На сайте 100500 рефератов в 150 категориях	Искать реферат
Рефераты на 5 с плюсом С нашим сайтом написать реферат проще простого

Антенные решетки с сверхдлинные базой

Категория: Технологии

версия для печати

Страница: [1] [2]

Оптимальность под обстрелом. Многие животные, хищники или травоядные, в отношении пищи ведут себя так, будто стремятся максимально увеличить суммарное количество энергии, поглощаемой. Например, обычный в Европе певчая птица большая синица, как правило, отказывается от источника корма, что истощается, когда интенсивность поглощения энергии падает ниже величины,что может быть обеспечена при смене места кормления. Ушастая окунь в условиях выбора добычи избегает «второсортных» пищевых объектов, потребление которых снизило бы общую интенсивность поглощения энергии.

Такое поведение подтверждает предсказания теории оптимальной стратегии питания (optimal foraging), представляющая собой выдающийся пример примененияв биологии математической концепции оптимальности. Однако эта теория подвергается жестокой критике. Недавно против ее на страницах экологического журнала скандинавских стран «Oikos» выступили Г. Пирс и Дж. Олласон из Абердинского университета. Заголовок их статьи очень красноречив: «Восемь доводов к вопросу о том, почему заниматься теорией оптимальной стратегиипитание — это бесполезная трата времени ».

Теория оптимальной стратегии питания основывается на ортодоксальном дарвинизм. Предполагается, что мильйоноричний естественный отбор создал животных, поведение которых направлено на увеличение приспособленности, обусловленной (довольно расплывчато) как способность индивида передать свои гены следующим поколениям. Собственноприспособленность трудно измерить, и поэтому вместо этого изучается поведение животных с точки зрения более удобного для измерения аспекта его жизнедеятельности. В теории оптимальной стратегии питания степени служит средняя интенсивность поглощения энергии в единицу времени, затрачиваемого на кормежку. Идея состоит в том, что лица, более успешно кормятся, оставятбольше потомков.

Математические модели, учитывающие такие факторы, как общая калорийность различных пищевых объектов и распределение этих объектов, служащих для расчета наилучшей стратегии питания, оцениваемой избранной мерой. Если поведение животного, которое наблюдается, подтверждает теоретические предсказания, считается, что объем и исходные посылки моделивыбраны правильно; в противном случае модель пересматривается. По мнению сторонников теории оптимальной стратегии питания, тот факт, что модели в рамках этой теории предсказывают поведение многих животных, доказывает универсальность принципа естественного отбора.

Большинство возражений, приведенных Пирсом и Олласоном, впервые была выдвинута С. Гоулдоми Р. Левонтин из Гарвардского университета. Эти ученые утверждают, что поведение животного, связанное с ее питанием, обусловлено многими факторами кроме самой потребности в пище и ее поисках, — например, необходимостью следить за врагами. Кроме того, эволюция поведения может продолжаться и сейчас: организмы и условия их существования изменяются в течение миллионовлет. Вообще возможно, что «оптимальная» признак никогда не появится, так как гены возникают в результате случайных мутаций и притом сложным образом взаимодействуют между собой. Все эти взгляды означают, что даже хорошее сосуществование модели с реальностью может быть не более чем совпадением.

Дж. Кребс из Оксфордского университета — один из основных защитниковтеории оптимальной стратегии питания — пытается доказать, что оптимизация является общим правилом процесса естественного отбора и результаты ее широко распространены: «Стоит только посмотреть вокруг, чтобы убедиться, что объекты живой природы, даже части вашего собственного тела, устроены наилучшим для той роли, что они выполняют ». Кребс и Д. Стивенс изМассачусетского университета в Амхерсте в своей книге под названием «Foraging Theory» пишут, что возражения критиков теории оптимальной стратегии питания объясняют, почему сторонники этой теории могут быть неправы, но не объясняют, почему они обязательно должны быть неправы. По мнению Кребса, некоторые ранние работы по теории оптимальной стратегии питаниядействительно претендовали на слишком многое. «В ретроспективе оптимальность — это не закон природы, а способ разобраться в поведении животных». По словам Олласона, действия животных явно имеют смысл, и он не отрицает мощь естественного отбора. Однако, как сказал этот исследователь, заявлять, будто поведение оптимальное — это просто самообман, поскольку число факторов,имеющие значение, огромное. Он и Пирс отмечают, что поскольку предсказания моделей редко полностью совпадали с действительностью, их следует считать, собственно говоря, неверными. Стивенс отвечает на это, что результаты значительного большинства исследований на выбор пищевых объектов и стратегии фуражування менее качественно согласуются с предсказаниями теории оптимальнойстратегии питания и явные расхождения немногочисленны.

