АПЕРТУ́РНЫЙ СИ́НТЕЗ

АПЕРТУ́РНЫЙ СИ́НТЕЗ, ме­тод по­лу­че­ния вы­со­ко­го уг­ло­во­го раз­ре­ше­ния c по­мо­щью син­те­за ре­зуль­та­тов из­ме­ре­ний, вы­пол­няе­мых ра­дио­ин­тер­фе­ро­мет­ром, со­стоя­щим из двух ма­лых апер­тур, пере­ме­щаю­щих­ся в пре­де­лах боль­шой апер­ту­ры, и кор­ре­ля­ци­он­но­го (пе­ре­мно­жаю­ще­го) при­ём­ни­ка. Ре­зуль­тат из­ме­ре­ния ме­то­дом А. с. ана­ло­ги­чен из­ме­рени­ям с ан­тен­ной боль­шой апер­ту­ры. При А. с. вы­пол­ня­ет­ся боль­шое ко­ли­че­ст­во из­ме­ре­ний при разл. по­ло­же­ни­ях эле­мен­тов и ре­зуль­та­ты сум­ми­ру­ют­ся с оп­ре­де­лён­ны­ми ве­са­ми и фа­за­ми.

Схема синтеза 180-градусной решётки за счёт вращения Земли. Использование Т-образной решётки устраняет ухудшение разрешающей способности в направлении экватора.

Ме­тод А. с. пред­ло­жен в 1952 М. Рай­лом, ис­cледовавшим с его по­мо­щью ра­дио­струк­ту­ру га­лак­тик. В 1974 Райл со­вме­ст­но с Э. Хьюи­шем бы­ли удо­стое­ны Но­бе­лев­ской пр. «за но­ва­тор­ские ис­следо­ва­ния в ра­дио­ас­т­ро­фи­зи­ке». Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние А. с. по­лу­чил в ра­дио­ас­тро­но­мии и ра­дио­ло­ка­ции. В ра­дио­ас­тро­но­мии А. с. ис­поль­зу­ет­ся в свя­зи с за­да­ча­ми ис­сле­до­ва­ния уг­ло­во­го рас­пре­де­ле­ния ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния ра­дио­ис­точ­ни­ка с тон­кой струк­ту­рой от уг­ло­вых ми­нут до до­лей се­кунд. Для та­ких ис­сле­до­ва­ний нуж­ны ан­тен­ны с от­но­ше­ни­ем $d/λ$ ($d$ – ли­ней­ный раз­мер апер­ту­ры, $λ$  – дли­на вол­ны) по­ряд­ка 10³–10⁶, по­это­му для сан­ти­мет­ро­во­го диа­па­зо­на ра­дио­волн $d$ долж­но быть по­ряд­ка со­тен мет­ров и бо­лее. Ес­те­ст­вен­но, обыч­ные ан­тен­ны с та­кой апер­ту­рой соз­дать не­воз­мож­но, по­это­му апер­ту­ру «син­те­зи­ру­ют», про­во­дя из­ме­ре­ния в отд. точ­ках, рас­по­ло­жен­ных внут­ри этой син­те­зи­ро­ван­ной апер­ту­ры, и вы­пол­няя со­от­вет­ст­вую­щую об­ра­бот­ку из­ме­ре­ний. В ре­зуль­та­те дос­ти­га­ет­ся вы­со­кое уг­ло­вое раз­ре­ше­ние.

При ис­поль­зо­ва­нии ме­то­да А. с. боль­шая ан­тен­на раз­би­ва­ет­ся на $N$ эле­мен­тов. Па­даю­щие вол­ны, от­ра­зив­шись от ка­ж­до­го эле­мен­та, по­па­да­ют в фо­кус ан­тен­ны в фа­зе. По­это­му вы­со­ко­час­тот­ное на­пря­же­ние $V(t)$ в фо­ку­се мо­жет быть за­пи­са­но в ви­де сум­мы со­став­ляю­щих $ΔV_i(t)$ от отд. эле­мен­тов:$$V(t)=ΣΔV_i(t). \qquad (1)$$

Мощ­ность $P$ на вы­хо­де при­ём­ни­ка боль­шой ан­тен­ны про­пор­цио­наль­на сред­не­му зна­че­нию квад­ра­та на­пря­же­ния:$$P ∝ 〈(ΣΔV_i)^2〉=ΣΣ 〈(ΔV_i·ΔV_k)〉.\qquad (2)$$

Из фор­му­лы (2) вид­но, что ре­зуль­тат из­ме­ре­ний со­дер­жит сла­гае­мые, за­ви­ся­щие от сиг­на­лов, по­лу­чае­мых толь­ко от пар эле­мен­тов. Ка­ж­дое сла­гае­мое мо­жет быть из­ме­ре­но с по­мо­щью двух ма­лых ан­тенн раз­ме­ром, рав­ным эле­мен­ту апер­ту­ры, на­хо­дя­щих­ся в по­ло­же­ни­ях $i$ и $k$, и кор­ре­ля­ци­он­но­го (пе­ре­мно­жаю­ще­го) при­ём­ни­ка. Ес­ли на­блю­дае­мый учас­ток не­ба не со­дер­жит пе­ре­мен­ных ис­точ­ни­ков, то та­кой ин­тер­фе­ро­метр мож­но ис­поль­зо­вать для по­сле­до­ва­тель­но­го из­ме­ре­ния чле­нов ря­да (2).

