Апертурный синтез

Апертурный синтез — это метод радиоастрономии и радиолокации, позволяющий получать изображения объектов с высоким угловым разрешением, эквивалентным разрешению гипотетической антенны, размер которой равен расстоянию между несколькими отдельными, разнесёнными в пространстве антеннами (базе интерферометра). Метод основан на принципе интерферометрии: одновременном приёме сигнала от одного источника несколькими антеннами и последующей математической обработке корреляций сигналов.

Принцип действия

В основе апертурного синтеза лежит теорема ван Циттерта — Цернике, которая связывает пространственную когерентность электромагнитного поля с распределением яркости источника. Если две антенны, разнесённые на расстояние \( B \) (база), принимают сигнал от удалённого источника, то разность хода волн до них зависит от направления на источник. Измеряя интерференционную картину (комплексную корреляцию сигналов) для разных пар антенн и разных баз, можно восстановить двумерное распределение яркости источника.

Угловое разрешение системы определяется максимальной базой \( B \) и длиной волны \( \lambda \): \( \theta \approx \lambda / B \). Таким образом, для достижения разрешения в тысячные доли угловой секунды (миллисекунды дуги) при наблюдении на радиоволнах (длиной от нескольких миллиметров до десятков метров) требуются базы в сотни и тысячи километров.

Интерферометрия

Простейшая реализация апертурного синтеза — двухэлементный радиоинтерферометр. Сигналы от двух антенн перемножаются и усредняются, образуя корреляционную функцию. Вращение Земли меняет проекцию базы на плоскость источника, что позволяет «заполнять» плоскость пространственных частот (u-v-плоскость) и получать данные для восстановления изображения. Чем больше различных баз и ориентаций антенн, тем полнее покрытие u-v-плоскости и тем детальнее итоговое изображение.

История

Идея апертурного синтеза была впервые предложена в 1946 году британским радиоастрономом Мартином Райлом. В 1950-х годах он и его коллеги из Кембриджского университета построили первый интерферометр на базе 1,6 км и создали несколько каталогов радиоисточников (например, 3C). За разработку метода апертурного синтеза Мартин Райл был удостоен Нобелевской премии по физике в 1974 году (совместно с Энтони Хьюишем).

В 1960-х годах метод был усовершенствован: появились системы с несколькими антеннами, перемещаемыми по рельсам (например, радиотелескоп в Кембридже на 5 км). В 1970-х годах в Нидерландах был построен Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT) — массив из 14 антенн диаметром 25 м каждая, расположенных вдоль линии длиной 2,7 км. В СССР в 1970-х годах был создан радиоинтерферометр на базе Пущинской радиоастрономической обсерватории.

С 1980-х годов развитие получила радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ), позволяющая объединять телескопы, расположенные на разных континентах. В 1990-х годах был запущен проект Very Long Baseline Array (VLBA) в США — система из 10 антенн, разнесённых на расстояние до 8600 км.

Классификация методов

По типу базы

• Короткобазисная интерферометрия — антенны расположены на расстоянии от нескольких метров до десятков километров. Используется для построения карт протяжённых радиоисточников (например, галактик, туманностей).
• Радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ) — антенны разнесены на тысячи километров, часто находятся на разных континентах. Позволяет получать изображения с угловым разрешением до десятков микросекунд дуги.

По способу заполнения u-v-плоскости

• Синтез с вращением Земли — антенны неподвижны, но из-за вращения планеты меняется проекция базы, что позволяет постепенно заполнять u-v-плоскость. Используется в большинстве наземных массивов.
• Синтез с механическим перемещением антенн — антенны перемещаются по рельсам или платформам, изменяя базу. Применялся в ранних экспериментах и в некоторых современных системах (например, ALMA).
• Синтез с изменением частоты — для узкополосных источников изменение частоты наблюдения эквивалентно изменению масштаба базы, что также позволяет заполнять u-v-плоскость.

По типу антенной системы

• Корреляционные массивы — сигналы от всех антенн попарно перемножаются и усредняются. Примеры: VLA, ALMA, MeerKAT.
• Фазированные решётки — антенны работают как единая антенна с управляемым лучом. Примеры: LOFAR, MWA.