Левонтин признает: концепция оптимальности иногда может давать верное объяснение биологических явлений, но он делает ее сторонникам в вину то, что несложные исследования, появляющиеся в поддержку теории оптимальной стратегии питания , принимаются некритически, в то время как они не доказывают ничего,кроме искусства авторов в изобретении разумных моделей. Поскольку убедительно продемонстрировать оптимальность очень трудно, Левонтин задается вопросом, не следует эволюционистам ограничиться выявлением разнообразия живой природы без объяснения конкретных событий. Философ Ф. Китчер из Калифорнийского университета в Сан-Диего более оптимистична: судьба теории оптимальнойстратегии питания, по его мнению, зависит от того, подходят модели для широкого спектра видов или же их в каждом отдельном случае нужно «подгонять». Он думает, что мы еще не достигли в своих знаниях той стадии, когда можно разграничить эти две ситуации.

Антенные решетки с сверхдлинные базой

С тех пор как 400 лет назад Галилей направил свойтелескоп на ночное небо, астрономы заняты созданием все более сложных приборов для наблюдения Вселенной. Каждое усовершенствование, что повышает разрешение, позволявшее им рассматривать все более мелкие «детали» Вселенной и выявлять новые ранее неизвестные объекты. Телескоп Галилея повысил разрешение в 20 раз и позволил впервые рассмотреть фазыВенеры, кольца Сатурна, четыре ярких спутника Юпитера, кратеры и горы на Луне и бесчисленные звезды Млечного Пути. Гигантские современные оптические приборы, такие как телескоп Хейла, установленный в обсерватории «Маунт-Паломар», могут обнаруживать объекты в миллион и более раз менее яркие, чем те, что видел Галилей. Однако из-за турбулентности атмосферыудается различать детали всего в десять раз более мелкие, чем видимые с помощью простейшего телескопа, которым пользовался Галилей.

Развитие радиотехники во время второй мировой войны открыл совершенно новое окно во Вселенную. Когда астрономы нацелили антенны в небо, они начали открывать ранее неизвестные солнечные и планетные радиовибухы,квазары, пульсары, радиогалактики, гигантские молекулярные облака и космические мазеры. Радиоволны не только открывают новый мир астрономических явлений, но и не испытывают столь сильных искажений, вызываемых турбулентностью атмосферы или мелкими дефектами телескопа.

В то же время большая длина радиоволн создала немало серьезных препятствийдля первых радиоастрономов. Способность раздельного телескопа зависит от отношения длины волны к апертуры, и для получения разрешения по сравнению с той, которая достигается на оптическом телескопе при работе на типичной длине волны 5000 А (5 * 10-7 м), радиоантенна, работающий на длине волны 1 м, должна иметь размеры в миллион раз больше.Поэтому, хотя ранние образцы радиотелескопов и могли обнаруживать сигналы от далеких галактик, невидимых или едва заметных даже в самые оптические телескопы, они не всегда могли разрешать отдельные источники вследствие недостаточной разрешающей способности. Даже самая подвижная антенна (в ФРГ), представляющий собой параболическое зеркало диаметром 100 м и работающаяна длине волны около 1 см, обеспечивает разрешение всего в 1 ’, что примерно соответствует разрешению невооруженного человеческого глаза. Для построения радиотелескопа с разрешением 1 «, сравнимой со способностью раздельного телескопа Хейла, понадобилась бы антенна с диаметром зеркала в десятки километров.

