Arecibo: zalety gigantycznej potrawy?
Jestem pewien, że wszyscy słyszeliście o ostatnich wydarzeniach w obserwatorium Arecibo i kontrowersyjnej decyzji o zamknięciu placówki. Słyszałem również, że Arecibo jest drugim co do wielkości obserwatorium radiowym z pojedynczą aperturą na świecie (poza FAST w Chinach).
Słyszałem jednak również, że możliwe jest ustawienie potraw w celu uzyskania znacznie lepszej wydajności niż z pojedynczej anteny, jak w takich obiektach, jak Very Large Array i proponowany Square Kilometer Array. Wydaje mi się, że jest to raczej pożądane rozwiązanie, ponieważ łatwiej byłoby zbudować i wycelować niż pojedynczy gigantyczny teleskop.
Moje pytanie brzmi: jakie są wady tego robienia w porównaniu z prawdziwym gigantycznym daniem, takim jak Arecibo?
PS: Wiem, że Arecibo może również uprawiać astronomię radarową. Ale wydaje mi się, że moje pytanie dotyczy również tego. Czy można zmodyfikować szereg radioteleskopów w celu wykonywania podobnej astronomii i czy byłoby to lepsze / gorsze niż w przypadku jednej anteny?
Odpowiedzi
Radar Astronomia obiektów Układu Słonecznego jest aktywnie uprawiana za pomocą FAST, 70-metrowej anteny Goldstone, Greenbank i do tej pory Arecibo (niektóre tylko w trybie odbioru) w celu zbadania asteroid, które przechodzą blisko Ziemi i miejmy nadzieję, że nas nie uderzą. Zostały nawet użyte do znalezienia martwego statku kosmicznego na orbicie wokół Księżyca za pomocą pasywnego odbicia radaru!
- Dlaczego potrzebna była 100-metrowa antena Green Bank wraz z 70-metrową anteną DSN Goldstone do wykrycia Chandrayaan-1 na orbicie księżycowej?
- Jaki jest najdalszy obiekt, od którego dotychczas byliśmy w stanie odbić sygnały?
- Dlaczego Saturn jest niewidoczny na tym radarowym obrazie jego pierścieni? fajny obraz!
- W jaki sposób Arecibo wykryło jeziora metanowe na Tytanie i wyobraziło sobie pierścienie Saturna?
Więc to jest na temat tutaj, jak również w Astronomy SE.
Nie jestem ekspertem, ale dodam kilka myśli i powitam kontrargumeny.
Odbierz stosunek sygnału do szumu
Jedna duża antena ma jeden przedni odbiornik temperatury $T$ która generuje 1 $k_B T \Delta f$mocy równoważnej szumowi lub NEP. Gdyby zamiast tego było 100 naczyń o średnicy 0,1 dużego talerza każda, otrzymana moc byłaby taka sama, ale NEP byłby 10 lub 100 razy większy. Myślę, że jest tylko 10 razy większy, ponieważ musimy najpierw dodać amplitudy, a następnie kwadrat, aby uzyskać spójną interferometrię, ale mogę się mylić.
Wiele anten pozwala na znacznie ciaśniejszą wiązkę (odbieranie lub wysyłanie), więc w niektórych przypadkach może to zrównoważyć NEP.
Zdobyć
Utrzymując równe powierzchnie całkowite , jedna duża antena i 100 szalek o średnicy 0,1 dużej płytki będą miały taki sam zysk odbioru dla danej częstotliwości, zakładając, że mają proste tuby odbiorcze zoptymalizowane pod kątem odpowiedzi ograniczonej dyfrakcją dla anteny, którą mają. ponownie. Gdy istnieją zestawy rogów podających, sytuacja staje się bardziej skomplikowana 1 .
Całkowita moc otrzymana z danego kierunku, do którego jest skierowana tablica i odpowiednio fazowana, jest w zasadzie całkowitą powierzchnią wszystkich anten, zakładając, że wszystkie są sterowalne, jak większość tablic.
Jednak dla jednej stałej anteny są dwa problemy.
- skośność lub cosinus theta, ponieważ promienie wpadające pod kątem widzą zmniejszony przekrój, który oczywiście dąży do zera przy 90 stopniach.
