Антенное поле чудес

Автор: Юрий Романов

Воспользовавшись любезным приглашением заместителя директора Радиоастрономического института академика НАН Украины А. А. Коноваленко [За что хочу выразить ему благодарность, а также за доброжелательную помощь в подготовке этого материала], я нахожусь на территории крупнейшего в Мире радиотелескопа УТР-2. Игорь Савельевич Фалькович, главный научный сотрудник Радиоастрономического института НАН Украины, доктор ф.-м.н. любезно согласился ответить на ряд вопросов об истории создания и перспективах этого уникального научного инструмента.

Игорь Савельевич, УТР-2 - действительно самый большой в мире радиотелескоп? И что он собой представляет с инженерной точки зрения?

- Это действительно так. Площадь, занимаемая радиотелескопом на местности - 2 кв. км (!), а эффективная площадь антенны - 150 тысяч кв. м. Можно привести и такую характеристику - суммарная площадь антенн всех остальных радиотелескопов в мире меньше площади антенны УТР-2. Поскольку работа любого радиотелескопа основана на приеме энергии падающего на Землю космического радиоизлучения, то понятно, что величина эффективной площади антенны во многом характеризует возможности инструмента.

С инженерной точки зрения УТР-2 - это антенная решетка, имеющая в плане Т-образную форму. (См. также "толковый словарик" во врезках на с. 24 и 26.) Высокочастотные кабели от приемных диполей сходятся в подземных галереях, протянувшихся вдоль "плеч" решетки, где подключаются к управляемым линиям задержек, при помощи которых вносятся фазовые сдвиги сигнала, требуемые для управления диаграммой направленности телескопа, ширина которой порядка 0,5°. Система управления антенной способна одновременно формировать до пяти "лучей" по обеим координатам, гибко перестраивать конфигурацию антенной решетки.

Кстати говоря, "многолучевость" позволяет эффективно бороться с влиянием атмосферы - когда из-за ионосферных флуктуаций видимое положение наблюдаемого объекта уходит с оси одного из лучей, оно может быть поймано соседним лучом и т. д.

Расскажите немного о том, как практически осуществляется наведение телескопа на объект исследования. Как прицелить обычный телескоп - более или менее понятно, движущиеся чаши радиотелескопов наверняка все видели в телепередачах, но ведь УТР всегда неподвижен…

- Ну, строго говоря, он не неподвижен. Земля вращается, а вместе с ней - и антенна телескопа. Тем самым, можно естественным путем осуществлять непрерывное сканирование некоторой области. Это удобно, поскольку система управления нашего телескопа реализует дискретное изменение положения лучей диаграммы направленности (так уж она сконструирована).

Управление пространственным положением центрального луча диаграммы направленности антенной решетки осуществляется путем введения предварительно рассчитанных фазовых сдвигов (задержек) в сигнальные линии элементов решетки - вибраторов. В результате суммирования сигналов с разными фазами возникает ситуация, при которой на выход поступает с наибольшей амплитудой сигнал, пришедший с направления главного лепестка сформированной диаграммы направленности. Сигналы, приходящие с других направлений, в большей или меньшей степени ослабляются. Надо сказать, что любая антенная решетка всегда имеет кроме главного еще и так называемые боковые лепестки диаграммы направленности, вдоль векторов которых антенна принимает приходящие сигналы и которые в данном случае являются помеховыми. Борьба с боковыми лепестками - задача чрезвычайно сложная и далеко не тривиальная.

Практически наведение телескопа - отработанная и вполне рутинная процедура. Наблюдателю-астрофизику, разумеется, известны небесные координаты того объекта, который он собирается отнаблюдать в отведенное ему по графику время. По этим координатам персональный компьютер в обсерватории вычисляет управляющие слова-сигналы, которые в коде Грея выдаются в блоки коммутации линий задержек. Совокупность задержек (матрица сдвигов фаз), как я уже говорил, определяет текущее положение в пространстве центрального "луча" диаграммы. Наблюдательный эксперимент часто планируется таким образом, чтобы дискретная перестройка диаграммы направленности сочеталась с непрерывным сканированием луча за счет вращения Земли.