К счастью, существует возможностьобойти эту трудность. Примерно 25 лет назад радиоастрономы поняли, что обрабатывая сигналы от нескольких небольших антенн, разнесенных на значительные расстояния, можно синтезировать разрешение, эквивалентное разрешению одной антенны с огромной апертурой. При этом эффективная апертура была бы примерно равна наибольшей расстояния между антеннами.Такой метод синтезирования изображения, основанный на интерференции радиоволн, получивший название радиоинтерферометрии со сверхдлинными базой. Радиоастрономы США в настоящее время создают систему апертурного синтеза — радиоинтерферометра со сверхдлинными базой (РИСДБ), в состав которого должны войти 10 антенн, разбросанных по всей стране — от Виргинских до Гавайских островов,позволит синтезировать радиоантенну систему с размером апертуры 8000 км, что почти равен диаметру Земли. Разрешение системы РИСДБ будет лучше от тысячной секунды дуги, то есть примерно на три порядка величины лучше, чем в крупнейших наземных оптических телескопов. Астрономы с нетерпением ожидают завершения построения этой системы в начале следующегодесятилетия, она, кроме всего прочего, должна обеспечить беспрецедентное проникновение в ядра галактик и квазаров и позволить раскрыть физический механизм, ответственный за генерацию в них огромной энергии излучения, что, как считают в настоящее время, связан с аккреция газа на массивную черную дыру .

Радиоинтерферометрия. Действие РИСДБ основана принципахработы обычного интерферометра — системы, синтезирующей сигналы источника, принятые двумя или более антеннами. Получаемая при этом интерференционная картина позволяет определить разность хода лучей от источника сигнала до антенны. При разности хода, равной целому числу длин волн, гребни волн поступают на антенны синфазно (т.е. одновременно), что приводитдо максимальной интенсивности суммарного сигнала. И наоборот, если разность хода составит нечетное число полуволн, гребни одной волны будут совпадать с впадинами другой, что приведет к их взаимной компенсации, и суммарный сигнал при этом будет минимальным. Поскольку разность хода определяется разностью расстояний от источника к каждой из антенн, то получаемаяинтерференционная картина содержит информацию о мелких структурные детали источника излучения и может быть использована для построения его изображение.

При наблюдении небесного тела с помощью радиоинтерферометра вращения Земли вызывает изменения разности хода, так что принятый сигнал колеблется между синфазным и противофазный, создавая синусоидальныйраспределение минимумов и максимумов, именуемых интерференционными полосами. При коротких базовых линиях Земля за время перехода интерференционной картины от одного максимума до следующего должна вернуться на больший угол, чем при длинных базах. Таким образом, антенны, расположенные относительно близко друг к другу, формируют широкие полосы и реагируют только на большиедетали источника. Когда антенны разнесены на большие расстояния, они реагируют на детали меньшего размера. Для сбора полной информации о строении исследуемого объекта необходимы играть антенн с различными длинами базовых линий. Более того, для получения хорошего плоскостного изображения ориентации базовых линий должны быть тщательно распределены. Вращение Землисамо по себе сокращает базовую линию и меняет ее ориентацию относительно источника излучения; таким образом, серия наблюдений за заметный промежуток времени как бы создает дополнительные базовые линии к используемым решетки.

Сегодня самым мощным радиотелескопом есть гигантские Y-образные играть VLA (Very Large Array), развернутые в США на высокогорном платов штате Нью-Мексико. Они состоят из 27 подвижных параболических антенн, расположенных по направлению трех ответвлений Y-образной конфигурации. Вдоль каждого ответвления проложена железнодорожная колея протяженностью 21 км с фиксированными станциями, определяющие базы между антеннами. С помощью проложенных под землей волноводов антенны подключены к центральномуустройства, осуществляющего добавление сигналов для получения интерференционных полос. Девять антенн вдоль каждого ответвления могут перемещаться по железнодорожной линии, образуя четыре различных конфигурации, причем длина плеча может меняться в пределах от 600 м до 21 км. Антенны работают в нескольких диапазонах частот, от 330 МГц (длина волны 90 см) до 23 ГГц(Длина волны 1,3 см). Эта система обладает высокой чувствительностью и разрешением, измеряемая десятыми долями секунды дуги; так что качество получаемых изображений такая же или лучше, чем у самых мощных наземных оптических телескопов. С помощью системы VLA астрономы получили радиозображення таких объектов, как солнечные пятна, кольца Сатурна, темные туманностив нашей Галактике и таинственные могущественные струйные выбросы от квазаров и центров радиогалактик.