От­ре­зок ли­нии вос­ток – за­пад на по­верх­но­сти Зем­ли, ви­ди­мый со сто­ро­ны уда­лён­но­го ис­точ­ни­ка, за 12 ч по­во­ра­чи­ва­ет­ся на 180°. Ес­ли все эле­мен­ты ан­тен­ной ре­шёт­ки на этом от­рез­ке сле­дят за ис­точ­ни­ком, то за 12 ч мож­но син­те­зи­ро­вать круг­лую апер­ту­ру в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной оси вра­ще­ния Зем­ли, с диа­мет­ром, рав­ным дли­не от­рез­ка. Ши­ри­на син­те­зи­ро­ван­ной диа­грам­мы в лю­бом на­прав­ле­нии об­рат­но про­пор­цио­наль­на про­ек­ции апер­ту­ры на это на­прав­ле­ние. Ухуд­ше­ние раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти в на­прав­ле­ни­ях, близ­ких к плос­ко­сти эк­ва­то­ра, уст­ра­ня­ет­ся при ис­поль­зо­ва­нии Т-об­раз­ной ан­тен­ной ре­шёт­ки с от­рез­ка­ми, ори­ен­ти­ро­ван­ны­ми в на­прав­ле­ни­ях вос­ток – за­пад и се­вер – юг (рис.).

Совр. сис­те­мы А. с. со­сто­ят из боль­шо­го чис­ла пол­но­по­во­рот­ных ан­тенн и од­но­вре­мен­но дей­ст­вую­щих не­за­ви­си­мых кор­ре­ля­ци­он­ных ин­тер­фе­ро­мет­ров, что зна­чи­тель­но со­кра­ща­ет вре­мя на­блю­де­ний. Вра­ща­ясь вме­сте с Зем­лёй, ка­ж­дый ин­тер­фе­ро­метр из­ме­ря­ет боль­шое чис­ло сла­гае­мых ря­да (2). Для мно­го­эле­мент­ных ин­тер­фе­ро­мет­ров ме­тод А. с. по­зво­ля­ет син­те­зи­ро­вать луч с та­кой ши­ри­ной, ко­то­рая мо­жет быть по­лу­че­на с апер­ту­рой, имею­щей раз­ме­ры, срав­ни­мые с раз­ме­ра­ми ан­тен­ной ре­шёт­ки.

Для бо­лее пол­но­го из­вле­че­ния ин­фор­ма­ции из ре­зуль­та­тов из­ме­ре­ний ис­поль­зу­ют­ся ап­ри­ор­ные све­де­ния о яр­ко­сти не­ба. Та­кая ап­ри­ор­ная ин­фор­ма­ция по­зво­ля­ет при­ме­нять сис­те­мы да­ле­ко раз­не­сён­ных ан­тенн, а так­же стро­ить кар­ты не­ба, ис­поль­зуя толь­ко ам­пли­туд­ные из­ме­ре­ния, ко­гда све­де­ния о фа­зе не­на­дёж­ны или от­сут­ст­ву­ют.

Пер­вые ра­бо­ты с ис­поль­зо­ва­ни­ем для А. с. не­боль­ших под­виж­ных ан­тенн бы­ли вы­пол­не­ны в Кем­брид­же (Ве­ли­ко­бри­та­ния) в 1954. В Сид­нее (Ав­ст­ра­лия) в 1956 впер­вые ис­поль­зо­ва­лось вра­ще­ние Зем­ли для син­те­за дву­мер­ной ре­шёт­ки с по­мо­щью ли­ней­ной. Наи­бо­лее из­вест­ная сис­те­ма А. с. – ан­тен­ная ре­шёт­ка VLA (Very Large Ar­ray) в шта­те Нью-Мек­си­ко (США), за­вер­ше­на в 1981. Она со­сто­ит из 27 пол­но­по­во­рот­ных па­ра­бо­лои­дов диа­мет­ром 25 м ка­ж­дый, ко­то­рые мо­гут пе­ре­ме­щать­ся вдоль трёх 21-ки­ло­мет­ро­вых рель­со­вых пу­тей, про­ло­жен­ных в ви­де бу­к­вы Y. Уг­ло­вое раз­ре­ше­ние этой сис­те­мы на дли­не вол­ны 1,3 см со­став­ля­ет 0,05″.

Ме­тод А. с. ис­поль­зу­ет­ся так­же в ин­тер­фе­ро­мет­рах, об­ра­зо­ван­ных ан­тен­на­ми, раз­не­сён­ны­ми на сот­ни и ты­ся­чи ки­ло­мет­ров (ра­дио­ин­тер­фе­ро­мет­ры со сверх­длин­ны­ми ба­за­ми). Это по­зво­ля­ет син­те­зи­ро­вать апер­ту­ры, срав­ни­мые с раз­ме­ра­ми Зем­ли, и по­лу­чать уг­ло­вое раз­ре­ше­ние по­ряд­ка 0,001″ , на­мно­го пре­вос­хо­дя­щее дос­тиг­ну­тое в оп­тической ас­тро­но­мии. В пер­спек­ти­ве – соз­да­ние апер­тур Зем­ля – кос­мос, часть эле­мен­тов ко­то­рых бу­дет раз­ме­ще­на на кос­ми­че­ских ап­пара­тах (про­ект «Ра­дио­ас­трон», Рос­сия).