Arecibo : 거대한 접시의 장점?

Nov 22 2020

아레 시보 천문대에서의 최근 사건과 논란의 여지가있는 시설 폐쇄 결정에 대해 모두 들으 셨을 것입니다. 또한 Arecibo가 세계에서 두 번째로 큰 단일 조리개 전파 천문대 (중국의 FAST 외부)라고 들었습니다.

그러나 Very Large Array 및 제안 된 Square Kilometer Array와 같은 시설에서와 같이 단일 접시에서보다 훨씬 더 나은 성능을 달성하기 위해 접시를 배열 할 수 있다고 들었습니다. 나에게 이것은 하나의 거대한 망원경보다 만들고 가리키는 것이 더 쉽기 때문에 다소 바람직한 해결책처럼 보입니다.

제 질문은 Arecibo와 같은 진정한 거대한 요리를 갖는 것과 비교했을 때 이것을하는 것의 단점은 무엇입니까?

추신 : Arecibo가 레이더 천문학도 할 수 있다는 것을 알고 있습니다. 그러나 내 질문은 그것으로 확장되는 것 같습니다. 전파 망원경의 배열을 수정하여 유사한 천문학을 수행 할 수 있습니까? 이것이 하나의 접시를 사용하는 것보다 더 좋거나 나쁠까요?

답변

11 uhoh Nov 22 2020 at 07:19

태양계 물체의 레이더 천문학은 FAST, Goldstone 70m 접시, Greenbank 및 지금까지 Arecibo (일부는 수신 모드에서만 가능)를 사용하여 소행성이 지구 근처를 지나가고 우리를 치지 않기를 바랍니다. 그들은 수동 레이더 반사를 통해 달 주위를 공전하는 죽은 우주선을 찾는 데에도 사용되었습니다!

달 궤도에서 Chandrayaan-1을 탐지하기 위해 DSN의 70m Goldstone 접시와 함께 100m Green Bank 접시가 필요한 이유는 무엇입니까?
지금까지 신호를 반송 할 수 있었던 가장 먼 물체는 무엇입니까?
이 반지의 레이더 이미지에서 토성이 보이지 않는 이유는 무엇입니까? 멋진 이미지!
Arecibo는 어떻게 타이탄에서 메탄 호수를 감지하고 토성의 고리를 이미지화 했습니까?

그래서 이것은 Astronomy SE와 마찬가지로 여기에서 주제에 관한 것입니다.

나는 전문가는 아니지만 몇 가지 생각을 추가하고 반론을 환영 할 것입니다.

신호 대 잡음비 수신

하나의 큰 접시에는 온도에서 하나의 프런트 엔드 수신기가 있습니다. $T$ 생성하는 1 $k_B T \Delta f$소음 등가 전력 또는 NEP의. 대신 접시 직경이 0.1 인 접시가 100 개 있으면 수신 전력은 동일하지만 NEP는 10 배 또는 100 배 더 큽니다. 일관된 간섭 측정을 위해 먼저 진폭을 추가 한 다음 정사각형을 추가해야하므로 10 배만 더 크다고 생각하지만 틀릴 수 있습니다.

여러 접시는 훨씬 더 타이트한 빔 (수신 또는 전송)을 허용하므로 경우에 따라 NEP를 상쇄 할 수 있습니다.

이득

총 면적을 동일하게 유지하면 , 접시 에 대한 회절 제한 응답에 최적화 된 간단한 수신 뿔이 있다고 가정하면 큰 접시 1 개와 접시 지름 0.1 개의 접시 100 개가 주어진 주파수에 대해 동일한 수신 이득 을 갖게됩니다. 다시. 피드 혼 어레이가 있으면 더 복잡해집니다 ¹ .

배열이 지시되고 그에 따라 위상이 조정되는 주어진 방향에서받은 총 전력은 기본적으로 모든 요리의 총 면적이며, 대부분의 배열과 같이 모두 조종 가능하다고 가정합니다.

그러나 단일 고정 접시에는 두 가지 문제가 있습니다.

