Антенна для радиотелескопа своими руками

Jane Doe

Любительская радиоастрономия.

Запись опубликована · 26 сен 2013

5 308 просмотров

Пару дней назад, листая форумы, я наткнулся на пару заметок о любительской радиоастрономии. Из свободно доступных в продаже вещей, обладая определенными познаниями в радиоэлектронике, можно собрать простейший радиотелескоп. Забавно, но вещь, которая еще какое-то время назад считалась мной доступной только профессионалам, доступна и любителю вроде меня.

Судя по информации на форумах, с небольшим радиотелескопом можно:

— Изучать радиосигналы Юпитера;

— Записывать вспышки Солнца и прогнозировать геомагнитную активность;

— Обнаруживать пульсары с использованием DSP (цифровая обработка сигнала);

— Определять сильные радиоисточники в космосе;

— Наблюдать сильные радиоимпульсы из галактического центра;

— Обнаруживать невидимые для оптики метеоры;

Радиоастрономия в чем-то схожа с астрофотографией — необходимая информация об объекте выделяется из спектра «сигнал/шум».

На форумах есть даже инструкции по сборке и фотографии с полевых наблюдений.

Читаю сейчас весьма занятную книгу «Элементарная радиоастрономия» С.А. Каплана. Рекомендую нагуглить и прочитать. Книга интересная. История радиоастрономии и курс радиофизики понятным для обывателя языком.

Темой этой я заинтересовался. Если будут какие-нибудь подвижки, отпишусь.

Источник

Радиотелескоп

Мы привыкли видеть мир в оптическом диапазоне и слышать в звуковом. Всем известно, что летучая мышь видит в темноте благодаря ультразвуковому локатору. Существует множество приборов, расширяющих человеческие возможности восприятия – к этому относится вся измерительная аппаратура. Она отображает всевозможные физические процессы в графическом или звуковом виде, доступном человеку.

Техническое описание

Данная установка представляет собой двухкоординатное сканирующее устройство. Оно работает в диапазоне 10ГГц, на этих частотах работают ТВ спутники. Первоначально планировалось сделать фотографию геостационарной орбиты. Дополнительно к этому было интересно посмотреть на Солнце, а так же, из разряда детской любознательности хотелось узнать, видна ли будет Луна и, вообще, что же будет на снимке.

В устройстве использована параболическая сетчатая антенна, конвертер на диапазон 10-12 ГГц, двухосевое поворотное устройство, со специально разработанным пультом управления, написана программа для управления поворотным устройством. Чтобы оцифровывать уровень, собрана плата из логарифмического преобразователя уровня AD8313, АЦП MAX1236, контроллера, передающего информацию в COM-порт. Программа, управляющая поворотным устройством, принимает данные с АЦП, добавляет к ним временные и координатные метки и сохраняет в файл. Изображение строится по простому, но необходимому алгоритму, т.к. точность координат – 1 градус, а данные идут со скоростью 10 отсчетов на градус. Т.к. в нашем случае тарелка крутится по горизонтали, то по горизонтали разрешение примерно 10 точек на градус, а по вертикали 1 точка на градус. Полный панорамный снимок с обзором на 360 градусов по ширине и 90 градусов по высоте делается примерно полтора часа. Благодаря возможностям конвертора можно принимать излучение с различной поляризацией отдельно и получать различные изображения. Такие черно-белые изображения можно составлять в одно цветное, благодаря этому спутники выглядят разноцветными. Немногие об этом догадываются, но параболическая система с головкой в фокусе параболы имеет возможность фокусироваться не только на спутники, но и пытаться сфокусироваться на, например, соседний дом, благодаря чему можно получить четкие снимки, на которых можно разглядеть каркас парника и даже рамы окон притом, что диаметр параболического отражателя значительно превосходит по размеру их ширину.

Пример работы телескопа

Снимки

Фокусировка

Вынося приемник из фокуса параболы можно фокусироваться на разные расстояния.

На верхнем изображении фокусировка на спутники, а на нижнем — на дом, при этом спутники стали более размытыми.

Вначале, когда надо было настраивать работу всей системы, за опорную точку был принят спутник Eutelsat36B геостационарной орбиты на 36º восточной долготы. Когда нами был получен положительный результат, мы сделали широкий снимок и увидели деревья. Они были очень размыты и вокруг них на некотором расстоянии была видна аура. В дальнейшем, с настройкой и дообработкой в фотошопе и осмыслением проекции, стало видно и ясно, что аура деревьев – это провода линий электропередач.

Все знают, что вокруг Земли вращается не только Луна, но и более яркий объект — Солнце, в чем можно убедиться, посмотрев эту анимацию, на котором видны оба светила.

