26.2.2. Двухволновые интерферометры

Разрешающая способность радиотелескопов может быть повышена путем применения техники интерферометрии [373].

Рис. 26. 6. Интерферометр с разнесенными антеннами: а — основные элементы; б - диаграмма направленности с базой в — типичная запись источника шумов с небольшим телесным углом. (См. [227].)

Так, при использовании системы двух антенн, разнесенных на расстояние, равное нескольким длинам волн, вместо обычной диаграммы направленности каждой отдельной антенны формируется диаграмма, имеющая вид веера узких лепестков, максимумы и минимумы которых являются результатом сложения или компенсации сигналов, поступающих с обеих антенн [40]. При пересечении дискретным источником такой диаграммы направленности его сигнал окажется периодически изменяющимся; пропадание сигнала в области минимумов не является существенным недостатком. На рис. 26.6, а иллюстрируется принцип действия интерферометра,

применявшегося Райлом и Вонбергом [227]. В этом интерферометре разность хода волн от источника в направлении, составляющем с плоскостью, проходящей через ось, угол , равна Диаграмма направленности интерферометра выражается соотношением

где диаграмма направленности одиночной антенны. При небольших значениях 0 выражение [26.111 сводится к более простому:

Диаграмма направленности двух антенн с раскрывом X, разнесенных на расстояние изображена на рис. 26.6, б. Типичный образец записи сигналов дискретного источника приведен на рис. 26.6, в. Угловые размеры источника могут быть определены путем рассмотрения лепестковых свойств диаграммы направленности. По максимумам и минимумам записанных сигналов определяется модуль преобразования Фурье для распределения интенсивности исследуемого источника [80]. Если измерения выполняются лишь при одном значении существует множество размеров и форм источников, удовлетворяющих полученному результату. Поэтому необходимы начальные сведения о форме исследуемого источника. В случае измерений при нескольких значениях базы может быть получено большее количество информации об источнике и распределении в нем интенсивности.

Типичный интерферометр для частоты состоит из решетки, включающей 8 полуволновых диполей, смонтированных на высоте над отражающим экраном На частоте интерферометр с двумя параболоидами диаметром разнесенными на расстояние показал разрешающую способность 1,5 [10, 19, 20]. Зеркальный интерферометр Ллойда представляет собой одиночную антенну, размещенную на возвышенном морском берегу [31, 32, 33, 252]. Использовались частоты от до и метод заключался в наблюдении источника, поднимающегося под горизонтом. Если отношение мощностей, принимаемых в максимуме и минимуме интерференционной диаграммы, высота антенны над уровнем моря, то эффективная угловая ширина источника может быть получена из уравнения

Были введены поправки на кривизну Земли, на высоту приливов, атмосферную рефракцию и коэффициент отражения морской поверхностью. При высоте антенны на частоте можно получить разрешающую способность 8 и плотность потока порядку Разрешающую способность простых интерферометров можно улучшить путем увеличения базы, хотя, вероятно, здесь имеется предел, обусловленный неоднородностями атмосферы. Один из интерферометров [192] состоял из большой стационарной и малой

подвижной антенн, причем сигнал от последней передавался к главному приемнику по радиолинии. Время распространения сигналов для каждой антенны до точки смешения выравнивалось с помощью специальных задерживающих элементов. Эта система при базе обеспечивала разрешающую способность Г на частоте

Чувствительность интерферометра может быть повышена путем применения метода фазовой коммутации, предложенного Райлом [232].

Рис. 26. 7. Интерферометр с переключением фазы: а — схема устройства; б - диаграмма направленности антенны, подключенной в фазе и в противофазе (11); в — типичная запись точечного источника шумов. (См. [232].)

Как показано на рис. 26.7, а, фазовая коммутация осуществляется путем периодического включения последовательно с одним из фидеров полуволнового отрезка. При этом интерференционные лепестки смещаются так, что на местах минимумов устанавливаются максимумы, и наоборот. Соответствующие диаграммы направленности изображены на рис. 26.7, б. При противофазных положениях коммутатора выражение (26.12) сводится к следующему:

Если дискретный источник, создающий поток с плотностью Я, находится в направлении 0, мощность в антенне будет содержать составляющую, изменяющуюся с частотой коммутации и с амплитудой

Эта составляющая усиливается, детектируется и подается в избирательный усилитель, на выходе которого стоит синхронный детектор. Постоянное напряжение на выходе синхронного детектора имеет величину и знак, зависящие от интенсивности источника и его углового положения. Если при сканировании производится изменение угла относительные мощности в разные периоды коммутации будут меняться и постоянное напряжение на выходе

синхронного детектора будет колебаться во времени по закону Самописец, подключенный к выходу синхронного детектора, воспроизводит запись характерной формы, образец которой показан на рис. 26.7, в.