Применение

Радиоастрономия

Апертурный синтез является основным инструментом современной радиоастрономии. С его помощью получены изображения:

• Радиогалактик и квазаров — структуры джетов, выбросов, ядер активных галактик.
• Пульсаров — детальные карты их магнитосфер.
• Межзвёздной среды — облаков нейтрального водорода, молекулярных облаков, областей звездообразования.
• Космического микроволнового фона — флуктуаций реликтового излучения (например, в проекте Planck).
• Сверхмассивных чёрных дыр — в 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) с использованием РСДБ получила первое изображение тени чёрной дыры в центре галактики M87.

Радиолокация и дистанционное зондирование

В радиолокации апертурный синтез применяется в системах синтезированной апертуры (SAR — Synthetic Aperture Radar). Здесь роль разнесённых антенн выполняет одно движущееся устройство (например, самолёт или спутник), которое последовательно излучает и принимает сигналы. Обработка данных позволяет синтезировать апертуру, эквивалентную длине траектории движения, и получать изображения земной поверхности с разрешением до нескольких метров. SAR используется в спутниковой съёмке (например, спутники Sentinel-1, Radarsat, TerraSAR-X) для картографирования, мониторинга лесов, льдов, сельского хозяйства, а также в военных целях.

Медицина и биология

Методы апертурного синтеза находят применение в ультразвуковой диагностике (синтезированная апертура в УЗИ-сканерах), позволяя повысить разрешение и глубину проникновения сигнала. Аналогичные подходы используются в оптической когерентной томографии (ОКТ) для получения изображений тканей с высоким разрешением.

Крупнейшие проекты

• Very Large Array (VLA) — массив из 27 антенн диаметром 25 м, расположенных в Нью-Мексико (США). Максимальная база — 36 км. Работает в диапазоне от 1 до 50 ГГц.
• Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) — массив из 66 антенн (54 антенны диаметром 12 м и 12 антенн диаметром 7 м), расположенный в пустыне Атакама (Чили) на высоте 5000 м. Работает в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Максимальная база — 16 км.
• Low-Frequency Array (LOFAR) — фазированная решётка из тысяч дипольных антенн, расположенных в Нидерландах и других странах Европы. Работает на частотах от 10 до 250 МГц.
• Square Kilometre Array (SKA) — международный проект, строящийся в ЮАР и Австралии. Планируется как крупнейший радиотелескоп в мире с общей площадью антенн около 1 км². Первая фаза (SKA1) включает в себя массивы SKA1-Mid (средние частоты) и SKA1-Low (низкие частоты).
• Event Horizon Telescope (EHT) — глобальная сеть из радиотелескопов, объединённых методом РСДБ. Включает телескопы в Антарктиде, Чили, Испании, США, Мексике, на Гавайях и в других точках. Позволяет получать изображения с угловым разрешением около 20 микросекунд дуги.

Ограничения и трудности

• Покрытие u-v-плоскости — для получения качественного изображения требуется большое количество различных баз, что требует времени и/или большого числа антенн.
• Калибровка — необходимость учёта атмосферных искажений, инструментальных задержек, шумов приёмников. Для РСДБ требуется синхронизация атомных часов на всех станциях.
• Вычислительная сложность — обработка данных с массивов из десятков антенн требует мощных суперкомпьютеров. Для РСДБ объём данных может достигать петабайтов.
• Чувствительность — для слабых источников требуется длительное время накопления сигнала, что ограничивает возможности наблюдения быстропеременных объектов.

Интересные факты

• Метод апертурного синтеза позволил впервые «увидеть» тень чёрной дыры — событие, которое стало научной сенсацией 2019 года.
• В 2022 году коллаборация EHT представила изображение сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики — Стрелец A*.
• Системы SAR на спутниках способны получать изображения земной поверхности с разрешением до 1 метра, даже сквозь облака и ночью.
• В 1970-х годах в СССР был построен радиоинтерферометр «БСА» (Большая синтезированная апертура) в Пущино, который использовал метод синтеза с вращением Земли для наблюдения пульсаров.

Источники

• Райл М. «Метод апертурного синтеза в радиоастрономии» (Нобелевская лекция, 1974).
• Томпсон А. Р., Моран Дж. М., Свенсон Дж. У. «Интерферометрия и синтез апертуры в радиоастрономии». — М.: Мир, 1989.
• Клайн Б. «Синтезированная апертура в радиолокации: основы и приложения». — М.: Техносфера, 2014.
• Event Horizon Telescope Collaboration. «First M87 Event Horizon Telescope Results». — The Astrophysical Journal Letters, 2019.
• Официальные сайты проектов: VLA (NRAO), ALMA, LOFAR, SKA, EHT.