<< 1. Введение | Оглавление | 3. Как получить радиоизображение >>

2. Системы "радиовидения" в астрономии

Чтобы получить радиоизображение какой-то области с помощью одиночной антенны, мы можем либо просматривать последовательно отдельные участки с помощью простого однолучевого приемника, либо попытаться создать матричный (многолучевой) приемник, который позволит видеть сразу всю область целиком. Преимущества такого подхода очевидны. Во-первых, в принципе в N раз (N - число пикселей) при том же отношении сигнал/шум экономится время наблюдений, которое всегда ограничено. Во-вторых, если источник переменный, то при последовательном картировании мы рискуем получить картину, которая не будет адекватно отражать состояние объекта за данный период времени.

В принципе возможны два концептуально разных варианта многолучевых систем: системы на основе фазированных антенных решеток (ФАР), заполняющих некоторую апертуру, и системы, представляющие собой решетку приемных элементов в фокальной плоскости антенны. Возможны и сочетания этих вариантов. Подавляющее большинство многолучевых систем (по крайней мере на достаточно коротких волнах) строится по второму принципу.

Какие основные проблемы встают на пути создания матричного приемника? Проблемы эти существенно различны для болометрических приемников, используемых для измерений в непрерывном спектре, и для гетеродинных приемников, которые применяются для спектральных измерений. Создать решетку болометров с большим числом элементов значительно проще, чем матричный гетеродинный приемник. И главное различие в том, что в последнем случае нужен гетеродин, общий для всех каналов. А поскольку мощность гетеродина всегда ограничена, то и число каналов не удается увеличить выше некоторого, довольно скромного значения (10-15), в отличие от решеток болометров, в которых число элементов уже сейчас достигает 100 и более.

Другая проблема, специфическая для гетеродинных решеток, связана с обработкой сигналов. Поскольку эти приемники предназначены для спектральных измерений, к каждому элементу должен быть прицеплен параллельный спектроанализатор. А это громоздкое и дорогое устройство. Данное обстоятельство также сильно ограничивает возможности наращивания числа элементов в гетеродинном матричном приемнике.

Существуют два основных подхода к созданию решеток в фокальной плоскости: (1) сборка такой системы из практически независимых приемных модулей и (2) разработка принципиально многолучевых приемников. Первый вариант облегчает обслуживание и ремонт в случае необходимости отдельных каналов. Второй позволяет создавать более компактные системы с большим числом каналов.

Пример первого подхода - приемник Национальной радиоастрономической обсерватории США на 1.3мм, представляющий собой решетку 2x4 СИС приемников с общим гетеродином и квазиоптическим входом [3]. Система с несколько более высоким уровнем интеграции, где имеется единый приемный модуль с семью облучателями, волноводными СИС-смесителями и УПЧ, создается в Чалмерском техническом университете (проект SISYFOS [4]). Есть и другие подобные устройства.

Второй подход реализуется, например, в JPL (CalTech), где создаются квазиоптические системы на 230 и 492ГГц на основе решетки из 2x5 СИС-переходов, интегрированных с дипольными антеннами и размещенных на плоской поверхности параболической кварцевой линзы с металлизированной параболической поверхностью [5]. Подобное устройство на основе ДБШ и гиперполусферической линзы было создано около 15 лет тому назад в НПО "Салют" и успешно испытано в ИПФ РАН [6].

Оптическая схема матричных приемников должна обеспечивать формирование необходимой диаграммы направленности каждого элемента, их достаточно плотную "упаковку", минимальный уровень кросс-поляризационной компоненты, по возможности частотную
независимость и пр. Расчет квазиоптической схемы обычно ведется на основе теории гауссовых пучков. В качестве облучателей используются, как правило, так называемые скалярные рупора.

При этом возникает проблема "упаковки" облучателей, размещаемых обычно в фокальной плоскости антенны. С одной стороны, для получения полной в смысле Найквиста выборки облучатели должны располагаться на расстояниях, не превышающих (  - эффективное фокусное расстояние,  - диаметр антенны). Однако для оптимального облучения антенны размеры рупоров должны быть в несколько раз больше. Эта проблема решается путем последовательного заполнения изображения, а размер облучателей и расстояние между ними выбираются на основе компромисса между указанными требованиями.