Северное сияние

Все кто пытался смотреть спутниковое телевидение в дождь или снег, когда на небе есть только одна сплошная темная туча, знают что качество принимаемого сигнала зависит от метео-обстановки. В данном случае очевидно, что радиосигнал от спутника гасится в тучах. Но есть и другие факторы, влияющие на качество приема, например, излучение от Солнца. Нами замечено, что часто через некоторое время после сильных солнечных вспышек картинка с метеоспутников принимается с очень сильными шумами – это работает ионосфера, создавая шум.

Мы сделали снимки в период солнечной непогоды. г. Наро-Фоминск. Эффект происходил после захода Солнца.

На анимации видно движущееся Солнце.

Вспышки на земле

Однажды при периодической съемке были замечены длительные мощные вспышки, занимающие большую часть неба. Трудно получить реальное мгновенное изображение, если один снимок делается в течении 8 минут, но вы можете посмотреть на анимацию, сделанную так как это было возможно.

Если вам есть что сказать по поводу вспышек или просто есть что добавить к этой теме, пожалуйста, пишите в комментариях.

Источник

Журнал «Все о Космосе»

Радиотелескоп

Радиотелескоп РТФ-32 Обсерватория «Зеленчукская» Северный Кавказ

Радиотелескоп — астрономический инструмент для приёма собственного радиоизлучения небесных объектов (в Солнечной системе, нашей Галактике и Вселенной) и исследования их характеристик, таких как: координаты, пространственная структура, интенсивность излучения, спектр и поляризация.

Радиотелескоп занимает начальное, по диапазону частот, положение среди астрономических инструментов для исследования электромагнитного излучения — более высокочастотными являются телескопы теплового, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма излучения.

Радиотелескопы предпочтительно располагать далеко от главных населённых пунктов, чтобы максимально уменьшить электромагнитные помехи от вещательных радиостанций, телевидения, радаров и др. излучающих устройств. Размещение радиообсерватории в долине или низине ещё лучше защищает её от влияния техногенных электромагнитных шумов.

Устройство

Радиотелескоп состоит из двух основных элементов: антенного устройства и очень чувствительного приёмного устройства — радиометра. Радиометр усиливает принятое антенной радиоизлучение и преобразует его в форму, удобную для регистрации и обработки.

Конструкции антенн радиотелескопов отличаются большим разнообразием, что обусловлено очень широким диапазоном длин волн, используемых в радиоастрономии (от 0,1 мм до 1000 м). Антенны радиотелескопов, принимающих мм, см, дм и метровые волны, чаще всего представляют собой параболические отражатели, подобные зеркалам обычных оптических рефлекторов. В фокусе параболоида устанавливается облучатель — устройство, собирающее радиоизлучение, которое направляется на него зеркалом. Облучатель передаёт принятую энергию на вход радиометра, и, после усиления и детектирования, сигнал регистрируется на ленте самопишущего электроизмерительного прибора. На современных радиотелескопах аналоговый сигнал с выхода радиометра преобразуется в цифровой и записывается на жёсткий диск в виде одного или нескольких файлов.

Для калибровки полученных измерений (приведения их к абсолютным значениям плотности потока излучения) ко входу радиометра вместо антенны подключается генератор шума известной мощности.

В зависимости от конструкции антенны и методики наблюдений, радиотелескоп может либо заранее наводиться на заданную точку небесной сферы (через которую вследствие суточного вращения Земли пройдёт наблюдаемый объект), либо работать в режиме слежения за объектом.

Для направления антенн в исследуемую область неба их устанавливают обычно на Азимутальных монтировках, обеспечивающих повороты по азимуту и высоте (полноповоротные антенны). Существуют также антенны, допускающие лишь ограниченные повороты, и даже полностью неподвижные. Направление приёма в антеннах последнего типа (обычно очень большого размера) достигается путём перемещения облучателей, которые воспринимают отражённое от антенны радиоизлучение.

Принцип работы

Принцип работы радиотелескопа больше схож принципом работы фотометра, нежели оптического телескопа. Радиотелескоп не может строить изображение непосредственно, он лишь измеряет энергию излучения, приходящего с направления, в котором «смотрит» телескоп. Таким образом, чтобы получить изображение протяженного источника, радиотелескоп должен промерить его яркость в каждой точке.