비스듬히 또는 코사인 세타. 비스듬히 들어오는 광선은 축소 된 단면을 보므로 물론 90도에서 0도됩니다.
수차 (예 : 구면!)를 줄이기 위해 더 많은 하늘을 덮기 위해 조리개를 줄였습니다. FAST 의 "S" 는 구면 용입니다. "반사경의 직경은 500 미터 (1,600 피트)이지만 직경 300m의 원만 사용됩니다 (올바른 포물선 모양으로 유지되고 수신기에 의해"조명 "됨))"

해상도 및 빔 구조

흥미롭게도 전송에있어 상황이 약간 다르며, 이것은 심 우주 지상국이 적절한 단계의 많은 작은 접시 대신 진정으로 거대한 조종 가능한 플랫폼에 진정으로 거대한 단일 접시를 만드는 여러 이유 중 하나입니다.

하드 조리개 접시는 대략 에어리 디스크 빔 패턴을 갖습니다 . 각도의 함수로서 진폭의 경우 :

$$E(\theta) = E_0 \frac{2 J_1(k a \sin(\theta))}{k a \sin(\theta)}$$

참고 : 잠시 휴식을 취해야합니다. 커피와 아침 식사를 마실 수있는대로 완료 한 다음 올바르게 정상화하겠습니다.

지상 에있는 지상국 에는 많은 전력이 있기 때문에 아마도 우리는 하나의 큰 접시 또는 100 개의 작은 접시에 동일한 전력을 가진 (적절한 위상의) 라디오 송신기를 가질 수 있습니다 .

그러나 전송 접시의 희박한 배열은 항상 복잡한 방사 패턴을 생성합니다. 에 의해 생성 된 넓은 봉투 외에도$\lambda/D_{dish}$ 각 접시의 전체 배열의 훨씬 높은 해상도 $\lambda/D_{array}$정말 작은 반점의 복잡한 패턴이 될 것입니다. ALMA 또는 Meerkat과 같은 선구자를 보면 정규 배열이 아닌 임의의 나선형 패턴으로 "혼합"하려고 시도하는 것을 볼 수 있습니다. 왜? 이는 부분적으로 빔 패턴의 복잡한 미세 구조의 문제를 완화시킨다.

이 MeerKAT 라디오 이미지에는 어떤 16 개의 안테나 위치가 사용 되었습니까?

이 문제는 깊은 우주에서 우주선으로 전송하는 데 그렇게 중요하지 않을 수 있지만 달 근처의 죽은 우주선을 목표로 할 때는 매우 중요했습니다 (도플러 이동은 다르지만 분명히 훨씬 더 큰 반사체).

하나의 큰 접시와 더 깨끗한 공간 빔 패턴은 레이더를 사용하여 행성을 이미징하는데도 중요합니다. 지연 도플러를 사용하면 접시에 의해 해결되지 않은 경우에도 회전하는 행성의 표면을 이미지화 할 수 있습니다. 각 위도는 처음에 우리를 향해 이동 한 다음 우리에게서 멀어 질 때 다른 도플러 프로파일을 실행하기 때문입니다. 그러나 수직에 가까운 축 기울기의 경우 중요한 위도의 절대 값일 뿐이므로 도플러를 사용하여 두 반구를 구별 할 수 없습니다. 천문학 자들은 하나의 큰 접시의 빔 패턴을 사용하여 한 반구의 우선 조명을 번갈아 가며 다른 반구 대비를 생성 한 다음 많은 계산을 수행합니다.

도플러 레이더가 행성 표면 적도를 촬영할 때“남북 모호성”을 일으키는 원인은 무엇입니까?
금성 표면의 레이더지도에 누락 된 조각이있는 이유는 무엇입니까?

배열의 복잡한 구조를 사용하면 객체의 크기와 거리 및 배열의 특성에 따라 더 쉬울 수도 있고 더 어려울 수도 있습니다.

신호 문제에 대한 자세한 내용은 다음에 대한 답변을 참조하십시오.

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스파이 위성이 다른 위성을 어떻게 도청합니까? 와 어떻게 다른 위성에 스파이 위성 도청? 소음 등가 전력

¹ 일부 요리 및 때로는 요리 배열에는 간섭계 이미징에 참여할 수있는 피드 혼의 초점면 배열이 장착되어 있습니다.

