5.3. Радіоінтерферометрія со сверхдлинной базой (рндб)

В отличие от оптической інтерферометрії, реализованной на коротких расстояниях, метод РНДБ используется для измерения очень больших расстояний (к тысячам километров) и есть, в совокупности с лазерной спутниковой віддалеметрією, основным методом при создании глобальной геодезической сети. В геодезію этот метод пришел из радиоастрономии, где наблюдательной аппаратурой, которая используется, есть радіотелескоп.

Радиоинтерферометр составляется с двух радиотелескопов, которые разнесли на сотне или тысячи километров и спостерігаючих один и тот же квазар – квазизвездный внегалактический источник шумового радиоизлучения с чрезвычайно широким спектром. Квазары находятся на расстояниях от Земли у десятки и сотни миллионов световых лет, то есть практически в бесконечности, и потому радиоволны, которые приходят от квазара имеют идеально плоский фронт, а сигналы, которые поступают на оба радиотелескопы идут по строго параллельным путям. Эти шумовые сигналы абсолютно идентичные, но приходят на радиотелескопы с некоторой временной задержкой t относительно друг друга, обусловленным различием расстояний DS от радиотелескопов до квазара.

Рис.5.3. Объяснение к методу РНДБ

Г еометрия РНДБ показана на рис.5.3. Линию, которая совмещает центры антенн радиотелескопов 1 и 2, называют вектором базы D. Он есть одним из основных определяемых параметров и может быть выражен через три различия одноименных координат точек 1 и 2. Из рис.5.3 видно, что длина вектора D равняется DS/cosb, а поскольку DS = vt, то t = (D/v)cosb, то есть задержка t содержит информацию о длине D. Эта задержка измеряется корреляционным методом: на обеих радиотелескопах шумовые сигналы от квазара записываются на широкополосные магнітофони (видеомагнитофоны) и потом эти записи сводят вместе на кореляторі, зсовуючи одну запись относительно другого к получению максимума корреляционной функции К₁₂, соответствующего момента t = 0. Величина нужного временного сдвига дает искомое значение задержки t . При этом измерения осуществляются тем точнее, чем уже(острее) максимум корреляционной функции, а он тем гостріший, чем шире спектр записываемых сигналов, то есть чем меньше их когерентность.

Через обращение Земли различие хода DS, а следовательно, и задержка t периодически меняется с некоторой частотой. Эту частоту называют частотой интерференции f. Она пропорциональная скорости изменения задержки ( то есть производной dt/dt) и тоже измеряется. За вымеренными величинами t и f можно получить различие хода DS и ее изменение во времени. Величина DS является функцией радиус-векторов пунктов 1 и 2 и напрямую на квазар. Не рассматривая здесь аналитические соотношения, отметим лишь, что метод РНДБ позволяет определить длину вектора базы с ошибкой 2-3см и направление на квазар с точностью до 0,001 угловой секунды по обеим угловым координатам.

Записи сигналов на радиотелескопах должны быть привязанный к единой шкале времени, для чего часы на обеих станциях необходимо по возможности точнее синхронизировать. Это осуществляется с помощью местных независимых стандартов частоты и времени, которые контролируются по високостабільному атомному эталону – водородному мазеру с относительной нестабильностью 2·10^-14 за добу . Мазер – це аналог лазера, що працює в радіодіапазоні на частоті » 1,4 ГГц (довжина хвилі 21 см), а нестабільність 2·10^-14 означає, що відхід такого «годинника» складає 0,4 секунди за мільйон років. Мітки часу записуються на магнітофони одночасно із записом радіосигналів на обох станціях РНДБ, і саме по зсуву однойменних міток визначають затримку t при кореляційній обробці записів.

В радиотелескопах используются повноповоротні параболические антенны, диаметр которых может составлять от 20 до 70 метров. Телескопы работают в нескольких отдельных диапазонах частот, которые охватывают интервал длин волн от нескольких миллиметров к почти одного метра. Приемочные системы радиотелескопов владеют очень высокой чувствительностью. Чтобы свести к минимуму шумы внутри аппаратуры, усилителе сигналов, которые принимаются, охлаждаются к температуры 15 К.

По поводу РНДБ как інтерферометричного метода уместно отметить следующее. Необходимо четко представлять себе, что, в отличие от рассмотренного выше оптического случая, непосредственной интерференции радиоволн в РНДБ не наблюдают, так как ее просто нет. Она была бы, если бы два сигнала от одного источника, прошедши разные пути, приходили на один приемник (телескоп), на котором и наблюдалась бы интерференция. Но эти сигналы приходят на два отдельных телескопа, огромное расстояние между которыми не позволяет непосредственно наложить сигналы один на один ( как это делается, например, в известном звездном интерферометре Майкельсона с помощью системы зеркал). О какой же интерференции речь идет?

Вещь в том, что в результате обработки мы получаем такой же результат, вроде как наблюдали интерференцию на одном радиотелескопе с диаметром антенны, равным длине базы D - расстояния между двумя радиотелескопами. Поэтому фактически мы имеем здесь случай, который можно назвать синтезированной интерференцией, индикатором которой служит появление сигнала на выходе корелометра при достаточно близкому совпадению записей. Этот сигнал при сдвиге записей прописывает корреляционную функцию, которая имеет максимум при t = 0. В этот момент входные сигналы когерентные и исходный сигнал корелометра аналогичный тому, который вышел бы при непосредственной интерференции широкополосных сигналов, которые поступают на антенны двух радиотелескопов. Именно в этом значении следует понимать интерференционный механизм РНДБ.

Высокая точность метода РНДБ обусловлена тем, что использование двух разнесенных антенн, дает раздельную способность, эквивалентную такой же для одной антенны с огромной апертурой (диаметром), что равняется длине базы.

Общая схема реализации РНДБ показана на рис.5.4.

Рис.5.4. Общая схема реализации метода РНДБ

Радіоінтерферометрія со сверхдлинной базой, кроме создания глобальной геодезической сети, используется для решения многих задач геодезического и геофизического характера ( при определении параметров обращения Земли, изучении движения літосферних плит, действия приливных сил и т.д.).