Апертурный синтез

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

Последовательный синтез можно пояснить, основываясь на аналогии с антенной решеткой. Если на синфазную антенную решетку падает плоская волна, то сигнал в приемнике определяется суперпозицией токов, наводимых в каждом элементе решетки. При нормальном падении все токи складываются синфазно. Если волна падает под углом к нормали, фаза токов вдоль решетки изменяется линейно, что и обусловливает направленность приема. Путем соответствующего управления фазами токов в отдельных 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 решетки. Измерив комплексные коэффициенты корреляции токов, наводимых в обеих антеннах, и проведя соответствующую обработку (обычно линейное преобразование, чаще всего в виде построения усеченного ряда Фурье с весовыми коэффициентами), можно в итоге получить то же угловое разрешение, что и при использовании многоэлементной решетки. Этот метод предложил в 1959 М. Райл (М. Ryle) для получения радиоизображений астрономических 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 , которую выделяет радиоинтерферометр. Последовательная серия измерений с базами разной длины и ориентации позволяет определить необходимый набор гармоник и восстановить распределение раднояркости источника с разрешением , где - максимальная величина базы.

Таким образом, элементарной ячейкой системы последовательного апертурного синтеза является двухэлементный радиоинтерферометр, который 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 радиотехнических 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 частит с граничной частотой , выше которой спектр "обрезается" (т. е. наименьший регистрируемый пространственный период равен , что соответствует критерию разрешения Рэлея; 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 эллиптическими дугами. Недостатками систем последовательного апертурного синтеза являются большое время наблюдения и невозможность изучения источников, параметры которых 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 дифракционной решетки, но частично подавляемые за счет диаграмм отдельных 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 специальных методов приема и обработки, реализуемых, в частности, в кресте Миллса {или Т- и Г-образных системах) и компаунд-интерферометрах. Крест Миллса (рис. 1) состоит из двух одномерных антенн (например, параболических цилиндров или решеток излучателей), расположенных в виде креста, а компаунд-интерферометры - из существенно разных по геометрическим размерам и форме антенн [например, одномерной антенны и двухэлементного (рис. 2) или многоэлементного интерферометра]. Сигналы от антенн перемножаются и усредняются, выделенный в приемнике оказывается лишь сигнал, попадающий в пересечение диаграмм отдельных антенн. В результате диаграмма направленности содержит один главный лепесток, ширина которого определяется протяженностью 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 решетки длиной 2ND; в компаунд-интерферометрах часто вместо одномерной антенны используют набор небольших антенн, на рис. 3 изображено одно плечо компаунд-интерферометра во Флерсе (Австралия).

Системы апертурного синтеза различаются по своим пространственно-частотным характеристикам. На рис. 4 - 9 приведены области регистрируемых системами апертурного синтеза пространственных частот на плоскости u, v: для креста Миллса, Т- и Г-образных систем (рис. 4, заштрихованная часть), кольца (рис. 5), различных типов радиоинтерферометров - многоэлементного (рис. 6), креста и полукреста Христиансена (рис. 7), трехэлементного 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 u, v непрерывно заполняет какую-то область (например, 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 основном с обеспечением высокой точности установки и контроля положения антенн (допустимая погрешность обычно не должна превышать ) и фазостабильной связи между антеннами и центральным 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 приемниках антенн, синхронизируемые общим гетеродином из центрального пункта). Связь между гетеродинами осуществляется с помощью коаксиальных, волноводных, радиорелейных и т. п. линий передачи. Крупнейшей системой апертурного синтеза с непосредственной 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 наиболее 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, все большее распространение приобретают глобальные наземные системы апертурного синтеза, объединяющие крупнейшие радиотелескопы в различных странах в единую радиоинтерферометрическую сеть. Достигаемое при этом угловое разрешение составляет 10^-4 угловых секунд. Разработаны проекты на земнокосмических систем апертурного синтеза с независимыми гетеродинами и с зависимыми, управляемыми через ИСЗ, возможности которых по разрешению н чувствительности чрезвычайно велики. Конкретные системы апертурного синтеза описаны в статьях Антенна радиотелескопа и Радиоинтерферометр.