Необходимо также учитывать аберрации, которые особенно заметны для элементов, расположенных вдали от оси антенны. В результате диаграмма направленности элементов приемника искажается, в ней появляются сильные боковые лепестки и пр.

Следующая проблема связана с охлаждением приемников. Современные высокочувствительные приемники работают при сверхнизких температурах для снижения собственных шумов. Гетеродинные приемники сейчас создаются на основе СИС- или НЕВ-элементов. Те и другие требуют охлаждения до 4.5 К. Такие температуры достигаются при охлаждении жидким гелием. Но использование заливных систем на радиотелескопе в течение долгого времени неудобно и дорого. Поэтому чаще применяют системы охлаждения замкнутого цикла. Хладопроизводительность их не превышает 1-1.5 Вт, что также ограничивает возможности наращивания числа элементов приемника (в частности, из-за быстрорастущих радиационных теплопритоков при увеличении апертуры окна). Болометры работают при еще более низких температурах, 0.3 К. Такие температуры реализуются в системах охлаждения на основе изотопа гелия He.

Наконец, для матричных приемников, как правило, надо решать проблему компенсации вращения Земли. Все крупные радиотелескопы строятся в альт-азимутальной монтировке. Легко понять, что если не принять специальных мер, то совокупная диаграмма направленности матричного приемника будет поворачиваться на небесной сфере при слежении за источником. Таким образом, накопление сигнала в течение достаточно продолжительного времени от каждой точки источника станет невозможным. Для устранения этого эффекта можно либо вращать приемник целиком, либо использовать дополнительные квазиоптические элементы, компенсирующие вращение Земли.

Все это заметно усложняет конструкцию матричного приемника и ведет к дополнительным потерям. Кроме того, ясно, что однолучевой приемник заведомо можно отладить лучше, чем каждый канал матричного приемника. То есть чувствительность одиночного приемника обычно лучше, чем отдельного канала матричного приемника. Поскольку улучшение чувствительности в два раза сокращает время наблюдений в четыре раза, одиночный приемник в два раза более чувствительный, чем каждый элемент матричного приемника эквивалентен, по сути дела, четырехэлементному матричному и при этом существенно проще и надежнее. Таким образом, чтобы использование матричного приемника было оправданным, нужно, чтобы число его элементов было существенно больше.

В настоящее время в разных обсерваториях мира уже эксплуатируется несколько матричных приемников - как гетеродинных, так и болометрических (выше мы уже упоминали некоторые из них). Дополнительно из первых можно отметить такие системы, как 15 элементный приемник обсерватории пяти колледжей (США), 9 элементный приемник HERA на 30-м антенне IRAM, приемник
SMART обсерватории KOSMA и др. Из решеток болометров -
MAMBO (IRAM), SCUBA (JCMT), SIMBA (SEST).

В ИПФ РАН разрабатывается матричный СИС-приемник диапазона длин волн 3 мм для РТ-22 КрАО. В этой разработке используется опыт совместной работы над аналогичным матричным приемником для 20-м радиотелескопа обсерватории Онсала (Швеция). Рассмотрены разные варианты оптической схемы приемника (рис. 1). В первой у каждого канала имеется собственный корректирующий элемент. Используя скалярный рупор с малым углом раскрыва и линзу, можно создать частотно-независимую систему с коэффициентом использования апертуры до 84 %. Основная проблема здесь - сравнительно большое расстояние между приемными элементами, что приводит к большому разносу их диаграмм направленности. Два других варианта эту проблему решают, но у них есть серьезные недостатки: принципиальная невозможность обеспечить частотную независимость, дополнительные потери 3% и увеличенные габариты, что создает проблемы при размещении на антенне. В результате выбран вариант (а), обеспечивающий достаточно высокий коэффициент использования антенны при приемлемом уровне потерь.

---

<< 1. Введение | Оглавление | 3. Как получить радиоизображение >>