Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
§ 130. АНТЕННЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫК этому классу относятся излучающие и приемные устройства, состоящие из двух или нескольких антенн, которые объединены общей системой управления излучаемой мощностью и обработки принимаемого сигнала. Антенные или радиоинтерферометры по своим физическим принципам аналогичны оптическим, правда, в отличие от последних они используются не только в качестве приемников излучения с высоким пространственным (угловым) разрешением, но и как источники остронаправленного излучения. Для краткости оба вида систем — и приемную, и передающую — мы будем называть радиоинтерферометрами. Выше, в § 128, уже встречался один из радиоинтерферометров — антенна, работающая по интерференционной схеме «зеркало Ллойда» (задача 2). 1. Аддитивный радиоинтерферометр (рис. XXI.22) является простейшим устройством в этой группе антенн. Он представляет собой пару антенн (радиотелескопов), сигналы от которых суммируются, складываются регистрирующим устройством, причем величина каждого из сигналов пропорциональна напряженности поля падающей волны вблизи антенны. Такой радиоинтерферометр полностью аналогичен оптическому двухлучевому интерферометру по схеме Юнга.
Рис. ХХI.22. Схема аддитивного интерферометра.
Рис. XXI.23. Схема телескопа-интерферометра Физо. А, В — световые лучи от точечных источников (находящихся в «бесконечности»); 1,2 — щели; условно показано распределение интенсивности в интерференционных картинах от каждого из источников. Радиоастрономия — детище XX в., «младшая сестра» одной из самых древних наук на Земле — астрономии. Первая попытка измерения угловых размеров звезд была сделана Галилеем. Он натянул нить и измерил расстояние от нее до глаза, при котором нить перекрывала звезду Вегу. Результат, полученный Галилеем Интерференционные методы измерения угловых размеров источников пришли в радиоастрономию также из астрономии. Первое применение интерференционных методов в астрономии относится к прошлому веку (Физо, 1868 г.). В методе Физо на телескоп устанавливается экран с двумя щелями, расстояние между которыми можно изменять. Такой интерферометр является аналогом схемы Юнга, а его действие проще всего объяснить на примере измерения углового расстояния между двумя точечными монохроматическими источниками (рис. XXI.23). В фокальной плоскости телескопа возникают две наложенные друг на друга интерференционные картины. Очевидно, максимумы одного и того же порядка
где Мы видим, что в этом методе угловое разрешение практически не превосходит дифракционный предел. Однако работа Физо дала толчок развитию интерференционных методов в астрономии.
Рис. XXI.24. Схема «звездного интерферометра Майкельсона». Показан ход лучей от источника А. Следующий шаг был сделан Майкельсоном и Пизом (1920 г.), построившими прибор, получивший название «звездный интерферометр Майкельсона». В нем щели были заменены парой зеркал Интерферометр Майкельсона работает обычно в видимом свете широкого спектрального состава. Поэтому на него распространяются ограничения, связанные с немонохроматичностью волны (см. § 94). В частности, видность интерференционной картины (см. (94.2), (94.3)) содержит дополнительный множитель Аналогичные методы применяются и в современной радиоастрономии. При работе пары телескопов, объединенных в схему аддитивного интерферометра, радиоизлучение от одной («точечной») звезды А дает сигнал, пропорциональный интенсивности суммарного поля в первом и втором телескопах
Аналогичный сигнал дает радиоизлучение звезды В, а суммарный сигнал пропорционален
Здесь принято для простоты огибающей
что согласуется с (130.1). Конечно, описание на примере двух точечных источников использовано здесь для простоты. Заметим, что, говоря о «четких» и «размытых» интерференционных картинах, мы можем вернуться к уже введенному ранее понятию видности (см. § 92). Регистрация видности интерференционной картины при перестройке базы интерферометра позволяет не только определить угловой размер источника, но и получить гораздо большую информацию — распределение яркости по поверхности его. Действительно, в задаче 1 § 93 мы показали, что видность интерференционной картины в схеме Юнга, освещаемой протяженным источником, пропорциональна модулю фурье-образа (по переменной а) его яркостной функции. Очевидно, что этот результат справедлив и для аддитивного интерферометра. Обратное фурье-преобразование по известной функции Обсудим роль апертуры телескопа. В соотношениях (130.2), (130.3) опущена функция
где
Если телескоп ориентирован на звезду, угол Существуют, однако, телескопы, положение которых по отношению к Земле фиксировано. Обычно это устройства больших