Что происходит, когда объект наблюдения пойман? Как происходит процесс наблюдения?

ЭВРИКА!..

Многолетние, многочисленные и всесторонние исследования антенных решеток (АР) долгое время не давали возможности удовлетворить всем противоречивым требованиям, предъявляемым к ним. Необходимое решение было получено Боэрлингером (Boerlinger). Он предложил размещать элементы АР на многозаходной спирали, координаты элементов которой описываются следующими простыми соотношениями:

радиус-вектор n-го элемента

rn = d√N/π,

где d - параметр, примерно равный среднему расстоянию между соседними элементами, полярный угол n-го элемента

θn = 2πτn,

где τ = (1√5)/2 - так называемое "золотое сечение".

- Процесс наблюдения на радиотелескопе - это, как правило, запись приходящего сигнала. Своего рода, "заготовка сырья". В первые годы эксплуатации телескопа сигнал принимался одновременно на несколько десятков приемников, настройка которых охватывала определенный участок рабочего спектра частот (диапазон УТР-2 составляет 8–35 МГц); детектированный сигнал в виде отсчетов на графиках сохранялся для последующей обработки на ЭВМ в вычислительном центре. Сегодня все значительно упростилось - прогресс цифровой техники!

Цифровые регистраторы и применяемые сегодня цифровые сигнальные процессоры (DSP) обладают таким быстродействием, которое позволяет в реальном времени анализировать сигнал в полосе до 100 МГц при числе эквивалентных каналов до 105. Временное и частотное разрешение при этом - менее 1 мкс и 1 кГц соответственно. А объем информации, который позволяют в реальном времени записать имеющиеся сегодня накопители, таков, что, в принципе, можно писать прямо исходный широкополосный сигнал (так называемая технология прямой регистрации - WFR), а уже потом, без всяких проблем, в офлайне, подвергать его всем необходимым видам цифровой обработки - фильтрации, вычислению спектральной структуры, корреляций и т. п.

Важной характеристикой телескопа, конечно, является разрешающая способность. Какие объекты Вселенной можно рассматривать при помощи УТР-2?

- Давайте определимся с термином "рассматривать". Звезды, пульсары и другие звездоподобные объекты при наблюдении в любой инструмент выглядят точками. Их поверхность или диск увидеть невозможно, однако принять и зафиксировать их излучение в радиодиапазоне наблюдения УТР, разумеется, может. И здесь удается обнаруживать и регистрировать большое число довольно экзотических явлений: например, импульсное, а в некоторых случаях - континуальное декаметровое излучение пульсаров, в том числе отдельные импульсы (вплоть до так называемых гигантских импульсов), обусловленные не до конца еще понятыми процессами во внешней магнитосфере пульсаров.

Удалось, в частности, обнаружить новые источники излучения, ненаблюдаемые на высоких частотах из-за больших значений их спектральных индексов.

Совсем другое дело - большие, протяженные объекты: галактики, остатки взрывов сверхновых звезд, галактические гало, облака межзвездной пыли и ионизированного газа… Здесь в ряде случаев можно строить так называемые карты интенсивности - своего рода "изображение" объекта в радиодиапазоне электромагнитных волн.