ASKAP의 초점면 위상 배열 피드는 전체 배열 위상과 어떻게 상호 작용합니까?
접시 전파 망원경에서 가장 높은 입도 초점면 배열은 무엇입니까? 아니면 이것이 유일한 사람입니까?
전파 망원경의 시야는 어떻게 결정됩니까?

5 LorenPechtel Nov 22 2020 at 06:00

모든 상황에 적합한 상황은 아닙니다.

분해능. 이것은 수집기의 직경을 기반으로하며 접시 사이의 거리가 중요하기 때문에 다중 접시 접근 방식을 매우 선호합니다. 행성 반대편에있는 두 접시는 행성 크기의 접시 하나와 동일한 분해능을 갖습니다.
신호 수집 능력. 이것은 수집기의 표면적을 기반으로하며 Arecibo의 진정한 강점이었습니다. 희미한 신호를 보는 Arecibo의 능력과 일치하려면 훨씬 적은 요리 가 필요합니다 .

다중 접시 접근 방식은 단일 접시 경로에 비해 끔찍한 두통을 추가합니다. 필요한 정확도는 기억 나지 않지만 신호 주파수의 작은 부분입니다. 이것은 공간적으로 (장비가 어디에 있는지 정확히 알고 있음) 시간적으로 필요합니다. 이것이 일반적으로 무선 대역에서만 수행되는 이유입니다. 이론적으로는 거울이 모두 하나의 구조의 일부일 때만 수행된다는 소식을 들었던 광학 망원경으로도 동일한 작업을 수행 할 수 있습니다.

4 ChristopherJamesHuff Nov 22 2020 at 06:06

민감도 : 이상적인 세계에서는 민감도를 1 배 증가 시키려면 어레이의 노드 수를 2 배 증가시켜야합니다. 절대적으로 가장 좋은 경우는 직경이 10 배인 접시의 감도와 동일하게하려면 100 개의 접시가 필요합니다. 실제 세계는 이상적이지 않으므로 실제 성능은 이보다 적습니다.

간섭 : 희소 배열은 시야의 다른 지점에서 나오는 방사선을 완전히 구별 할 수 없습니다. 사이드 로브의 밝은 광원은 관심 영역의 관찰을 방해 할 수 있습니다.

비용 : 어레이에 노드가 많을수록 유지 관리 및 업그레이드 할 구성 요소가 많아집니다. 각 접시에 대한 별도의 수신기와 증폭기, 접시를 조준하는 메커니즘, 각 노드에 대한 전력 및 신호 실행 등. 모든 신호를 처리하고 어레이를 단일 기기로 작동하도록하는 장비도 저렴하지 않습니다. 매우 희소 한 배열을 사용하여 비용을 줄일 수 있지만 위에서 설명한 것과 같은 단점이 있습니다.

분산 어레이를 통한 전송은 실제로 훨씬 더 어렵습니다. 수신 된 파형을 기록하고 나중에 숫자를 처리하면서 상대 위상, 타임베이스의 스큐 등을 해결할 수 있습니다. 전송할 때 각 노드의 실제 전송은 전송되는 신호의 파동주기의 일부 내에서 실시간으로 다른 노드와 정확하게 동기화되어야합니다. 물론 처리해야하는 전력의 양은 훨씬 더 높습니다. 작은 신호에 적합한 접근 방식은 전송 전력의 킬로와트에서 메가 와트까지 확장되지 않습니다.

또한 희소 배열을 통해 전달되는 전력의 대부분은 사이드 로브로 이동합니다. 어레이의 해상도를 높이고 메인 빔을 더 좁게 만들기 위해 모드를 분리하면 빔이 더 밝아지지 않고 더 많은 전송 전력이 사이드 로브로 리디렉션됩니다. 어레이의 주요 이점, 노드를 분산하고 해상도를 향상시키기 위해 매우 희소 한 어레이를 사용할 수 있다는 점은 전송에 거의 적용되지 않습니다.