射电望远镜的工作原理是什么?

2023-06-03 0 788

VLT列是干涉仪干涉仪中关键的一类。

我这儿来进行说呵呵干涉仪侦测器的组织工作基本原理,干涉仪VLT是干涉仪干涉仪很关键的一类,VLT,也是竹节老师在TA提问中提及的那个卡勒的接收器

射电望远镜的工作原理是什么?

干涉仪干涉仪有很多种相同,以后提问里也提及过,通常而言罐子(圆锥干涉仪),通常而言大托盘(旧式野扇接收器),和干涉仪VLT,干涉仪VLT的每两个模块也有可能是双线接收器(示意图),或者罐子(比如说ALMA如下表所示图)

射电望远镜的工作原理是什么?

在前述的探测中以 通常而言罐子 和 干涉仪VLT 最为常用,而单纯接收器共同组成的干涉仪VLT较之于巨罐子两个较为明显的竞争优势是【昂贵】,是的,昂贵,即使罐子搜集讯号的形式是圆锥散射,圆锥能把相连接入射光的讯号散射到圆锥关注点上:

射电望远镜的工作原理是什么?

因此圆锥的主要就生产成本在研磨非常大的圆锥上,因此通常情况下想发生改变探测文本就须要旋转圆锥来发生改变对准,掌控罐子对准的机械设备部份(库塞县,操舵)也是非常大的开支

我省前段时间引起轰动当今世界的四川FAST 500m 舰炮干涉仪干涉仪仅工程建设就12亿

射电望远镜的工作原理是什么?

FAST是透过发生改变罐子上的通常而言散射镜路径和讯号接收点边线(示意图中黄色斜线指的边线)来让FAST对准相同路径的天文学干涉仪源

回到主题:VLT

而VLT,较之于罐子,是真的昂贵,2018年秋,我有幸到Lofar(Low Frequency Array)(欧洲的两个大型干涉仪VLT)参观。

LOFAR一共有两种接收器

射电望远镜的工作原理是什么?

那个是他们的VLT中的两个接收器,接收器主体是图中黄色斜线标记的铁丝,白色柱子是两个支撑用的塑料管,图中蓝色的框子里的是接收ADC,地上的的金属网用于散射讯号,能提高一些接收器增益

这样两个接收接收器,生产成本是20欧元(包含ADC电子元件)。因此能在广袤的田野上造几千个接收器共同组成VLT。

另外一类是蝴蝶结形式的天线

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像这种,黄色线标出来的蝴蝶结形状的金属是接收器,白色的是工程塑料用于支撑接收器,同样那个接收器造价也非常昂贵。

整个Lofar的经费预算中,只有5%用于制造接收器,是即使VLT真的非常昂贵

那钱都花到哪了捏?

【接收机,超算】

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VLT的探测形式相干成像和 beamforming (终于到了主题)

那个须要对于讯号的时标有很高要求,接收机用于采集高动态,高时间频率分辨率的讯号,同时有原子钟来对时,保证所有讯号时标统一

超算用于计算相干和beamforming

这儿我们分别介绍VLT的相干成像和beamforming

先说波束成型

beamforming(波束成型)

其实可能在还没看到那个地方的时候就已经开始有疑问了,罐子下面有操舵和星盘,能随便转,对准哪里探测哪里,那个很明白,即使罐子的增益主瓣朝向是沿着圆锥中心线的。

然而VLT不一样,VLT是一堆接收器杵在地上的,没法动,那个就很僵,没法动那个朝向怎么变。所以这儿波束成型是解决这样两个对准的问题。不仅能发生改变对准,因此能让主瓣的宽度达到1/100度的量级,因此能同时对准多个方位,也是同时搜集多个路径的讯号,那个技术是透过调节相同相干运算的延迟,控制相干相位,也是相控的方法实现的,也是BeamForming(波束成型)。

波束成型是两个应用非常广泛的技术,我们的WiFi里面的MIMO,和5G的用户端到端传输里其实就有这样的技术

以下是那个技术的基本原理:

从两个接收器开始讲起,对于两个普通的接收器我们有个增益角分布曲线(Beam Pattern)

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这儿是两个带地面散射的接收器,图中蓝色的线是它的增益角分布。

图中能看出通常而言接收器的主瓣非常宽,事实上却是是这样的,单振子接收器不大好,如果探测对象是天球坐标中两个很小的范围,但是其他路径有很多噪声讯号,这样就会造成很多干扰。

因此须要侦测器来增加特定路径上的增益

有若干这样的接收器(比如说说有三个),规律排布共同组成两个侦测器。

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图中连接接收器和接收机的弯曲的黑色的线是延迟线,目的是掌控讯号在传输过程中的延迟对于所有接收器是相同的,在这种情况下,接收器接收到的主瓣路径的无穷远路径的讯号是相干的(同相位),会被增强,图中虚线是等相面:

射电望远镜的工作原理是什么?

