25.69M

Category:

physics

Радиотелескопы

1.

Презентацию подготовили: Куликов Артём
и Берадзе Лиза

ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Радиотелескоп — астрономический инструмент для
приёма собственного радиоизлучения небесных объектов и
исследования
их
характеристик,
таких
как:
координаты, пространственная структура, интенсивность
излучения, спектр и поляризация.

11.

МЕСТО РАДИОТЕЛЕСКОРА СРЕДИ
АСТРОНОМИЧЕСКИХ ИНСТРУМЕНТОВ
Радиотелескопы созданы для улавливания низкочастотных излучений, поэтому
занимают начальное положение среди астрономических инструментов на
шкале электромагнитных волн.
Радиотелескопы располагают далеко от главных населённых пунктов, чтобы
максимально уменьшить электромагнитные помехи от устройств, излучающих
радио- и микроволны.
В отличие от оптических телескопов, которые стремятся установить как
можно выше, дабы минимизировать воздействие турбулентности атмосферы
на качество изображения, радиообсерватории располагают в долинах или
низинах, которые защищают от влияния техногенных электромагнитных
шумов.

12.

ИСТОРИЯ (1). НАЧАЛО
История радиотелескопов берёт своё начало в 1931 году, с экспериментов Карла Янского на
полигоне фирмы Bell Telephone Labs. Для исследования направления прихода грозовых помех
он построил вертикально поляризованную однонаправленную антенну типа полотна Брюса.
Антенна была соединена с чувствительным приёмником, на выходе которого стоял самописец
с большой постоянной времени.
В декабре 1932 году Янский уже сообщал о первых результатах, полученных на своей
установке. В статье сообщалось об обнаружении «… постоянного шипения неизвестного
происхождения», которое «… трудно отличить от шипения, вызываемого шумами самой
аппаратуры. Направление прихода шипящих помех меняется постепенно в течение дня, делая
полный оборот за 24 часа». В двух своих следующих работах, в октябре 1933 года и октябре
1935 года, постепенно пришёл к заключению, что источником его новых помех является
центральная область нашей галактики, причём наибольший отклик получается, когда антенна
направлена на центр Млечного Пути.
Янский сознавал, что прогресс в радиоастрономии потребует антенн больших размеров с
более острыми диаграммами, которые должны быть легко ориентируемы в различных
направлениях. Он сам предложил конструкцию параболической антенны с зеркалом 30,5 м в
диаметре для работы на метровых волнах. Однако его предложение не получило поддержки в
США.

13.

14.

ИСТОРИЯ (2).
ВТОРОЕ РОЖДЕНИЕ
В 1937 году Гроут Ребер, радиоинженер из
Уэтона, заинтересовался работой Янского и
сконструировал на заднем дворе дома своих
родителей антенну с параболическим рефлекторо
м диаметром 9,5 м. Эта антенна имел
меридианную монтировку, то есть была
управляема лишь по углу места, а изменение
положения лепестка диаграммы по прямому
восхождению достигалось за счёт вращения
Земли.
Антенна Ребера была меньше, чем у Янского, но
работала на более коротких волнах, и
её диаграмма направленности была значительно
острее.

15.

ПЕРВЫЕ РАДИОКАРТЫ
Совершенствуя свою аппаратуру, Ребер предпринял
систематический обзор неба и в 1944 году опубликовал
первые радиокарты небосвода на волне 1,87 м. На картах
отчётливо видны центральные области Млечного Пути и
яркие радиоисточники в созвездии Стрельца, Лебедь
A,
Кассиопея
A,
Большого
Пса
и
Кормы.
Карты Ребера достаточно хороши даже по сравнению с
современными картами метровых длин волн.

16.

17.

