Синтез апертуры - Aperture synthesis

Синтез апертуры или же синтез изображения это тип интерферометрия который смешивает сигналы из набора телескопы создавать изображения, имеющие одинаковые угловое разрешение как инструмент размером с всю коллекцию.[1][2][3] При каждом разделении и ориентации лепестковая диаграмма интерферометра дает выходной сигнал, который является одним из компонентов преобразование Фурье пространственного распределения яркости наблюдаемого объекта. Изображение (или «карта») источника создается на основе этих измерений. Астрономические интерферометры обычно используются для высокого разрешения оптический, инфракрасный, субмиллиметр и радиоастрономия наблюдения. Например, Телескоп горизонта событий Проект получил первое изображение черной дыры с использованием синтеза апертуры.[4]

Технические неисправности

Синтез апертуры возможен, только если оба амплитуда и фаза входящего сигнала измеряются каждым телескопом. Для радиочастот это возможно с помощью электроники, в то время как для оптических частот электромагнитное поле нельзя измерить напрямую и скоррелировать с помощью программного обеспечения, но оно должно распространяться с помощью чувствительной оптики и оптически мешать. Требуются точная оптическая задержка и коррекция аберрации атмосферного волнового фронта - очень сложная технология, которая стала возможной только в 1990-х годах. Вот почему формирование изображений с синтезом апертуры успешно используется в радиоастрономии с 1950-х годов, а в оптической / инфракрасной астрономии только с начала тысячелетия. Видеть астрономический интерферометр для дополнительной информации.

Для получения высококачественного изображения требуется большое количество различных расстояний между разными телескопами (проецируемое расстояние между любыми двумя телескопами, если смотреть со стороны радиоисточника, называется базовой линией) - требуется как можно больше различных базовых линий для того, чтобы чтобы получить изображение хорошего качества. Количество базовых линий (nб) для массива из n телескопов равно nб= (n2- п) / 2. Например, Очень большой массив имеет 27 телескопов, дающих одновременно 351 независимую базовую линию, и может давать высококачественные изображения.

Большинство интерферометров с синтезом апертуры используют вращение Земли для увеличения числа базовых ориентаций, включенных в наблюдение. В этом примере с Землей, представленной в виде серой сферы, базовая линия между телескопом A и телескопом B меняет угол во времени, если смотреть со стороны радиоисточника, когда Земля вращается. Таким образом, сбор данных в разное время обеспечивает измерения с разным расстоянием между телескопами.

В отличие от антенных решеток, самые большие оптические решетки в настоящее время имеют только 6 телескопов, что дает худшее качество изображения на 15 базовых линиях между телескопами.

Большинство интерферометров с синтезом апертуры используют вращение Земли для увеличения количества различных базовых линий, включенных в наблюдение (см. Диаграмму справа). Сбор данных в разное время обеспечивает измерения с разным расстоянием между телескопами и под разными углами без необходимости покупать дополнительные телескопы или перемещать телескопы вручную, поскольку вращение Земли перемещает телескопы к новым базовым линиям.

Использование вращения Земли подробно обсуждалось в статье 1950 г. Предварительный обзор радиозвезд Северного полушария. Некоторые инструменты используют искусственное вращение решетки интерферометра вместо вращения Земли, например, в апертурная интерферометрия.

История

Смотрите также: Радар с синтезированной апертурой § История

Визуализация с синтезом апертуры была впервые разработана в радиоволнах Мартин Райл и коллеги из Радиоастрономическая группа в Кембриджский университет. Мартин Райл и Тони Хьюиш совместно получил Нобелевская премия за этот и другие вклады в развитие радиоинтерферометрии.

Группа радиоастрономии в Кембридже основала Радиоастрономическая обсерватория Малларда недалеко от Кембриджа в 1950-х годах. В конце 1960-х - начале 1970-х годов, когда компьютеры (такие как Титан ) стали способны обрабатывать требуемые требуемые вычислительные операции инверсии преобразования Фурье, они использовали синтез апертуры для создания эффективной апертуры «одна миля», а затем и «5 км» с использованием Одна миля и Райл телескопы соответственно.

Впоследствии эта техника получила дальнейшее развитие в интерферометрия с очень длинной базой для получения исходных данных в тысячи километров. Синтез апертуры также используется типом радар система известная как радар с синтезированной апертурой, и даже в оптические телескопы.

Первоначально считалось необходимым проводить измерения практически на каждой базовой длине и ориентации до некоторого максимума: например, полностью отобранный Преобразование Фурье формально содержит информацию, в точности эквивалентную изображению с обычного телескопа с диаметром апертуры, равным максимальной базовой линии, отсюда и название синтез апертуры.

Было быстро обнаружено, что во многих случаях полезные изображения могут быть сделаны с относительно редким и нерегулярным набором базовых линий, особенно с помощью нелинейных изображений. деконволюция алгоритмы, такие как метод максимальной энтропии. Альтернативное имя синтез изображения признает смещение акцента с попытки синтезировать полную апертуру (позволяющую реконструкцию изображения с помощью преобразования Фурье) к попытке синтезировать изображение из любых доступных данных с использованием мощных, но дорогостоящих в вычислительном отношении алгоритмов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Р. К. Дженнисон (1958). "Метод фазочувствительного интерферометра для измерения преобразований Фурье пространственных распределений яркости малой угловой протяженности". Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 119 (3): 276–284. Bibcode:1958МНРАС.118..276J. Дои:10.1093 / mnras / 118.3.276.
  2. ^ Бернард Ф. Берк; Фрэнсис Грэм-Смит (2010). Введение в радиоастрономию. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-87808-1.
  3. ^ Джон Д. Краусс (1966). «Глава 6: Антенны радиотелескопов». Радиоастрономия. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу Хилл.
  4. ^ Сотрудничество с телескопом Event Horizon (10 апреля 2019 г.). «Результаты первого телескопа M87 для горизонта событий. II. Решетка и приборы». Письма в астрофизический журнал. 87 (1): L2. arXiv:1906.11239. Bibcode:2019ApJ ... 875L ... 2E. Дои:10.3847 / 2041-8213 / ab0c96.

внешняя ссылка