метод предложил в 1959 M. Райл (M. Ryle) для получения радиоизображения астр. источников. На спектральном языке ему можно придать следующую интерпретацию. Радиоизображение, т. е. угловое распределение радиояркости, представляется в виде фурье-разложения по пространственным частотам с безразмерным (в масштабе ) периодом. Амплитуда и фаза каждой гармоники измеряются двухэлементным радиоинтерферометром с переменной базой. Текущая длина базы d определяет частоту гармоники

, к-рую выделяет радиоинтерферометр. После-доват. серия измерений с базами разной длины и ориентации позволяет определить необходимый набор гармоник и восстановить распределение радиояркости источника с разрешением

, где

- макс. величина базы.

T. о., элементарной ячейкой системы последоват. Апертурный синтез является двухэлементный радиоинтерферометр, к-рый можно рассматривать как фильтр пространственных частот с узкой полосой пропускания на частоте

. В системах апертурного синтеза двухэлементный радиоинтерферометр играет ту же роль, что и резонансный контур в радиотехн. устройствах.

Полоса этого контура определяется формой пространственно-частотной характеристики антенн, входящих в состав радиоинтерферометра, поскольку любую антенну со сплошной апертурой можно рассматривать как фильтр низких пространственных частот с граничной частотой

, выше к-рой спектр "обрезается" (т. е. наименьший регистрируемый пространственный период равен

, что соответствует Рэлея критерию разрешения; см. Антенна ).Для изменения длины базы (в проекции на небесную сферу) часто используют вращение Земли (метод суперсинтеза). Синтезируемая при этом апертура в общем случае заполняется эллиптич. дугами. Недостатками систем последовательного апертурного синтеза являются большое время наблюдения и невозможность изучения источников, параметры к-рых изменяются за время перемещения антенн.

Параллельный синтез осуществляется с помощью радиоинтерферометров со стационарными антеннами, позволяющих получать информацию обо всех спектральных составляющих одновременно и исследовать не только стационарные, но и переменные во времени процессы. Обычно в многоэлементных системах диаграмма направленности содержит лепестки, характерные для любой дифракц. решётки, но частично подавляемые за счёт диаграмм отд. элементов, их расположения и методов обработки.

С помощью подобных систем можно исследовать лишь источники с угловыми размерами, меньшими углового расстояния между соседними лепестками. Многолепестковость исключается с помощью спец. методов приёма и обработки, реализуемых, в частности, в кресте Миллса (или T- и Г-образных системах) и компаунд-интерферометрах. Крест Миллса (рис. 1) состоит из двух одномерных антенн (напр., параболич. цилиндров или решёток излучателей), расположенных в виде креста, а компаунд-интерферометры - из существенно разных по геом. размерам и форме антенн [напр., одномерной антенны и двухэлементного (рис. 2) или многоэлементного интерферометра]. Сигналы от антенн перемножаются и усредняются, выделенным в приёмнике оказывается лишь сигнал, попадающий в пересечение диаграмм отд. антенн. В результате диаграмма направленности содержит один гл. лепесток, ширина к-рого определяется протяжённостью системы. Так, ширина лепестка креста Миллса такая же, как у диаграмм направленности одномерных антенн, составляющих крест, а у N-элементного компаунд-интерферометра - как у линейной решётки длиной 2ND; в компаунд-интерферометрах часто вместо одномерной антенны используют набор небольших антенн, на рис. 3 изображено одно плечо компаунд-интерферометра во Флёрсе (Австралия).

Системы апертурного синтеза различаются по своим пространственно-частотным характеристикам. На рис. 4-9 приведены области регистрируемых системами апертурного синтеза пространственных частот на плоскости

: для креста Миллса, T- и Г-образных систем (рис. 4, заштрихованная часть), кольца (рис. 5), разл. типов радиоинтерферометров - многоэлементного (рис. 6), креста и полукреста Христиансена (рис. 7), трёхэлементного и многоэлементного компаунд-интерферометров (рис. 8) и, наконец, систем последовательного апертурного синтеза с подвижными элементами (синтез Т-образной системы, радиоинтерферометра и круговой апертуры, рис. 9). Пунктиром обозначена область

частот, регистрируемых соответствующей сплошной апертурой. Из рис. 4 видно, что в кресте Миллса и его модификациях одновременно принимается весь спектр пространственных частот в пределах области, соответствующей сплошной апертуре, т. е. крест, как и сплошная апертура, имеет диаграмму направленности в виде узкого, "карандашного" луча и непосредственно измеряет яркостное распределение.

В многоэлементных системах с неподвижными антеннами, как видно из рис. 5- 8, можно также реализовать "карандашный" луч, если набор регистрируемых частот на плоскости

непрерывно заполняет какую-то область (напр., в кольце и в компаунд-интерферометрах). Подобные системы непосредственно измеряют яркостную температуру, хотя позволяют находить и пространственные частоты. Наконец, системы с подвижными элементами (рис. 9) измеряют только спектральные компоненты распределения.

Трудности, возникающие при создании систем апертурного синтеза, связаны в осн. с обеспечением высокой точности установки и контроля положения антенн (допустимая погрешность обычно не должна превышать

) и фазо-стабильной связи между антеннами и центр. пунктом управления и обработки (допустимая погрешность в сдвиге фаз - единицы градусов). Обычно в системах апертурного синтеза используют т. н. зависимые гетеродины (т. е. гетеродины в приёмниках антенн, синхронизируемые общим гетеродином из центр. пункта). Связь между гетеродинами осуществляется с помощью коаксиальных, волноводных, радиорелейных и т. п. линий передачи. Крупнейшей системой апертурного синтеза с непосредств. связью между гетеродинами является VLA (Very Large Array), созданная в США в 1981. Из других крупных систем апертурного синтеза выделяются инструменты в Вестерборке (Нидерланды), Кембридже (Великобритания), Грин-Бэнке и Калифорнии (США), Т-образная система в Харькове. Одна из наиб. крупных систем апертурного синтеза с радиорелейной связью - многоантенная радиорелейная система апертурного синтеза, объединяющая 6 крупных радиотелескопов Великобритании в единую систему апертурного синтеза с базами от 7 до 134 км.

В связи с развитием техники радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, использующей независимые гетеродины, всё большее распространение приобретают глобальные наземные системы апертурного синтеза, объединяющие крупнейшие радиотелескопы в разл. странах в единую радиоинтерферометрич. сеть. Достигаемое при этом угловое разрешение составляет 10^-4 угловых секунд. Разработаны проекты наземно-космич. систем апертурного синтеза с независимыми гетеродинами и с зависимыми, управляемыми через ИСЗ, возможности к-рых по разрешению и чувствительности чрезвычайно велики.

Литература по апертурному синтезу

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.