КРАТКО ОБ УСТРОЙСТВЕ (1)
Радиотелескоп состоит из двух основных элементов: антенного устройства и
сверхчувствительного приёмного устройства — радиометра. Радиометр
усиливает принятое антенной радиоизлучение и преобразует его в форму,
удобную для регистрации и обработки.
Конструкции антенн радиотелескопов отличаются большим разнообразием,
что обусловлено очень широким диапазоном длин волн, используемых
в радиоастрономии (от 0,1 мм до 1000 м). Антенны радиотелескопов,
принимающих миллиметровые — метровые волны, чаще всего представляют
собой параболические отражатели, подобные зеркалам обычных оптических
рефлекторов.

18.

19.

КРАТКО ОБ УСТРОЙСТВЕ (2)
В фокусе параболоида устанавливается облучатель — устройство,
собирающее радиоизлучение, которое направляется на него зеркалом.
Облучатель передаёт принятую энергию на вход радиометра, и, после
усиления и детектирования, сигнал регистрируется на ленте самопишущего
электроизмерительного
прибора.
На
современных
радиотелескопах
аналоговый сигнал с выхода радиометра преобразуется в цифровой и
записывается на жёсткий диск в виде одного или нескольких файлов.
Для приведения полученных измерений к абсолютным значениям плотности
потока излучения ко входу радиометра вместо антенны подключается
генератор шума известной мощности.

20.

21.

КРАТКО О ПРИНЦИПАХ РАБОТЫ, БЕЗ
ФОРМУЛ И СЛОЖНЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ
Принцип
работы
радиотелескопа
больше
схож
с
принципом
работы фотометра, нежели оптического телескопа. Радиотелескоп не может
строить изображение непосредственно, он лишь измеряет энергию излучения,
приходящего с направления, в котором «смотрит» телескоп. Таким образом,
чтобы получить изображение протяженного источника, радиотелескоп должен
промерить его яркость в каждой точке.
Ввиду дифракции радиоволн на апертуре телескопа измерение направления на
точечный источник происходит с некоторой ошибкой, которая
определяется диаграммой направленности антенны и накладывает
фундаментальное ограничение на разрешающую способность инструмента.
Чтобы улучшить разрешающую способность, нужно либо уменьшить длину
волны, либо, что более часто, увеличить апертуру.

22.

РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРЫ
Помимо увеличения апертуры, существует ещё один способ увеличить
разрешающую способность.
Если взять две антенны, расположенных на некотором расстоянии друг от
друга, то сигнал от источника до одной из них будет приходить чуть раньше,
чем до другой. Если затем сигналы с двух антенн проинтерферировать, то из
результирующего сигнала с помощью специальной математической процедуры
редукции можно будет восстановить информацию об источнике с
эффективным разрешением. Интерференция может проводиться как
аппаратно, путём подачи сигнала по кабелям и волноводам в общий
смеситель, так и на ЭВМ с предварительно оцифрованными по меткам
точного времени и сохраненными на носитель сигналами. Современные
технические средства позволили создать систему РСДБ, которая включает в
себя телескопы расположенные на разных материках и разнесенные на
несколько тысяч километров.

23.

24.

25.

АНТЕННЫ С ЗАПОЛНЕННОЙ АПЕРТУРОЙ
Антенны этого типа похожи на зеркала оптических телескопов и
являются наиболее простыми и привычными в использовании.
Антенны с заполненной апертурой просто собирают сигнал от
наблюдаемого объекта и фокусируют его на приёмнике.
Записанный сигнал уже несет в себе научную информацию и не
нуждается в синтезе. Недостатком таких антенн является низкая
разрешающая способность. Антенны с заполненной апертурой
можно разделить на несколько классов по форме их поверхности и
методу монтирования.

26.

1. Параболоиды вращения (рефлекторы)
Практически все антенны такого типа устанавливаются на Альтазимутальных монтировках и являются полноповоротным.
Главным их преимуществом является то, что такие радиотелескопы
могут, как и оптические, наводиться на объект и вести его. Таким
образом, наблюдения могут проводиться в любое время, пока
исследуемый объект находится над горизонтом.
Примеры: Радиотелескоп Грин-Бэнк, РТ-70, ТНА-1500.

27.

28.

29.

30.

31.

32.