Кстати говоря, огромное количество объектов, которыми активно интересуются сегодня астрофизики, не требуют сверхвысоких параметров углового разрешения радиотелескопа. Что это за объекты? Например, ближайшая к нам звезда - наше Солнце. Наблюдение Солнца в радиодиапазоне позволило обнаружить неизвестные ранее тонкие частотно-временные структуры и виды спорадического радиоизлучения: так называемые всплески II, III и IV типов, дрейфующие пары, спайки, S-, V-, J-всплески, дающие новую информацию о солнечной короне и процессах в ней. Очень много интересного удалось узнать, наблюдая радиоизлучение Юпитера…

Построение карты нетеплового фонового радиоизлучения нашей Галактики в диапазоне 10–25 МГц с наивысшей для декаметрового диапазона чувствительностью и разрешающей способностью позволило прояснить динамику эволюции галактических структур, в том числе впервые "увидеть" гигантскую внешнюю структуру соседней галактики (туманность Андромеды) и нескольких далеких скоплений галактик - так называемое гало, абсолютно недоступное другим видам наблюдений, кроме низкочастотных радиоастрономических.

Интереснейшее явление, которое было обнаружено и активно исследуется при помощи УТР-2, - низкочастотные радиорекомбинационные линии (РРЛ) поглощения атомов углерода в межзвездной среде. Зафиксировано существование в глубоком космосе атомов углерода в рекордно высоких состояниях, вплоть до значений главных квантовых чисел порядка 1000 (что соответствует Боровскому диаметру атома порядка 0,1 мм!).

Если бы наблюдатель находился в облаке с таким веществом, он бы смог с легкостью различить отдельные атомы, как различаем мы толщину страниц в книге или журнале (также примерно 0,1 мм). На возникающий вопрос о максимальном количестве уровней в атоме углерода теоретические работы дают верхнюю оценку для главного квантового числа (номера орбиты) порядка 1600 (физический размер ~ 0.3 мм).

Вместе с тем исследования таких экзотических объектов сталкиваются с трудностями, связанными в первую очередь с большим уровнем помех и малой интенсивностью исследуемого сигнала, поэтому наблюдения, связанные с обнаружением РРЛ при помощи радиотелескопа декаметрового диапазона (каким является УТР-2), длятся от нескольких десятков до сотен часов.

Антенное поле - в данном контексте это действительно поле - участок земли, специально выделенный для размещения антенны телескопа УТР-2, выполненной по принципу антенной решетки.

Антенная решетка - так называется совокупность элементов-антенн (или вибраторов, которые могут быть как излучающие, так и работающие на прием сигнала), входящих в единую систему антенны радиотелескопа и расположенных в регулярном порядке. Обычно элементы антенных решеток располагаются в узлах прямоугольной сетки (так называемая "классическая решетка", но последние исследования показали, что более сложное пространственное расположение элементов антенной решетки позволяет достичь существенно лучших характеристик радиотелескопа.

Плечо антенной решетки. Антенна радиотелескопа УТР-2, если не нее посмотреть с высоты птичьего полета, имеет форму буквы "Т". Соответственно, вертикальная и горизонтальная "перекладины" буквы для удобства названы "плечами" антенной решетки.

Линия задержки - очень важный элемент антенного хозяйства любого радиоинтерферометра или радиотелескопа, использующего принцип антенной решетки. Линия задержки, будучи включена в канал прохождения сигнала от элемента антенны до приемника, действительно задерживает его распространение, создавая фазовый сдвиг между сигналами, приходящими с разных элементов решетки. В результате суммирования на входе приемника всех сигналов с различными фазами (обеспечиваемыми линиями задержки) удается реализовать так называемую диаграмму направленности антенной решетки.

Вы говорили, что существует еще методика исследования космического пространства с использованием радиоизлучения далеких объектов в качестве "подсветки"…

- Многие объекты Вселенной не излучают. Их нельзя "видеть" так, как вы "видим" радиогалактики, пульсары… Тем не менее существует способ наблюдения таких объектов (например, солнечного ветра, плазменных и газовых облаков в межзвездном пространстве и пр.), основанный на "просвечивании" их радиоизлучением мощных внешних галактических и даже внегалактических источников.

В такого рода исследованиях УТР-2 активно участвует уже много лет. Так, для исследования солнечного ветра была разработана методика измерения межпланетных мерцаний и рассеяния радиоизлучения далеких компактных источников, которая дала возможность диагностировать турбулентную плазму до расстояний вплоть до орбиты Земли и даже дальше.