Однако многие космических источников радиоизлучений, такие как загадочные квазары, слишком малы для наблюдения даже с помощью такой антенной решетки. Их можно наблюдать только при условии, если расстояния между антеннами увеличить до нескольких тысяч километров.с сверхдлинные базой (РИСДБ), успешно применяется с 60-х годов.

Каждые несколько месяцев радиообсерватории всего мира (в основном в США и Европе, но иногда включая и антенны, расположенные в Австралии, Бразилии, Канаде, Китае , Индии, Японии, ЮАР и Советском Союзе) координируют свои графики наблюдения избранных небесных тел. Магнитные записи сигналовкаждой из антенн потом воспроизводятся в одном из трех центров обработки: Институте радиоастрономии им. Макса Планка в Бонне, Национальной радиоастрономической обсерватории в Шарлотсвилл (шт. Вирджиния, США) или Калифорнийском технологическом институте (США). В этом РИСДБ использовалось до 18 антенн, что обеспечило получение отличных изображений квазаров,активных ядер галактик, космических мазеров и других компактных источников радиоизлучений.

Описание РИСДБ. Такой специализированный РИСДБ оставляет желать лучшего. Организовать длительные координированные наблюдения оказывается не так легко, а отдельные антенны расположены в местах, где невозможно получить изображение высокого качества. Более того, антенны неодинаковыпо точности и чувствительности. Для наилучшего использования данного метода наблюдений Национальной радиоастрономической обсерватории начала в 1985 г. строить РИСДБ в виде сети из 10 антенн; эта работа финансируется Национальным научным фондом США. Каждая из антенн будет иметь диаметр 25 м и работать в миллиметровом диапазоне на волнах длиной 3,5 мм. Антенны будутразмещены на всей территории США в местах, выбранных так, чтобы распределение базовых линий обеспечило высокое качество изображения. При этом учитывалось также, чтобы в местах расположения антенн отсутствовали сильные промышленные радиопомехи от искусственных источников, чтобы влияние атмосферных водяных паров было минимальным и в то же время, чтобы основные транспортные центры и станцииместного технического обслуживания находились неподалеку. Пять антенн разместят в горной местности с относительно сухим климатом, в безоблачных юго-западных штатах.

Каждая антенна будет руководствоваться собственной ЭВМ, будет принимать команды по телефонным линиям с Центра управления, расположенного в Сокорро (шт. Нью-Мексико). Управления интерферометромбудет осуществляться центральной ЭВМ по специальной программе, в задачу которой входит контроль за работой антенн и приемников, а также по погодным условиям в каждом пункте. Оператор, управляющий решеткой, сможет оперативно вмешиваться в процесс наблюдения в случае неожиданных космических явлений, как, например, при обнаружении сверхновой. Вмешательства оператора такжене исключается и в случае возникновения технических неполадок или ухудшение атмосферных условий. При проведении специальных экспериментов, требующих получения изображения еще более высокого качества, предусматривается возможность использования до 10 других радиотелескопов, расположенных в разных точках земного шара.

Первая из антенн этой системы, расположенная в Пай-Тауне(Нью-Мексико), в настоящее время вводится в эксплуатацию. Вполне система должна войти в строй в 1992 г. К середине 90-х годов астрономы надеются осуществить запуск в космос первой антенны, предназначенной для радиоинтерференцийних исследований. К этому времени данные наземных наблюдений с помощью РИСДБ можно будет использовать вместе с данными, получаемымииз космоса. Это будет не только крупным достижением в области повышения разрешения астрономических наблюдений, но и первым шагом на пути к созданию мощных интерферометров космического базирования.