Рис. XXI.25. Сигнал аддитивного интерферометра с двумя неподвижными телескопами при наблюдении «точечных» звезд, движущихся по небосводу в плоскости телескопов. Телескопы ориентированы в зенит. Для иллюстрации особенностей функции
Рис. ХХI.26. Схема интерферометра интенсивностей. размеров, и для их ориентации используется естественное вращение Земли, Если, например, оси обоих телескопов направлены в зенит, то угол
Для симметричного интерферометра Следует отметить, что все измерения в радиоастрономии проводятся обычно в 2. Интерферометр интенсивностей (корреляционный интерфе рометр). В 1954 г. австралийские физики Браун и Твисс предложили и осуществили принципиально новый и необычный вид интерферометра, в котором приемники в телескопах регистрируют не поле волны, а квадрат его амплитуды, т. е. интенсивность волны. В оптике это достигается, если световой поток измеряется фотоумножителем, в радиодиапазоне — соответствующей характеристикой усилителя. Сигналы, полученные от каждого из двух телескопов, подвергаются затем специальной корреляционной обработке. Метод основан на том, что при узкой полосе пропускания системы Пусть
где у. — некоторый коэффициент пропорциональности, а флуктуирующая фаза
Сигнал от второго телескопа имеет точно такой же вид, но его фаза
сдвинута за счет запаздывания волны (рис. XXI. 26),
Если теперь перемножить переменные части обоих сигналов:
где В частности, поэтому интерферометр интенсивностей позволяет, как и аддитивный интерферометр, измерять распределение яркости по источнику путем перестройки. Разрешение интерферометра по-прежнему описывается соотношением (130.4). Современные радиоинтерферометры интенсивностей имеют базу вплоть до размера нашей планеты. Телескопы различных обсерваторий мира объединяются в пары (и более сложные системы), образуя интерферометры с базами в несколько тысяч километров, что позволяет достигать разрешений порядка
Рис. XXI.27. Линейная решетка. 1 — зеркало (сектор параболоида); 2— приемники излучения. Такие интерферометры используют, конечно, вращение Земли. Совместно с зарубежными «коллегами» работают и советские радиотелескопы. Одну из самых больших баз (11570 км) имеет пара радиотелескопов — один в Крымской обсерватории АН СССР в Интерферометр интенсивностей имеет еще одно интересное применение — как корреляционный радиолокатор, работающий на шумовых радиосигналах. В таком локаторе сигнал генератора делится на две (существенно не равные по мощности) части, одна из которых излучается антенной и, частично отразившись от объекта, возвращается назад, поступает на один вход регистрирующей системы, а на другой вход подается через линию задержки вторая часть сигнала. Интерферируя, они дают информацию о положении и скорости объекта. 3. Линейная решетка представляет собой антенный интерферометр, состоящий из нескольких телескопов, выстроенных по одной прямой (рис. XXI.27) и объединенных общей системой обработки информации. Решетка может работать как по принципу аддитивного интерферометра, так и по принципу интерферометра интенсивностей. Оптическим аналогом линейной решетки является одномерная дифракционная решетка. Аналогично выражениям для сигнала аддитивного интерферометра (130.3), (130.5) нетрудно получить выражения для линейной решетки, освещаемой точечной звездой (плоская волна), движущейся в плоскости решетки:
где, как и прежде,
Таким образом, разрешение, как и прежде, определяется базой интерферометра а. 4, Двумерная решетка, или «крест Миллса», представляет собой две скрещенные линейные решетки. Оптический аналог этой антенны — двумерная дифракционная решетка. Если линейная решетка обладает высоким разрешением в одной плоскости (проходящей через линию решетки), то «крест» имеет высокое разрешение в двух взаимно ортогональных плоскостях. Каждое из двух значений Апертура отдельных телескопов, входящих в состав решеток, выбирается из конструктивных и физических соображений: с увеличением апертуры телескопы становятся все более сложными сооружениями, но при этом возрастает их чувствительность — полный поток, собираемый телескопом. Линейные решетки и «кресты» являются довольно распространенным типом интерферометров. В Советском Союзе один из таких интерферометров ДКР-1000 работает в Серпуховской обсерватории Физического института им. Лебедева
5. Антенные фазированные решетки. Для радиолокатора высокое пространственное разрешение необходимо сочетать с возможностью быстрого изменения направления излучения. Эта Рис. XXI.28. (см. скан) Сибирский солнечный радиотелескоп. противоречивая проблема решается в так называемых фазированных решетках, представляющих собой матрицу
Очевидно, что направленность излучения такой антенны в плоскости, проходящей через ось антенны, есть по-прежнему
Рис. XXI.29. Линейная фазированная решетка.