Путем модификации интерферометра с коммутацией фазы можно получить интерферометр со слежением по фазе [208]. В следящем интерферометре имеются два канала с одинаковыми супергетеродинными приемниками с двойным преобразованием частоты. В один из каналов через фазовращатель вводится сигнал второго гетеродина; привод фазовращателя включен в контур обратной связи, создающей на выходе синхронного детектора условия, При которых сигнал стремится к нулю. Нулевому состоянию соответствует относительный фазовый сдвиг когерентных сигналов на входе каналов, равный 90°. Таким образом, при изменении фазового сдвига когерентных сигналов фазовращатель повертывается в таком направлении, чтобы сигнал на выходе приводился к нулю. Добавление слежения по фазе позволяет более тщательно изучать фазовую структуру сигналов радиоисточников.

Диаграммы направленности описанных интерферометров вращаются вместе с Землей, что не дает возможности управлять скоростью измерений. Этот недостаток можно устранить путем вращения или качания лепестков диаграммы, если для этого изменять с постоянной скоростью фазу сигнала в одной из антенн. На практике такое изменение фазы удобнее вводить посредством изменения фазы напряжения местного гетеродина, подводимого к соответствующему антенне преобразователю частоты. Выходные напряжения усилителей промежуточной частоты комбинируются, детектируются и подаются на осциллограф, развертка которого синхронизирована с фазовращателем. Дискретные источники будут давать синусоидальный сигнал на экране осциллографа, причем скорость измерения может варьироваться путем регулирования скорости изменения фазы. Сигналы, принимаемые боковыми лепестками, будут сильно ослаблены вследствие подавляющих свойств интерференции на частотах, отличающихся от основной [301]. Так, описывая широкополосный интерферометр, Виткевич [265, 266] выяснил, что интерференционные лепестки, образующиеся за счет разности хода радиоволн различных частот, изменяются при приеме широкополосного излучения.

Этот частотный эффект использован в интерферометре Уилда — Шеридана с качанием частоты [275]. В интерферометре в одно из плеч включен дополнительный фидер длиной Тогда плоские волны, падающие на интерферометр, проходят при приеме двумя антеннами по путям, разность хода которых будет равна Интерферирующие волны принимаются приемником с качающейся частотой настройки и воспроизводятся на осциллографе, на котором получается кривая интенсивности как функция частоты. Очевидно, что воспроизводимый сигнал будет представлять собой спектр источника, модулированного интерферометрической диаграммой,

имеющей максимумы на частотах, для которых и минимумы на частотах, для которых , где целое число. Когда все частоты приходят с одного и того же направления, такие максимумы появляются через одинаковые частотные интервалы, равные для

Таким образом, измерение частот, соответствующих максимуму и минимуму сигнала, позволяет определить угловое положение источника. В оконечном приборе сигналы, поступающие от обеих антенн, могут складываться или перемножаться.

Рис. 26.8. Интерферометр с коррелированным выходом: а — радиолиния и схема коррелирования; б - выходы с трех регистрирующих приборор. (См. [46].)

Новшество в технике интерферометра было введено Брауном и Твиссом [46, 48] и отражено в устройстве, показанном на рис. 26.8, а. Видеочастотные выходные напряжения двух независимых приемников подаются на коррелятор, к выходу которого через интегрирующую депочку подсоединен самописец, записывающий произведение , где коэффициент взаимной корреляции. Также записываются величины вид огибающих этих трех кривых изображен на рис. 26.8, б. Выходное напряжение каждого из приемников пропорционально сигналу источника, собственному шуму и шуму диффузного фона. Две последние составляющие представляются постоянным сдвигом записей и а среднее отклонение обязано своим происхождением только источнику,

так как шумы в каналах некоррелированы. Три записи позволяют определить а по значению и угловой размер 0 с помощью соотношения

Форму источника и распределение яркости можно найти, если воспользоваться базами различной длины и ориентации. В интерферометре для частоты построенном по описанному принципу [45], каждая антенна обладала раскрывом по его ширина полосы пропускания по высокой частоте равна причем фильтр пропускал частоты в диапазоне Для передачи сигнала от базы использована радиолиния; между одной установкой и коррелятором включалась линия задержки. Удовлетворительные результаты были получены при использовании баз длиной 0,3 и