Мы обнаружили и исследовали поглощение фонового радиоизлучения в ряде протяженных эмиссионных туманностей (специалисты их называют "области Н II"), что дало возможность определить их угловую структуру и ряд параметров их среды.

Участвует ли УТР-2 в радиоинтерферометрических экспериментах, где удаленные друг от друга радиотелескопы объединяются в одну систему, чтобы значительно повысить разрешающую способность при наблюдениях?

- Вы имеете в виду работы по радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ)? Конечно, такая технология теоретически позволяет достичь углового разрешения до 10–4 угловой секунды - как у гипотетического радиотелескопа с диаметром антенны, приближающимся к диаметру Земли. Максимальное угловое разрешение наземных РСДБ-комплексов ограничено именно диаметром Земли (12 000 км), хотя многие астрофизические задачи требуют разрешения на два порядка выше (до 10–6 угловой секунды), для чего необходимы базы около 100 тысяч километров. Отсюда - объективная необходимость вывода части телескопов РСДБ-комплекса в космос и дальнейшая их работа в синхронной связке с наземными телескопами. Сразу отмечу - это очень непросто сделать и организационно, и чисто технически. Даже для совместной работы недалеко расположенных друг от друга радиотелескопов характерна проблема так называемой потери фазы - невозможность получения удаленными телескопами сигнала с верной фазой из-за фазовых искажений, вносимых ионосферой. При этом РСДБ-система оказывается способной дать информацию о структуре источника лишь на основе измерений амплитуд сигналов с последующим компьютерным моделированием. Очевидной альтернативой является создание полностью космических спутниковых группировок, сочетающих свойства распределенных антенных решеток и радиоинтерферометра со сверхдлинной базой.

Угловое разрешение радиотелескопа определяется диаметром его зеркала, выраженным в длинах волн. Проблема наблюдения структуры радиоисточников небольших угловых размеров была решена благодаря созданию радиоинтерферометра. Простейший радиоинтерферометр состоит из двух антенн, разнесенных на некоторое расстояние друг от друга и соединенных кабелем. Разрешение такого инструмента определяется уже не размерами антенн, а расстоянием между ними - длиной базы.

Сигналы от исследуемого радиоисточника принимаются антеннами, передаются по высокочастотному кабелю и суммируются. Они, двигаясь навстречу друг другу, будут встречаться то в фазе, то в противофазе. В результате вдоль кабеля будут образовываться максимумы и минимумы интенсивности. Чтобы "увидеть" итог интерференции, центр интерференционной картины нужно сдвинуть в центральную точку кабеля, где подключить приемник (регистратор). Для этого в соответствующее плечо интерферометра вводят задержку сигнала. По мере движения наблюдаемого объекта по небесной сфере задержку плавно корректируют и таким образом сохраняют положение интерференционной картины.

На радиоинтерферометре получается не радиоизображение объекта, а одна из пространственных гармоник этого изображения. Для получения радиоизображения объекта необходимо просуммировать все гармоники, полученные радиоинтерферометром с базами разной длины, ориентации и на многих частотах.

Дальнейшим развитием идеи радиоинтерферометрии явился метод радиоинтерферометрии со сверхбольшими базами. В этом случае принятые антеннами сигналы регистрируются на магнитный носитель с привязкой к импульсам атомных эталонов времени. Далее в вычислительном центре численно моделируются процессы суммирования сигналов с учетом фазовых соотношений. Антенны при такой методике не связаны кабелем, и расстояние между ними может быть сделано сколь угодно большим.

