5.3. Радіоінтерферометрія з наддовгою базою (рндб)

На відміну від оптичної інтерферометрії, реалізованої на коротких відстанях, метод РНДБ використовується для вимірювання дуже великих відстаней (до тисяч кілометрів) і є, в сукупності з лазерною супутниковою віддалеметрією, основним методом при створенні глобальної геодезичної мережі. В геодезію цей метод прийшов з радіоастрономії, де спостережною апаратурою, що використовується, є радіотелескоп.

Радіоінтерферометр складається з двох радіотелескопів, що рознесли на сотні або тисячі кілометрів і спостерігаючих один і той же квазар – квазізоряне позагалактичне джерело шумового радіовипромінювання з надзвичайно широким спектром. Квазари знаходяться на відстанях від Землі в десятки і сотні мільйонів світлових літ, тобто практично в нескінченності, і тому радіохвилі, що приходять від квазара мають ідеально плоский фронт, а сигнали, які поступають на обидва радіотелескопи йдуть по строго паралельних шляхах. Ці шумові сигнали абсолютно ідентичні, але приходять на радіотелескопи з деякою часовою затримкою t щодо один одного, обумовленою різницею відстаней DS від радіотелескопів до квазара.

Рис.5.3. Пояснення до методу РНДБ

Геометрія РНДБ показана на рис.5.3. Лінію, що сполучає центри антен радіотелескопів 1 і 2, називаютьвектором бази D. Він є одним з основних визначуваних параметрів і може бути виражений через три різниці однойменних координат точок 1 і 2. З рис.5.3 видно, що довжина вектора D дорівнює DS/cosb, а оскільки DS = vt, то t = (D/v)cosb, тобто затримка t містить інформацію про довжину D. Ця затримка вимірюється кореляційним методом: на обох радіотелескопах шумові сигнали від квазара записуються на широкосмугові магнітофони (відеомагнітофони) і потім ці записи зводять разом на кореляторі, зсовуючи один запис щодо іншого до отримання максимуму кореляційної функції К₁₂, відповідного моменту t = 0. Величина потрібного часового зсуву дає шукане значення затримки t . При цьому вимірювання здійснюються тим точніше, чим вужче(гостріше) максимум кореляційної функції, а він тим гостріший, чим ширше спектр записуваних сигналів, тобто чим менше їх когерентність.

Через обертання Землі різниця ходу DS, а отже, і затримка t періодично змінюється з деякою частотою. Цю частоту називають частотою інтерференції f. Вона пропорційна швидкості зміни затримки (тобто похідною dt/dt) і теж вимірюється. За виміряними величинами t і f можна отримати різницю ходу DS і її зміну в часі. Величина DS є функцією радіус-векторів пунктів 1 і 2 і напряму на квазар. Не розглядаючи тут аналітичні співвідношення, відзначимо лише, що метод РНДБ дозволяє визначити довжину вектора бази з помилкою 2-3см і напрям на квазар з точністю до 0,001 кутової секунди по обох кутових координатах.

Записи сигналів на радіотелескопах повинні бути прив'язаний до єдиної шкали часу, для чого годинник на обох станціях необхідно якомога точніше синхронізувати. Це здійснюється за допомогою місцевих незалежних стандартів частоти і часу, які контролюються по високостабільному атомному еталону – водневому мазеру з відносною нестабільністю 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 радіотелескопах використовуються повноповоротні параболічні антени, діаметр яких може складати від 20 до 70 метрів. Телескопи працюють в декількох окремих діапазонах частот, що охоплюють інтервал довжин хвиль від декількох міліметрів до майже одного метра. Приймальні системи радіотелескопів володіють дуже високою чутливістю. Щоб звести до мінімуму шуми усередині апаратури, підсилювачі сигналів, що приймаються, охолоджуються до температури 15 К.

З приводу РНДБ як інтерферометричного методу доречно відзначити наступне. Необхідно чітко уявляти собі, що, на відміну від розглянутого вище оптичного випадку, безпосередньої інтерференції радіохвиль в РНДБ не спостерігають, так як її просто нема. Вона була б, якби два сигнали від одного джерела, пройшовши різні шляхи, приходили на один приймач (телескоп), на якому і спостерігалася б інтерференція. Але ці сигнали приходять на два окремі телескопи, величезна відстань між якими не дозволяє безпосередньо накласти сигнали один на одного (як це робиться, наприклад, у відомому зоряному інтерферометрі Майкельсона за допомогою системи дзеркал). Про яку ж інтерференцію йдеться?

Річ у тому, що в результаті обробки ми одержуємо такий же результат, неначебто спостерігали інтерференцію на одному радіотелескопі з діаметром антени, рівним довжині бази D - відстані між двома радіотелескопами. Тому фактично ми маємо тут випадок, який можна назвати синтезованою інтерференцією, індикатором якої служить поява сигналу на виході корелометра при достатньо близькому збігу записів. Цей сигнал при зсуві записів прописує кореляційну функцію, що має максимум при t = 0. У цей момент вхідні сигнали когерентні і вихідний сигнал корелометра аналогічний тому, який вийшов би при безпосередній інтерференції широкосмугових сигналів, що поступають на антени двох радіотелескопів. Саме в цьому значенні слід розуміти інтерференційний механізм РНДБ.

Висока точність методу РНДБ обумовлена тим, що використання двох рознесених антен, дає роздільну здатність, еквівалентну такій же для однієї антени з величезною апертурою (діаметром), що дорівнює довжині бази.

Загальна схема реалізації РНДБ показана на рис.5.4.

Рис.5.4. Загальна схема реалізації методу РНДБ

Радіоінтерферометрія з наддовгою базою, крім створення глобальної геодезичної мережі, використовується для вирішення багатьох задач геодезичного і геофізичного характеру (при визначенні параметрів обертання Землі, вивченні руху літосферних плит, дії приливних сил і т.д.).