- zmniejszona apertura, aby pokryć więcej nieba i zredukować aberracje (np. sferyczne!) Litera „S” w FAST oznacza sferyczne. „Chociaż średnica reflektora wynosi 500 metrów (1600 stóp), w dowolnym momencie używany jest tylko okrąg o średnicy 300 m (utrzymywany w prawidłowym kształcie parabolicznym i„ oświetlany ”przez odbiornik)”
Rozdzielczość i konstrukcja wiązki
Co ciekawe, w przypadku transmisji sytuacja wygląda trochę inaczej i jest to jeden z kilku powodów, dla których stacje naziemne głębokiego kosmosu budują naprawdę gigantyczne pojedyncze czasze na naprawdę gigantycznych sterowalnych platformach, zamiast wielu mniejszych naczyń odpowiednio fazowanych.
Podczas gdy naczynie z twardą aperturą będzie miało z grubsza wzór wiązki dysku Airy'ego . Dla amplitudy jako funkcji kąta:
$$E(\theta) = E_0 \frac{2 J_1(k a \sin(\theta))}{k a \sin(\theta)}$$
uwaga: muszę trochę odpocząć, skończę to jak tylko będę mógł wypić kawę, śniadanie, a potem poprawnie to znormalizuję.
Można przypuszczać, że możemy mieć (odpowiednio fazowany) nadajnik radiowy o tej samej mocy w jednej dużej antenie lub 100 mniejszych talerzach, ponieważ dla stacji naziemnej jest dużo mocy.
Jednak rzadki zestaw anten nadawczych zawsze generuje złożony wzór promieniowania. Oprócz szerokiej koperty produkowanej przez$\lambda/D_{dish}$ każdej anteny, znacznie wyższa rozdzielczość całej tablicy $\lambda/D_{array}$będzie naprawdę złożonym wzorem małych plamek. Jeśli spojrzymy na ALMA, a nawet na prekursory, takie jak Meerkat, widzimy, że próbują „zmieszać” to z rodzajem przypadkowego wzoru spiralnego, a nie zwykłej tablicy. Czemu? Ponieważ to częściowo rozwiązuje problem złożonej drobnej struktury we wzorze belek.
- Jakie 16 lokalizacji anten zostało wykorzystanych w tym obrazie radiowym MeerKAT?
Ta kwestia może nie być tak ważna przy transmisji do statku kosmicznego w głębokiej przestrzeni, ale była bardzo ważna podczas celowania w martwy statek kosmiczny w pobliżu Księżyca (oczywiście znacznie większy reflektor, choć o innym przesunięciu dopplerowskim).
Pojedyncza, duża antena i jej czystszy rozkład wiązki przestrzennej są również ważne do obrazowania planet za pomocą radaru. Używając opóźnionego dopplera, można zobrazować powierzchnię obracającej się planety, nawet jeśli nie jest ona rozwiązana przez talerz, ponieważ każda szerokość geograficzna będzie wykonywać inny profil dopplerowski, gdy najpierw porusza się w naszą stronę, a następnie od nas. Jednak nie ma sposobu, aby za pomocą Dopplera rozróżnić dwie półkule, ponieważ dla pochylenia osiowego w pobliżu prostopadłości liczy się tylko bezwzględna wartość szerokości geograficznej. Astronomowie używają wzoru wiązki pojedynczej dużej anteny do naprzemiennego oświetlania preferencyjnego jednej półkuli, a następnie drugiej do generowania kontrastu półkuli, a następnie wykonują wiele obliczeń.
- Co powoduje „niejednoznaczność północ-południe”, gdy radar dopplerowski obrazuje równik na powierzchni planety?
- Dlaczego na radarowych mapach powierzchni Wenus brakuje wycinków?
Z niechlujną, drobną strukturą tablicy, może to być łatwiejsze lub znacznie trudniejsze, w zależności od rozmiaru i odległości obiektu oraz specyfiki tablicy.
Więcej informacji na temat sygnałów można znaleźć w odpowiedziach na:
- Jak obliczyć szybkość transmisji danych sondy Voyager 1? Budżet linków, szum itp.
- Gdyby CubeSat typu MarCO znajdował się na orbicie wokół Bennu, jakiej mocy potrzebowałby do komunikacji z siecią Deep Space? i czy prawidłowo używam twierdzenia Shannona-Hartleya i szumu termicznego? Shannon-Hartley itp.