相同相位的信号相加是有增强的结果。

而接收到的其他角度的讯号是不相干(相同相位)的:

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因此会被削弱

主路径增强,辅助路径削弱,这就得到了两个主瓣更强更窄的增益角分布:

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这提问了上面的其中两个问题,多几个接收器就能定向发射(或者接受)讯号了。

但是,这种等延迟的增强仅仅对于固定路径的讯号有很强增益,要是换个路径呢?

~: 换相位

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只须要在以前的接收器后端加上两个延迟,让它们延迟相同的相位就能使得讯号在两个特定角度上是相干的,那个时候等相面和那个路径垂直。

事实上在前述的应用中,延迟并不是靠延迟线的长短来调节,而是依靠数字电路来完成:

射电望远镜的工作原理是什么?

因此,VLT在接受相位可控的情况下,理论上是能在不发生改变接收器位形(不掰路由器接收器)的情况下,使得接收器的增益主瓣对准多个路径。

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即使保存的数据是高采样率的时间讯号,因此在后期数据处理中理论上能透过相干的形式生成单接收器主瓣内的任何两个路径的干涉仪强度信息。

这种成像形式有两个缺点:对于计算能力的要求

当然也有好处,和传统的相干成像较之,两个非常优越的好处是时间分辨率能非常高。传统的相干成像会为了增加UV覆盖而对时间进行积分(那个接下来会提及),因此传统的相干成像的时间分辨率往往是小时甚至天。 因此相干成像通常探测的都是低动态的文本,比如说稳定的星云,这种几十年没啥变化的东西。

而Beamforming是对于每个时间点都能做相干,因此时间精度能非常高,但是考虑到存储和数据传输能力,目前Lofar的beamforming时间精度是10ms,这种高的时间精度的成像虽然空间分辨率不高,但是对于高动态的,比如说脉冲星频谱和太阳干涉仪爆发活动是非常有意义的,能给出频谱的同时给出源的方位。

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这是两个例子[A&A 580, A65 (2015)],图中黄色的圈子是太阳,能看到虽然时间空间精度不高,整个卡勒面只有170个像素,但是每个像素背后都有两个高时间频率分辨率的频谱。那个对于解释一些干涉仪爆发方位和路径性有很关键的意义。

前段时间Lofar就有两个使用Beamforming对于太阳干涉仪爆中精细结构的探测组织工作刊在nature communication上,讲的是对高时间精度的源进行定位然后讨论激波谐波边线,得到了一些非常有趣的结果。

相干成像

要理解相干成像的基本原理须要有(一点数理基础)傅里叶变换的概念

如果对于图片进行二维傅里叶变换

能得到图片中的频率和相位信息,图中周期性的文本在二维傅里叶变换中会以亮点的形式体现出来:

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傅里叶变换结果中的宏观结构在频谱图上对应低频结构因此是靠近原点的文本,而精细结构对应高频,在变换图中表现出基本原理原点的结构,如下表所示图分别是图像傅里叶变换结果中的中心部份和周围部份的傅里叶反变换

射电望远镜的工作原理是什么?

回到VLT,

我们从两个接收器开始:

射电望远镜的工作原理是什么?

对于这样的两个接收器接收到的讯号做相干处理

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得到的结果和波长,基线(接收器的相对边线)和干涉强度相关,那个干涉强度的本质是在那个基线向量下的傅里叶分量。

我们须要的还是强度分布图,换句话说是干涉仪强度在天球坐标上的分布。而不是傅里叶分量的强度。这样我们就须要把傅里叶分量反变换到原二维强度分布。

因此过程是这样的,对于很多接收器,能两两共同组成两个基线向量,那个每个基线向量对应的点都会测到两个傅里叶分量这样我们能得到频域空间的一些散点,对于这些频域散点,能用插值的形式得到完整的图,那个图是天空平面上的强度分布图。

但是前述上基线覆盖率是有限的,即使我们有非常多的接收器,也不能做到连续覆盖二维频域空间,而非连续的覆盖会带来图像还原不完整的情况,是即使基线覆盖本身的傅里叶变换是有宽度的,理想的连续覆盖的二维频域的反傅里叶变换是两个Delta函数,也是关于0点的脉冲函数,而两个VLT所共同组成的基线向量散点的反傅里叶变换只是两个Delta函数的近似:

下图中左上是接收器布局的基线覆盖,右上是傅里叶反变换得到的空间强度分布,能看出虽然中间强周围弱,但是较之于理想的Delta(x,y)函数,在原点附近还是有很多杂乱的结构,那个反变换结果叫做VLT的脏束(Dirty Beam)。

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因此直接透过基线向量散点上的强度进行傅里叶变换得到的是强度分布是前述干涉仪强度分布和脏束的卷积(这种图称作脏图),要透过反卷积的形式把Dirty Beam从脏图中反卷积出去,才能从脏图中还原出前述的干涉仪强度分布。

那个过程是干涉仪VLT的成像过程。

最后简要介绍呵呵为甚么要进行太阳干涉仪探测

介绍太阳物理路径的一些科研进展

本答案文本在live中有详细讲解:

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