Ввиду дифракции радиоволн на апертуре телескопа, измерение направления на точечный источник происходит с некоторой ошибкой, которая определяется диаграммой направленности антенны и накладывает фундаментальное ограничение на разрешающую способность инструмента:

где — длина волны, — диаметр апертуры. Высокая разрешающая способностью позволяет наблюдать более мелкие пространственные детали исследуемых объектов. Чтобы улучшить разрешающую способность, нужно либо уменьшить длину волны, либо увеличить апертуру. Однако использование малых длин волн повышает требования к качеству поверхности зеркала. Поэтому обычно идут по пути увеличения апертуры. Увеличение апертуры также позволяет улучшить ещё одну важную характеристику — чувствительность. Радиотелескоп должен обладать высокой чувствительностью, чтобы обеспечить надёжную регистрацию как можно более слабых источников. Чувствительность определяется уровнем флюктуаций плотности потока :

где — мощность собственных шумов радиотелескопа, — эффективная площадь антенны, — полоса частот и — время накопления сигнала. Для повышения чувствительности радиотелескопов увеличивают их собирающую поверхность и применяют малошумящие приёмники и усилители на основе мазеров, параметрических усилителей и т. д.

Радиоинтерферометры

Помимо увеличения диаметра апертуры, существует ещё один способ увеличить разрешающую способность (или сузить диаграмму направленности). Если взять две антенны, расположенных на расстоянии d (база) друг от друга, то сигнал от источника до одной из них будет приходить чуть раньше, чем до другой. Если затем сигналы с двух антенн проинтерферировать, то из результирующего сигнала с помощью специальной математической процедуры редукции можно будет восстановить информацию об источнике с эффективным разрешением . Такая процедура редукции называется апертурным синтезом. Интерференция может проводиться как аппаратно, путём подачи сигнала по кабелям и волноводам в общий смеситель, так и на ЭВМ с предварительно оцифрованными по меткам точного времени и сохраненными на носитель сигналами. Современные технические средства позволили создать систему РСДБ, которая включает в себя телескопы расположенные на разных материках и разнесенные на несколько тысяч километров.

Первые радиотелескопы

Начало — Карл Янский

Копия радиотелескопа Янского

История радиотелескопов берёт своё начало в 1931 году, с экспериментов Карла Янского на полигоне фирмы Bell Telephone Labs. Для исследования направления прихода грозовых помех он построил вертикально поляризованную однонаправленную антенну типа полотна Брюса. Размеры конструкции составляли 30.5 м в длину и 3.7 м в высоту. Работа велась на волне 14.6 м (20.5 МГц). Антенна была соединена с чувствительным приёмником, на выходе которого стоял самописец с большой постоянной времени.

Запись излучений, полученная Янским 24 февраля 1932 года. Максимумы (стрелки) повторяются через 20 мин. — период полного оборота антенны.

Янский сознавал, что прогресс в радиоастрономии потребует антенн больших размеров с более острыми диаграммами, которые должны быть легко ориентируемы в различных направлениях. Он сам предложил конструкцию параболической антенны с зеркалом 30.5 м в диаметре для работы на метровых волнах. Однако его предложение не получило поддержки в США.

Второе рождение — Гроут Ребер

Меридианный радиотелескоп Гроута Ребера

В 1937 году Гроут Ребер, радиоинженер из Уэтона (США, штат Иллинойс) заинтересовался работой Янского и сконструировал в заднем дворе дома своих родителей антенну с параболическим рефлектором диаметром 9,5 м. Эта антенна имела меридианную монтировку, то есть была управляема лишь по углу места, а изменение положения лепестка диаграммы по прямому восхождению достигалось за счёт вращения Земли. Антенна Ребера была меньше, чем у Янского, но работала на более коротких волнах, и её диаграмма направленности была значительно острее. У антенны Ребера луч имел коническую форму с шириной 12° по уровню половинной мощности, в то время как у луча антенны Янского была веерообразная форма шириной 30° по уровню половинной мощности в наиболее узком сечении.

Весной 1939 года Ребер обнаружил на волне 1,87 м (160 МГц) излучение с заметной концентрацией в плоскости Галактики и опубликовал некоторые результаты.

Радиокарта небосвода, полученная Гроутом Ребером в 1944 г.

После Второй мировой войны были сделаны существенные технологические улучшения в области радиоастрономии учёными в Европе, Австралии и США. Таким образом начался расцвет радиоастрономии, который привёл к освоению миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, позволяющих достичь значительно больших разрешений.

Классификация радиотелескопов

Широкий диапазон длин волн, разнообразие объектов исследований в радиоастрономии, быстрые темпы развития радиофизики и радиотелескопостроения, большое число независимых коллективов радиоастрономов привели к большому разнообразию типов радиотелескопов. Наиболее естественно классифицировать радиотелескопы по характеру заполнения их апертуры и по методам фазирования СВЧ поля (рефлекторы, рефракторы, независимая запись полей) :

Антенны с заполненной апертурой

Антенны этого типа похожи на зеркала оптических телескопов и являются наиболее простыми и привычными в использовании. Антенны с заполненной апертурой просто собирают сигнал от наблюдаемого объекта и фокусируют его на приёмнике. Записанный сигнал уже несет в себе научную информацию и не нуждается в синтезе. Недостатком таких антенн является низкая разрешающая способность. Антенны с заполненной апертурой можно разделить на несколько классов по форме их поверхности и методу монтирования.