- Jak satelita szpiegowski podsłuchuje innego satelitę? i jak satelita szpiegowski podsłuchuje innego satelitę? Moc równoważna szumowi
1 Niektóre naczynia, a czasem nawet zestawy naczyń, są wyposażone w matryce płaszczyzny ogniskowej rogów zasilających, które same mogą uczestniczyć w obrazowaniu interferometrycznym:
- W jaki sposób źródła fazowe płaszczyzny ogniskowej ASKAP współdziałają z fazowaniem całej macierzy?
- Jaka jest największa ziarnistość matrycy płaszczyzny ogniskowej w radioteleskopie talerzowym? Czy to JEDYNY?
- Jak określane jest pole widzenia radioteleskopu?
To nie jest sytuacja, która pasuje do wszystkich:
Zdolność rozdzielcza. Opiera się to na średnicy kolektora i bardzo sprzyja podejściu z wieloma talerzami, ponieważ liczy się odległość między naczyniami - dwie naczynia po przeciwnych stronach planety mają taką samą zdolność rozdzielczą, jak jedna misa wielkości planety.
Moc zbierania sygnału. Opiera się to na powierzchni kolektora i jest prawdziwą siłą Arecibo. Aby dopasować zdolność Arecibo do widzenia słabych sygnałów, wymagałoby wielu mniejszych naczyń.
Zwróć uwagę, że podejście z wieloma talerzami dodaje bardzo dużo bólu głowy w porównaniu z trasą z jednym naczyniem. Nie pamiętam wymaganej dokładności, ale jest to niewielki ułamek częstotliwości sygnału. Jest to potrzebne zarówno przestrzennie (wiedząc dokładnie, gdzie znajduje się sprzęt), jak i czasowo. Dlatego zwykle robi się to tylko w paśmie radiowym - podczas gdy teoretycznie można zrobić to samo z teleskopami optycznymi, słyszałem o tym tylko wtedy, gdy lustra są częścią jednej struktury.
Czułość: w idealnym świecie musisz zwiększyć liczbę węzłów w tablicy o 2 rzędy wielkości, aby zwiększyć czułość o 1 rząd wielkości. Absolutnie najlepszy przypadek, potrzeba 100 naczyń, aby wyrównać czułość naczynia o 10-krotnej średnicy. Prawdziwy świat nie jest idealny, więc rzeczywista wydajność będzie mniejsza.
Zakłócenia: rzadkie tablice nie są w stanie w pełni rozróżnić promieniowania pochodzącego z różnych punktów ich pola widzenia. Jasne źródło w płacie bocznym może zakłócać obserwacje w obszarze zainteresowania.
Koszt: im więcej węzłów w macierzy, tym więcej komponentów do utrzymania i aktualizacji. Oddzielny odbiornik i wzmacniacz dla każdej anteny, mechanizmy celowania anteny, zasilanie i przebiegi sygnału dla każdego węzła, itp. Sprzęt przetwarzający wszystkie sygnały i sprawiający, że tablica funkcjonuje jako pojedynczy instrument również nie jest tani. Możesz obniżyć koszty, używając bardzo rzadkiej tablicy, ale ma to kompromisy, jak opisano powyżej.
Transmisja przez macierz rozproszoną jest w rzeczywistości znacznie trudniejsza. Możesz nagrać odebrany przebieg i obliczyć względną fazę, wszelkie odchylenia w podstawach czasowych itp., Podczas późniejszego obliczania liczb. Podczas nadawania rzeczywiste transmisje z każdego węzła muszą być precyzyjnie zsynchronizowane z innymi w czasie rzeczywistym, z dokładnością do ułamka okresu fali transmitowanego sygnału. I oczywiście ilość mocy, którą musisz obsłużyć, jest znacznie wyższa ... podejścia odpowiednie dla małych sygnałów nie będą skalowane do kilowatów do megawatów mocy nadawania.
Ponadto większość mocy przekazywanej przez rzadki układ trafia do bocznych płatów. Jeśli rozłączysz tryby, aby zwiększyć rozdzielczość tablicy i zwęzić wiązkę główną, nie powoduje to rozjaśnienia wiązki, po prostu przekierowuje więcej mocy nadawania na listki boczne. Główna zaleta macierzy, czyli możliwość rozproszenia węzłów i użycie bardzo rzadkiej macierzy w celu poprawy rozdzielczości, w dużej mierze nie dotyczy transmisji.