Часы и устройства записи. Пятьдесят лет технического прогресса, ознаменовались многими достижениями — от водородных лазерных часовдо бытовых кассетных видеомагнитофонов, — сделали возможным создание РИСДБ. Часы сверхвысокой точности необходимы для синхронизации данных, получаемых из различных антенн; запись на магнитную ленту позволяет хранить огромные объемы информации. Радиоприемники, подключаемых к каждой антенны, обладающие высочайшей чувствительностью. Большинство из них имеют транзисторныеусилители, охлаждаемые до 15 К, чтобы свести к минимуму шумы внутри аппаратуры. Каждая антенна способна работать в девяти отдельных диапазонах частот в интервале от 330 МГц (длина волны 90 см) до 43 ГГц (длина волны 7 мм), в будущем предполагается расширение этого интервала до 86 ГГц (длина волны 3,5 мм), что близко к рабочей грани такихантенн.

Для нормальной работы РИСДБ необходимо, чтобы каждая антенна была вооружена точным часам. Он нужен для синхронизации принимаемых данных. Кроме того, поскольку принятые сигналы в процессе обработки превратятся в более низкочастотные, необходимо наличие надстабильного эталона частоты, для того чтобы сохранить фазовые соотношения получаемыхна выходе сигналов. В создаваемом РИСДБ обе эти функции будут выполнять часы на водородном мазеры, что отсчитывают время по характеристической частоте атома водорода (мазер — это квантовый генератор, аналог лазера, но работающий в диапазоне МКБ). Частота таких часов стабильная, в течение одного часа она отклоняется на величину не более 10-15.Это означает, что на самой рабочей частоте 43 ГГц сигналы от отдельных антенн РИСДБ могут быть синхронизированы с большой точностью в интервалах времени примерно в полчаса без заметной разногласия по фазам. Это позволяет сжимать получасовые отрезки данных путем их усреднения и тем самым резко снизить объем вычислений, необходимых для получения изображения.

Сигналыв системе РИСДБ записываются на магнитную ленту в цифровом виде. Согласование во времени отдельных выборок контролируется мазерного часами, что исключает зависимость синхронизации от механических факторов, таких как стабильность скорости протяжки ленты. Когда в начале 60-х годов вошла в строй первая система РИСДБ, в ней использовались обычные магнитныеленты для ЭВМ, так что скорость записи данных была ограничена несколькими сотнями килобит в секунду. В настоящее время для этих целей используются модифицированные бытовые кассетные видеомагнитофоны, запись на который производится со скоростью 4 Мбит / с. Эта новая система, получившая название «Марко II», обеспечивает 4 часа. непрерывного записи сигнала с шириной полосы частот2 МГц на одну кассету. Такими системами записи оснащены более 25 радиотелескопов по всему миру. Более новая система «Марк III» разработана на средства НАСА в обсерватории «Хайстек» Массачусетского технологического института. В ней применяется устройство записи с приводом, что обеспечивает скорость записи до 224 Мбит / с в полосе частот 112 МГц, при такой скоростизаписи расход ленты составляет 10 000 футов (более 3 км) за 6 мин.

Для обеспечения требуемой чувствительности к слабому излучения небесных источников радиоизлучения ширина полосы частот РИСДБ должна быть не менее 100 МГц. При этом расход ленты не должна быть чрезмерной. Обсерватория «Хайстек» разработала новую записывающую систему для РИСДБиз 512 дорожками и скоростью записи 256 Мбит / с, но потребляющую меньше ленты, чем «Марко III». На одну катушку с лентой шириной 16 дюймов (40,64 мм) и длиной 8 км можно вести запись в течение более 12 часов. и записать порядка 7 триллионов бит данных (примерно такой объем информации содержится в номерах ежедневной газеты за 1000 лет издания).

Ежедневноданные, получаемые с одной антенны, будут записываться на две такие катушки, на самолетах катушки доставят в центр управления, где их прокрутят и записанные на них данные «зчленують» с данными из других антенн. Предусмотрена возможность одновременного воспроизведения записей с 20 катушек, так что данные с других радиотелескопов, не входящих в систему РИСДБ, также могутиспользоваться для повышения чувствительности улучшения разрешающей способности системы. Но даже при множестве базовых линий в общей совокупности данных могут содержаться пробелы, обусловленные наличием боковых лепестков в диаграмме направленности антенны, что принесут искажения в формируемые компьютером изображения. Однако это явление хорошо известно, оно можетбыть учтено в алгоритме, и его негативное влияние на точность получаемого изображения можно свести на нет. Причиной более серьезных ошибок могут оказаться непредвиденные явления в земной атмосфере, но имеются алгоритмы для учета и таких явлений.