2. Параболические цилиндры (рефракторы)
Строительство
полноповоротных
антенн
сопряжено
с
определёнными трудностями, связанными с огромной массой таких
конструкций. Поэтому строят неподвижные и полуподвижные
системы. Параболический цилиндр собирает лучи не в точке, а на
фокальной линии. Из-за этого телескопы данного типа имеют
несимметричную диаграмму направленности и различное
разрешение по разным осям. Ещё одним недостатком таких
телескопов является то, что ввиду ограниченной подвижности для
наблюдения им доступна только часть неба.

33.

3. Антенны с плоскими отражателями
(рефлекторы)
Для работы на параболическом цилиндре требуется, чтобы на
фокальной линии было размещено несколько детекторов, сигнал с
которых складывается с учётом фаз. На коротких волнах это
сделать непросто из-за больших потерь в линиях связи. Антенны с
плоским отражателем позволяют обойтись лишь одним
приёмником. Такие антенны состоят из двух частей: подвижного
плоского зеркала и неподвижного параболоида. Подвижное зеркало
«наводится» на объект и отражает лучи на параболоид. Параболоид
концентрирует лучи в точке фокуса, где располагается приёмник.
Такому телескопу доступна только часть неба для наблюдений.
Пр-ры: Большой радиотелескоп в Нансайской радиообсерватории,
«Большое ухо».

34.

35.

36.

4. Земляные чаши (рефлекторы)
Стремление удешевить конструкцию привело астрономов к мысли
об использовании природного рельефа в качестве зеркала
телескопа. Представителем этого типа стал 300-метровый
радиотелескоп Аресибо. Он расположен в карстовой воронке, дно
которой вымощено алюминиевыми листами в форме сфероида.
приёмник на специальных опорах подвешивается над зеркалом.
Недостатком данного инструмента является то, что ему доступна
область неба в пределах 20° от зенита.

37.

38.

39.

40.

41.

42.

43.

44.

5. Антенные решётки (рефракторы)
Такой телескоп состоит из множества элементарных облучателей
(диполей или спиралей) расположенных на расстоянии меньшем,
чем длина волны. Благодаря точному управлению фазой каждого
элемента, удается добиться высокой разрешающей способности и
эффективной площади. Недостатком таких антенн является то, что
они изготавливаются под строго определённую длину волны.
Примеры: радиотелескоп БСА в Пущино.

45.

46.

АНТЕННЫ С НЕЗАПОЛНЕННОЙ АПЕРТУРОЙ (1)
Наиболее важными для целей астрономии являются две характеристики
радиотелескопов: разрешающая способность и чувствительность. При этом
чувствительность пропорциональна площади антенны, а разрешение —
максимальному размеру. Таким образом, самые распространенные круглые
антенны дают наихудшее разрешение при той же эффективной площади.
Поэтому в радиоастрономии появились телескопы с малой площадью, но
большой
разрешающей
способностью.
Такие
антенны
получили
название антенн с незаполненной апертурой, так как они имеют «дыры» в
апертуре, превосходящие длину волны. Чтобы получить изображение с таких
антенн, наблюдения нужно проводить в режиме синтеза апертур. Для
апертурного синтеза достаточно двух синхронно работающих антенн,
расположенных на некотором расстоянии, которое называют базой. Чтобы
восстановить изображение источника, нужно промерить сигнал на всех
возможных базах с некоторым шагом вплоть до максимальной.

47.

АНТЕННЫ С НЕЗАПОЛНЕННОЙ АПЕРТУРОЙ (2)
Если антенны всего две, то придется проводить наблюдение, затем
менять базу, проводить наблюдение в следующей точке, опять
менять базу и так далее. Такой синтез называется
последовательным. По такому принципу работает классический
радиоинтерферометр. Недостаток последовательного синтеза
состоит в том, что он требует много времени и не может выявить
переменность радиоисточников на коротких временах.
Поэтому чаще применяется параллельный синтез. В нём участвует
сразу много антенн, которые одновременно проводят измерения
для всех нужных баз.
Пример: ДКР-1000 в Пущино.