Единственный на территории СНГ радиотелескоп (РТ-22, диаметр зеркала 22 м), который в настоящее время входит в мировую сеть радиоинтерферометрических наблюдений на сверхдлинных базах и работает по многим международным кооперативным программам, был построен в 1966 году и принадлежит НИИ "Крымская астрофизическая обсерватория" (установлен недалеко от пос. Симеиз на берегу Голубого залива). Для радиоинтерферометрических наблюдений на РТ-22 установлены система регистрации Марк-3, поставленная NASA (США), и система регистрации К-4, поставленная НРАО (Япония). Регистрация сигнала в этих наблюдениях синхронизируется с помощью высокостабильного водородного стандарта с точностью около 10-14 с, привязка водородного стандарта к Всемирному времени осуществляется по сигналам от спутников GPS с точностью около 1 мкс. Для охлаждения приемников и получения высокой чувствительности применяются микрокриогенные станции замкнутого цикла, а также жидкие азот и гелий.

Каковы перспективы дальнейшего совершенствования УТР-2? Какие новые принципы и инженерные решения закладываются в проекты реконструкции этого уникального радиотелескопа?

- Проведенные исследования и разработки показали, что значительный модернизационный потенциал заключен в переходе на использование активных элементов антенной решетки (то есть снабженных широкополосными усилителями с минимальным уровнем собственных шумов) и в применении неортогональной топологии элементов в решетке (при этом, как показали расчеты, можно добиться значительного ослабления боковых лепестков диаграммы направленности, а значит, и повысить общую эффективность антенной решетки).

Неожиданные результаты дали поиски формы элемента решетки. Выяснилось, что линейный вибратор уступает по характеристикам вибраторам более сложной формы. В результате на антенном поле обсерватории образовались "грядки", где "расцвели" довольно экзотические "цветы" - вибраторы нового поколения, которые планируется использовать при создании новой антенной решетки.

Не менее неожиданной оказалась перспективная топология самой антенной решетки. Оказалось, что решетка, в которой элементы расположены не в узлах прямоугольной сетки, а вдоль многозаходной спирали (причем формула для полярной координаты [угла] n-го элемента содержит в явном виде выражение так называемого золотого сечения), обладает гораздо лучшими характеристиками по сравнению с обычной. Внешне такая решетка сильно напоминает цветок подсолнуха, где роль "семечек" играют активные вибраторы. Удивительно красивый и нетривиальный результат! [Получен Боэрлингером (Boerlinger), опубликован в IEEE Magazine on Antennas and Propagations, 2003, V.45, No.1, p.159, и защищен патентом США (D.W.Boerlinger, Patent USA US 6,433,754 B1, 13 August 2002)]

Диаграмма направленности. Каждый элемент антенной решетки сам по себе способен принимать радиоволны с любого направления. При суммировании сигналов от нескольких элементов у системы появляется пространственная избирательность, то есть свойство усиливать сигнал, приходящий с одного направления, и ослаблять с другого за счет интерференции. Антенная решетка, элементы которой снабжены регулируемыми линиями задержки в тракте прохождения сигналов, за счет интерференции их с заранее рассчитанными фазами на входе приемника, обладает возможностью выбора нужного направления приема. Диаграмма направленности, собственно, и показывает величину усиления (ослабления) сигнала в зависимости от его направления.

Лепестки диаграммы направленности - их еще называют "лучи" - отдельные направления, с которых антенная решетка принимает сигнал с бо,льшим усилением. Соответственно, с главного направления диаграммы антенна принимает сигнал с максимальным усилением. Однако физика интерференционных процессов определяет наличие и так называемых боковых лепестков диаграммы направленности антенной решетки - дополнительных направлений, с которых антенна также "охотно" принимает сигналы. На практике боковые лепестки мешают приему, так как направлены не на основной объект наблюдения и принимают не те сигналы, которые хотелось бы…

Ионосферные флуктуации. Ионизированный слой земной атмосферы, называемый ионосферой, весьма подвижен и оказывает значительное влияние на прохождение радиоволн из космоса до поверхности земли. Постоянные, случайные изменения характеристик этого атмосферного слоя носят название ионосферных флуктуаций. Последние же приводят к возникновению столь же случайных амплитудных и фазовых помех приему сигналов из космоса.