Струи и эволюция звезд. РИСДБ позволит получать высококачественные радиозображення с разрешениемнесколько десятитысячной секунды дуги, что эквивалентно углу, под которым горошина в Сан-Франциско видна из Нью-Йорка. В астрономических масштабах это соответствует способности обнаруживать объекты диаметром 100 млн. миль (160 млн. км) в любой точке нашей Галактики или объекты диаметром несколько световых лет в самых отдаленных местах космического пространства. Среди первоочередныхобъектов наблюдения будут ядра галактик и квазаров — наиболее мощные из известных в вселенной радиоисточников.

Специализированные сети радиоинтерферометров с сверхдлинные базой уже позволили радиоастрономы «заглянуть» во внутренние области квазаров и активных ядер галактик, выпускающих узкие струи плазмы . Эти высокоэнергетические явления относятсяк наиболее загадочным в современной астрономии. Сгустки плазмы выбрасываются со скоростями, близкими к скорости света, и создают ряд замечательных релятивистских эффектов. Во-первых, излучение оказывается сфокусированным в узкий луч вдоль направления движения. Если объект движется в сторону наблюдателя по направлению, близкому к лучу зрения, то в отношениислабое ядро ??галактики может показаться не менее ярким, чем квазар. Астрономы спорят, не объясняется повышенная яркость квазаров именно этим эффектом

Еще более замечательным следствием релятивистского движения есть иллюзия, будто сгустки плазмы двигаются со скоростью, превышающей скорость света. Она возникает вследствие движения объекта в направлениик наблюдателю со столь большой скоростью, что он почти догоняет собственное излучение, и если движение продолжается сотни лет, то излучение, испускаемое с интервалами в сотни лет, достигнет наблюдателя с промежутками всего в несколько лет. При наблюдении с Земли длина пути может показаться cкороченою до нескольких десятков световыхгода, что создает иллюзию, будто объект за несколько лет пролетел расстояние, равное нескольким десяткам световых лет. Это явление получило название «сверхсветовой» движения и часто наблюдается при выбросе сгустка плазмы из ядра квазара. Считается, что такие выбросы происходят каждые несколько лет, и существует мнение, что это явление порождается массивной черной дырой.Высокое разрешение РИСДБ позволит астрономам более тщательно исследовать процесс образования струй.

В более ближнем космосе астрономы изучают объекты нашей Галактики, пытаясь понять жизненный цикл звезд: как они рождаются и как умирают. И тут РИСДБ может оказать немалую помощь исследователям в понимании явлений, связанных со звезднойактивностью, что невозможно сделать с помощью обычных радиотелескопов. Особенно большой интерес представляет интенсивное микроволновое излучение космических мазеров на основе гидроксила (ОН) и водяного пара, обнаруженных в газовых оболочках очень молодых звезд, а также в пылевых облаках вокруг стареющих красных гигантов.

Эти космические квантовыегенераторы, относящихся к самым ярким небесным источников микроволнового диапазона, испускают излучение, когда молекулы или гидроксила воды в облаках делают стимулированный переход с более высокого энергетического уровня на более низкий. Разница энергий между этими уровнями излучается в виде интенсивного узкополосных сигналов на длине характеристическойволны, примерно равной 18 см для гидроксила и 1,3 см для воды. Мазерного источника часто содержат множество отдельных ярких точек, скорости которых могут быть измерены по допплеровском сдвигу частоты их излучения. Можно надеяться, что полученная с помощью РИСДБ картина движения мазеров позволит понять многие аспекты динамики турбулентныхоблаков, в частности вращаются они или разлетаются в разные стороны в результате космического взрыва.

Страница: [1] [2]

версия для печати