АПЕРТУРНЫЙ СИНТЕЗ

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. Особенности апертурного синтеза рассматриваются ниже на примере радиоастрономических 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, например, в диапазоне сантиметровых волн требуется D порядка сотен метров и более. Традиционные антенны с апертурой такого диаметра реализовать практически невозможно. Поэтому применяют антенные системы с т. н. незаполненной апертурой, достигая высокого углового разрешения путем обработки измерений в отдельных 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 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.