Рис. XXI.30. Приемная антенна Западно-Сибирского управления гидрометслужбы. Фазированные решетки — очень сложные и дорогостоящие радиотехнические сооружения. Необходимость быстрой и синхронной перестройки линий задержки по заданному закону предъявляет серьезные требования к управляющей радиоаппаратуре. Антенные фазированные решетки находят применение и в радиоастрономии. Примером таких сооружений может служить Большая сканирующая антенна 6. Синтез апертуры. Пара телескопов, один из которых подвижный, может обеспечивать высокое разрешение по двум направлениям, если при своем перемещении подвижный телескоп покрывает некоторую площадь, например квадрат а X а. Говорят, что такой интерферометр «синтезирует» апертуру. Разрешение интерферометра по-прежнему определяется соотношением (130.4). Существуют большие телескопы, выполненные в виде секторов параболоида или линейных решеток и обладающие высоким разрешением
Рис. ХХI.31. Схема работы локатора бокового обзора.
Рис. XXI.32. Схема метода покрытия Луной. по одному направлению. Для синтеза апертуры в них используется естественное вращение Земли. Конечно, обработка информации в этом методе представляет собой более сложную задачу. Метод синтеза апертуры применяется и в радиолокации — так называемые радиолокаторы бокового обзора, предназначенные для радиолокационной съемки местности. Радиолокатор, установленный на борту самолета, излучает в интервале 7. Метод покрытия Луной следовало бы назвать, строго говоря, дифракционным методом, так как он использует явление дифракции электромагнитной волны на краю экрана — лунного диска. Идею метода можно пояснить на простейшем примере двух точечных источников, на которые постепенно «наплывает» край лунного диска (рис. XXI.32). Свет каждого из источников дифрагирует на краю диска, в результате интенсивность излучения, падающего в каждый данный момент времени на зеркало телескопа от источников А, В, описывается соотношением (99.6), в котором
Положим
Записывая эту интерференционную картину при движении Луны и регистрируя одновременно положение источника А на небосводе (т. е. измеряя Точность, с которой можно измерить значение 8. Радиолокационный метод изучения планет — одно из интересных направлений астрофизики. В качестве наиболее значительных достижений этого метода можно указать полученную советскими радиоастрономами (г. Горький) в 70-х годах картину поверхности планеты Венера. Карта была настолько точной, что позднее она позволила американским исследователям осуществить вывод на орбиту вокруг Венеры низколетящих спутников, с помощью которых сняли (также радиолокационными методами) более детальную карту поверхности. Любопытно, что последняя, в свою очередь, способствовала выбору наиболее подходящего места для посадки на Венеру в 1981 г. советской автоматической станции. Одна из главных трудностей в радиолокационном изучении планет связана с громадным ослаблением приходящего на Землю сигнала, отраженного планетой. Его интенсивность падает обратно пропорционально четвертой степени расстояния от Земли до планеты (интенсивности прямой и отраженной волн убывают обратно пропорционально квадрату расстояния). Поперечный размер волнового фронта вблизи планеты обычно во много раз превышает ее размеры. При отражении излучения от планеты каждая точка ее поверхности является источником новой, также широко расходящейся волны. В волне, приходящей на Землю, приемно-анализирующая система радиотелескопа выделяет парциальные сигналы, отраженные разными областями планеты. Для этого используются результаты измерений доплеровского смещения частоты и относительного запаздывания сигнала. Величина доплеровского смещения, возникающего из-за вращения планеты, зависит от положения точки отражения на планете (задача 1). Задача 1. Найти сдвиг частоты сигнала, отраженного точкой поверхности планеты, отстоящей на расстояние Частота сигнала локатора в сопутствующей системе, движущейся со скоростью точки А, есть
Таким образом, сдвиг частоты отраженного сигнала
где Прежде всего оценим величину сдвига частоты. Период обращения Венеры 242,98 земных суток, так что Из соотношения (130.14) следует еще одно замечательное обстоятельство: на поверхности планеты существуют кольцевые зоны одинакового сдвига частоты отраженного сигнала. Эти зоны расположены вдоль линии пересечения сферической поверхности планеты с плоскостью
Рис. XXI.33. К расчету сдвига частоты сигнала, отраженного планетой (вид на планету вдоль оси ее вращения).
