Апертурный Синтез

АПЕРТУРНЫЙ СИНТЕЗ, метод получения высокого углового разрешения с помощью синтеза результатов измерений, выполняемых радиоинтерферометром, состоящим из двух малых апертур, перемещающихся в пределах большой апертуры, и корреляционного (перемножающего) приёмника. Результат измерения методом апертурного синтеза аналогичен измерениям с антенной большой апертуры. При апертурном синтезе выполняется большое количество измерений при различных положениях элементов и результаты суммируются с определёнными весами и фазами.

Метод апертурного синтеза предложен в 1952 году М. Райлом, исследовавшим с его помощью радиоструктуру галактик. В 1974 году Райл совместно с Э. Хьюишем были удостоены Нобелевской премии «за новаторские исследования в радиоастрофизике». Наибольшее распространение апертурный синтез получил в радиоастрономии и радиолокации. В радиоастрономии апертурный синтез используется в связи с задачами исследования углового распределения интенсивности излучения радиоисточника с тонкой структурой от угловых минут до долей секунд. Для таких исследований нужны антенны с отношением d/λ (d - линейный размер апертуры, λ - длина волны) порядка 10³—10⁶, поэтому для сантиметрового диапазона радиоволн d должно быть порядка сотен метров и более. Естественно, обычные антенны с такой апертурой создать невозможно, поэтому апертуру «синтезируют», проводя измерения в отдельных точках, расположенных внутри этой синтезированной апертуры, и выполняя соответствующую обработку измерений. В результате достигается высокое угловое разрешение.

При использовании метода апертурного синтеза большая антенна разбивается на N элементов. Падающие волны, отразившись от каждого элемента, попадают в фокус антенны в фазе. Поэтому высокочастотное напряжение V(t) в фокусе может быть записано в виде суммы составляющих ΔV_i(t) от отдельный элементов:

Мощность Р на выходе приёмника большой антенны пропорциональна среднему значению квадрата напряжения:

Из формулы (2) видно, что результат измерений содержит слагаемые, зависящие от сигналов, получаемых только от пар элементов. Каждое слагаемое может быть измерено с помощью двух малых антенн размером, равным элементу апертуры, находящихся в положениях i и k, и корреляционного (перемножающего) приёмника. Если наблюдаемый участок неба не содержит переменных источников, то такой интерферометр можно использовать для последовательного измерения членов ряда (2).

Отрезок линии восток-запад на поверхности Земли, видимый со стороны удалённого источника, за 12 ч поворачивается на 180°. Если все элементы антенной решётки на этом отрезке следят за источником, то за 12 ч можно синтезировать круглую апертуру в плоскости, перпендикулярной оси вращения Земли, с диаметром, равным длине отрезка. Ширина синтезированной диаграммы в любом направлении обратно пропорциональна проекции апертуры на это направление. Ухудшение разрешающей способности в направлениях, близких к плоскости экватора, устраняется при использовании Т-образной антенной решётки с отрезками, ориентированными в направлениях восток-запад и север-юг (рис.).

Современные системы апертурного синтеза состоят из большого числа полноповоротных антенн и одновременно действующих независимых корреляционных интерферометров, что значительно сокращает время наблюдений. Вращаясь вместе с Землёй, каждый интерферометр измеряет большое число слагаемых ряда (2). Для многоэлементных интерферометров метод апертурного синтеза позволяет синтезировать луч с такой шириной, которая может быть получена с апертурой, имеющей размеры, сравнимые с размерами антенной решётки.

Для более полного извлечения информации из результатов измерений используются априорные сведения о яркости неба. Такая априорная информация позволяет применять системы далеко разнесённых антенн, а также строить карты неба, используя только амплитудные измерения, когда сведения о фазе ненадёжны или отсутствуют.

Первые работы с использованием для апертурного синтеза небольших подвижных антенн были выполнены в Кембридже (Великобритания) в 1954 году. В Сиднее (Австралия) в 1956 году впервые использовалось вращение Земли для синтеза двумерной решётки с помощью линейной. Наиболее известная система апертурного синтеза - антенная решётка VLA (Very Large Array) в штате Нью-Мексико (США), завершена в 1981 году. Она состоит из 27 полноповоротных параболоидов диаметром 25 м каждый, которые могут перемещаться вдоль трёх 21-километровых рельсовых путей, проложенных в виде буквы Y. Угловое разрешение этой системы на длине волны 1,3 см составляет 0,05".

Метод апертурного синтеза используется также в интерферометрах, образованных антеннами, разнесёнными на сотни и тысячи километров (радиоинтерферометры со сверхдлинными базами). Это позволяет синтезировать апертуры, сравнимые с размерами Земли, и получать угловое разрешение порядка 0,001", намного превосходящее достигнутое в оптической астрономии. В перспективе - создание апертур Земля-космос, часть элементов которых будет размещена на космических аппаратах (проект «Радиоастрон», Россия).

Лит.: Kraus J.D. Radio astronomy. 2nd ed. Powell, 1986; Христиансен У., Хёгбом И. Радиотелескопы. М., 1988.