Параболоиды вращения

Практически все антенны такого типа устанавливаются на Альт-азимутальных монтировках и являются полноповоротным. Главным их преимуществом является то, что такие радиотелескопы могут, как и оптические, наводиться на объект и вести его. Таким образом, наблюдения могут проводиться в любое время, пока исследуемый объект находится над горизонтом. Типичные представители: Радиотелескоп Грин-Бэнк, РТ-70, Калязинский радиотелескоп.

Параболические цилиндры

Строительство полноповоротных антенн сопряжено с определёнными трудностями, связанными с огромной массой таких конструкций. Поэтому строят неподвижные и полуподвижные системы. Стоимость и сложность таких телескопов растет гораздо медленнее с их ростом размеров. Параболический цилиндр собирает лучи не в точке, а на прямой, параллельной его образующей (фокальная линия). Из-за этого телескопы данного типа имеют несимметричную диаграмму направленности и различное разрешение по разным осям. Ещё одним недостатком таких телескопов является то, что ввиду ограниченной подвижности для наблюдения им доступна только часть неба. Представители: радиотелескоп Иллинойского университета, индийский телескоп в Ути.

Ход лучей в телескопе Нансэ

Антенны с плоскими отражателями

Для работы на параболическом цилиндре требуется, чтобы на фокальной линии было размещено несколько детекторов, сигнал с которых складывается с учетом фаз. На коротких волнах это сделать непросто из-за больших потерь в линиях связи. Антенны с плоским отражателем позволяют обойтись лишь одним приёмником. Такие антенны состоят из двух частей: подвижного плоского зеркала и неподвижного параболоида. Подвижное зеркало «наводится» на объект и отражает лучи на параболоид. Параболоид концентрирует лучи в точке фокуса, где располагается приёмник. Такому телескопу доступна только часть неба для наблюдений. Представители: радиотелескоп Крауса, Большой радиотелескоп в Нансэ.

Земляные чаши

Стремление удешевить конструкцию привело астрономов к мысли об использовании природного рельефа в качестве зеркала телескопа. Представителем этого типа стал 300-метровый радиотелескоп Аресибо. Он расположен в карстовой воронке, дно которой вымощено алюминиевыми листами в форме сфероида. приёмник на специальных опорах подвешивается над зеркалом. Недостатком данного инструмента является то, что ему доступна область неба в пределах 20° от зенита.

Антенные решётки (синфазные антенны)

Такой телескоп состоит из множества элементарных облучателей (диполей или спиралей) расположенных на расстоянии меньшем, чем длина волны. Благодаря точному управлению фазой каждого элемента, удается добиться высокой разрешающей способности и эффективной площади. Недостатком таких антенн является то, что они изготавливаются под строго определённую длину волны. Представители: радиотелескоп БСА в Пущино.

Антенны с незаполненной апертурой

Наиболее важными для целей астрономии являются две характеристики радиотелескопов: разрешающая способность и чувствительность. При этом чувствительность пропорциональна площади антенны, а разрешение — максимальному размеру. Таким образом, самые распространенные круглые антенны дают наихудшее разрешение при той же эффективной площади. Поэтому в радиоастрономии появились телескопы с малой площадью, но большой разрешающей способностью. Такие антенны получили название антенн с незаполненной апертурой, так как они имеют «дыры» в апертуре, превосходящие длину волны. Чтобы получить изображение с таких антенн, наблюдения нужно проводить в режиме синтеза апертур. Для апертурного синтеза достаточно двух синхронно работающих антенн, расположенных на некотором расстоянии, которое называют базой. Чтобы восстановить изображение источника, нужно промерить сигнал на всех возможных базах с некоторым шагом вплоть до максимальной.

Если антенны всего две, то придется проводить наблюдение, затем менять базу, проводить наблюдение в следующей точке, опять менять базу и т. д. Такой синтез называется последовательным. По такому принципу работает классический радиоинтерферометр. Недостаток последовательного синтеза состоит в том, что он требует много времени и не может выявить переменность радиоисточников на коротких временах. Поэтому чаще применяется параллельный синтез. В нём участвует сразу много антенн (приёмников), которые одновременно проводят измерения для всех нужных баз. Представители: «Северный крест» в Италии, радиотелескоп ДКР-1000 в Пущино.

Крупные массивы типа VLA часто относят к последовательному синтезу. Однако, ввиду большого количества антенн, практически все базы уже представлены, и дополнительных перестановок обычно не требуется.

Источник