Рис. XXI.34. Зоны одинакового сдвига частоты плоскостью Даже при минимальном удалении Венеры от Земли запаздывание сигнала в среднем составляет около 5 мин, а точность измерения запаздывания в радиолокационном методе достигает нескольких микросекунд (порядка Задача 2. Оценить размер области локализации на планете Венера, если разрешение по частоте 1 Гц, по запаздыванию Из (130.14) получим точность измерения координаты х (см. рис. XXI.33) Радиолокация планет, кроме данных о структуре их поверхности, позволяет получить много других ценных сведений. В частности, с помощью этого метода с высокой точностью измерены параметры орбит Венеры, Меркурия и спутника нашей планеты — Луны. Локация Венеры или Меркурия вблизи фазы максимального удаления от Земли (когда прямая, соединяющая планеты, касательна к поверхности Солнца) открывает возможности интересных экспериментов для проверки общей теории относительности. Эти примеры подтверждают тот замечательный факт, что астрофизика (и часть ее — астрономия) в наше время перестала быть наукой описательной, а стала наукой экспериментальной. 9. «Радиовидение», или голография в радиодиапазоне. Принципы голографии, описанные в главе XVII, могут быть перенесены и
Рис. ХХI.35. Схема регистрации радиоголограммы. в радиодиапазон. Одна из возможных схем регистрации радиоголограммы показана на рис. XXI.35. Волна радиолокатора, рассеянная объектом, регистрируется (по амплитуде и фазе) приемной антенной решеткой, причем в интерферометрическое устройство поступают последовательно сигналы от каждого элемента решетки. В интерферометрическом устройстве сигналы интерферируют с опорным сигналом генератора и записываются. При записи учитывается очередность сигналов, так что в памяти записывающего устройства (ЭВМ) возникает двумерная матрица-голограмма. Для ее восстановления нужно каким-либо способом спроектировать эту запись на экран (или экспонировать фотопленку и проявить) и восстановить в свете лазера. Такая схема является аналогом схемы голографии Френеля, и восстановленное изображение будет уменьшено в отношение длин волн, т. е. в несколько сотен тысяч раз. Поэтому более реальным (а главное, оперативным) представляется метод послойного воспроизведения на экране дисплея изображения, восстановленного в ЭВМ соответствующими вычислительными операциями. Очевидно, разрешение такой голограммы будет определяться размерами приемных элементов антенной решетки. В заключение укажем на одно любопытное и практически: очень важное «земное» применение радиоастрономических интерференционных методов. Можно обратить задачу и по интерференционной картине от излучения точечного источника измерять с высокой точностью базу аддитивного интерферометра, состоящего из неподвижного и подвижного (одного или нескольких) телескопов-Последний может перемещаться на значительные расстояния. Измеряя базу интерферометра, можно с высокой точностью определять расстояние между телескопами (между фокусами их зеркал!)
|
1 |
Оглавление
|