6.3. Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой

Как было сказано, радиоинтерферометрию со сверх длинной базой (РСДБ) совместно с лазерной локацией искусственных спутников Земли используют для создания и поддержания гло­бальной геодезической сети. При расстояниях между пункта­ми в тысячи километров координаты этих пунктов определя­ют с ошибкой порядка сантиметра. Глобальная сеть служит основой для сетей, создаваемых другими методами — спутни­ковыми и наземными. В частности, координаты станций сле­жения за спутниками ОР8 определены методом РСДБ.

Несколько радиотелескопов, по крайней мере два, наблю­дают квазары, входящие в заранее созданный каталог. Каждый квазар одновременно наблюдают все радиотелескопы. Перехо­дят к наблюдению следующего по заранее разработанной про­грамме квазара они также одновременно.

Измеряемой величиной является временная задержка X при­хода радиосигнала от квазара на один радиотелескоп относи­тельно другого. Это эквивалентно измерению разности рассто­яний от двух радиотелескопов до квазара. В этом смысле РСДБ — разностный метод. Попутно получают величину, ко­торую называют частотой интерференции или частотой ин­терференционных полос. Она возникает из-за суточного враще­ния Земли и пропорциональна скорости изменения временной задержки:

/ = ^-~, (6.4)

где V — эффективная частота радиосигнала квазара. Прежде чем продолжать изложение, необходимо пояснить, что такое радиотелескоп и что такое квазар.

Радиотелескоп состоит из антенны и приемно-регистриру-ющей части. В РСДБ используют зеркальные параболические полноповоротные антенны диаметром до 70 метров. Антенны,

73

Геотроника

их фаз ф. Интенсивность I в точке экрана определяется соотно­шением интенсивностей^ и /₂ интерферирующих волн, и, кро­ме того, степенью (коэффициентом) их когерентности у:

(6.11

В разделе 1.3 дано представление о степени когерентности в виде произведения коэффициентов пространственной и временной когерентности. В частности, время когерентности — величи­на, обратная ширине спектра сигнала или ширине полосы час­тот А/, в которой этот сигнал регистрируют и обрабатывают:

т_тах=1/А/. (6.2)

Сигналы, порожденные одним и тем же источником, приходят в точку взаимодействия разными путями. По наблюдению ин­терференционной картины требуется определить разность длин этих путей. При использовании источника, генерирующего сигнал широкого спектра с малой диной когерентности в один из каналов вводят задержку, плавно изменяют ее до появления интерференционной картины, а затем измеряют величину за­держки. Измерения тем точнее, чем шире спектр сигнала.

6.2. Оптические интерферометры

В оптических интерферометрах используют источники све­та двух типов: источники квазимонохроматического света — лазеры — с узким спектром и с большой длиной когерентнос­ти, а также источники белого света с длиной когерентности в 2-3 микрометра. Колебания подвергают аддитивной обработ­ке, направив световые пучки на один и тот же участок экрана. Мерой степени когерентности является контраст К (видность) интерференционных полос:

(6.3|

ЪГ —

1_С+/_Т

где 1_С и 1_Т — соответственно интенсивность света в середине свет­лой и в середине темной полосы. Рассмотрим оптический ин­терферометр Майкельсона (М1с11е1зоп), предназначенный для из­мерения линейных величин. Схема его приведена на рисунке 6.1.

70

Геодезическая интерферометрия

Излучение источника 8 разделяется полупрозрачной плас­тинкой (полупрозрачным зеркалом) П на два пучка 1 — опор-

М_г

п

8

_о

м

В

Рис. 6.1. Оптическая схема интерферометра Майкельсона

ный и 2 — дистанционный. Опорный пучок отражается зерка­лом М₁ и, пройдя пластинку Л", попадает на экран Э. Дистанци­онный пучок направляется на зеркало М₂. Оно имеет возмож­ность перемещения. Положение зеркалаМ₂, при котором пути опорного и рабочего сигналов равны, показано плоскостью К> называемой референцией плоскостью. После отражения от зер­кала М₂ и полупрозрачной пластинки П дистанционный пу­чок 2 совмещается с опорным пучком 1. Вместе они попадают на один участок экрана. На экране образуется интерференци­онная картина, результат регистрируется. Теперь необходимо уточнить смысл, вкладываемый в понятие регистрация.

В лазерных интерферометрах длина когерентности светово­го излучения велика. Если бы не нарушающее когерентность влияние атмосферных флуктуации, то длина когерентности превышала бы любой мыслимый диапазон измеряемых даль­ностей. В реальности дальность действия находится в пределах километра. Итак, на расстояниях в десятки и, при благоприят­ных метеоусловиях, в сотни метров интерференционная кар­тина будет иметь место независимо от разности хода опорного ж рабочего пучков. При перемещении зеркала М₂ интерферен­ционная картина также будет смещаться. Если считать число интерференционных полос Ы> прошедших мимо отсчетного

71

I

Геотрон и ка

Геодезическая интерферометрия

сотни миллионов световых лет

но изучена. Квазары удалены на расстояния в десятки и сотни миллионов световых лет. Именно поэтому они являются точеч­ными — их угловые размеры не превышают тысячную долю се­кунды. Кроме того, из-за большого удаления от Земли они не имеют заметных собственных движений. Поэтому квазары практически реализуют инерциалъную систему координат на уровне тысячной доли секунды. Эту практическую реализацию называют квазиинерциалъной системой координат. Более того, РСДБ дает возможность на том же уровне точности чисто гео­метрическим образом связать квазиинерциальную систему ко­ординат с земной. Никакой другой метод, в том числе и спут­никовые методы, такими возможностями не располагают. Именно по этой причине РСДБ, несмотря на огромные затра­ты, нашла такое широкое применение и играет столь важную роль в геодезии.