VLBI基本原理-甚长基线干涉测量技术-实测天体物理学-中国科学院-上海天文台介绍

上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatoryVLBI基本原理上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory一VLBI基本原理VeryLongBaselineInterferometry(甚长基线干涉测量）射电天文观测一种高分辨率技术和方法用于天体物理成图高精度天体测量及测地深空导航上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory单孔径的射电望远镜的角分辩率约为D/，比光学望远镜要低得多光学波长V波段=5500埃射电波长C波段=6厘米~105光学波长一个直径为105米的射电望远镜的角分辩率与一个1米的光学望远镜的理论角分辩率相当（地面光学望远镜的实际分辨率是由大气相干长度确定的）由于无线电技术的发展，并且射电波长较长，所以射电干涉测量技术发展相对比较容易。当然射电干涉测量的发展的主要原动力来自天文研究的需要。上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory0S1r2r21rrwuVdS上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory称为场的空间相干函数I(s)射电源在天空上的二维亮度分布干涉仪是测量这个空间相干函数的设备dcrrSjSIrrV)2exp()(),(2121)(rE)()(),(2121rErErrV上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory如果源是天空中很小的一个区域如为单位矢量与垂直如果选择坐标系,在这个坐标系中的分量为(0,0,1)在这个坐标系中分量为u,v,wU方向为向东,V方向为向北,W方向为方向0SS0,SS00002121SSSSSSS0S0S21rr0S上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory函数称为相对于方向的相干函数为相位跟踪中心也称为相对于方向的复可见度函数，强度分布的空间频率谱与空间强度分布一对二维富利叶变换对如果我们通过观测得到离散的值，便可以用二维富利叶变换得到的分布。dldmemlIwVuVeVuVVmuljjw)(22),(),,(),(),(VuV0S0S),(VuV0S),(mlI),(VuV),(mlI),(VuV),(mlIdudVeVuVmlIVmulj)(2),(),(上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory简单模型的可见度一个点源的可见度函数幅度为相位为如果这个点源位置在相位参考中心,相位为常数（0）dldmemlIdldmemlIVuVVmuljVmulj)(2000)(2),(),(),()(2000),(VmuljeIVuV0210020020)](sin)([cosIVmulVmulI)(tan001Vmul0,000ml上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory双点源的可见度函数假定二个源的分别为幅度为相位为0(仅有实部,虚部为0)如果二个源的位置分别为幅度为)2,2(),2,2(002001mlImlI)(22)(210000),(VmuljVmuljeIeIVuV)](cos[002221VmulII),(),0,0(0021mlII)(22100),(VmuljeIIVuV)](2cos[200212221VmulIIII上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatoryI1=I2I1=2I1ll0l0l212II2I21IIm2Im上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory园对称分量中心在的原点，离原点的径向距离其Fourier变换为，(u,V)距离园高斯分量(半极大全宽度FWHM=a)),(ml22mlr)(rF)(F22Vu00)2()(2)(rdrrJrFF)2ln4exp(2ln41)(22raarF]2ln4)(exp[)(2aF上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory均匀园面(a为直径）光学薄的球0)/(4)(2arf2araaJF)(2)(10)2(1)/(6)(22ararF2ar)]cos()[sin()(3))((23)(3232/3aaaaaaJF上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory环(a为直径))2(1)(ararF)()(0aJF上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory由于地球自转，基线矢量在空间转动，如果采用坐标系固定在地球上Z轴(北天极，=900)，X轴(=00，h=0h)Y轴(=00,h=-6h)观测源的坐标赤纬为0，时角为H0为基线矢量在X，Y，Z坐标系中的分量ZYX,,DD上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatoryZYXHHHHHHwVu000000000000sincos0sincossinsincoscoscoscossinsin222002)sincos(YXZVu上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory由于坐标系固定在地球上，对每一条基线是常数，随着地球自转,对同一个天文源(赤纬为常数),这样一条基线在U，V平面中画出一条椭圆轨迹。22YX上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory天顶方向VLA瞬时(快拍snapshot)观测的UV覆盖上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatoryuV覆盖例子（EVN，18厘米，J1312＋2319）欧洲天线的uV覆盖上海天线与欧洲天线之间的基线上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory3c138VLBA15GHz可见度函数上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory3C84MERLIN18cm可见度幅度上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory基线D几何时间延迟放大器相乘cSDg00S时延补偿放大器可见度函数上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory放大器混频器BBCBaseBandConvertors格式编制器磁带机（硬盘）锁相本振时间码产生器频率标准氢原子鈡GPS接收机天线控制计算机FieldSystem计算机观测模式采样记录控制鈡差观测对象Phase-cal仪器延迟校正上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatoryVLBI观测的灵敏度依赖于观测带宽。为了提高成图的灵敏度，现在的观测带宽可达几百MHz，Nyquist采样要求（2倍带宽）极高的采样速率和记录速率，在技术上存在困难。所以通常将观测带宽分成几个BBC来实现。单个的BBC带宽是可调的(如0.5,1,2,4,8,16MHz),每个BBC的采样速率，现在的技术是可以实现的。而总的采样速率可以满足原来的要求。各个BBC的频率设置可以是连续的，也可以是不连续的。用不连续的频率设置求解时延（带宽综合）。总观测带宽BBC1BBC2BBC3BBC4BBC5BBC6BBC7BBC8上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory令二个台站接收的信号分别为这二个信号的谱为V(t)和V()是一对Fourier变换对)(),(21tVtV)(),(21VVdtetVVtj2)()(上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory一对天线的互相关函数为互相关函数的谱在研究干涉仪性能时我们可以采用互相关函数的谱或互相关函数.)()()(2112tVtV)()()(2112VVdej21212)()(上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory射电源的VLBI时间域中称为互相关函数])(2cos[)()(sin))(()(2122112112ggLOggsasaaaBBBTTTTTT地球自转相对多普勒频移B观测带宽上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory频率域中称为互相关函数的谱]}][2[exp{))(()(2122112112gIFgLOasasaaIFjTTTTTT地球自转相对多普勒频移上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory当相关函数中的相位近似保持为常数时，相关输出的信号可以积分。对射电源的连续谱信号（通常是同步加速辐射),相关函数的幅度当时延补偿条纹幅度达到最大)()(sin))(()(22112112ggsasaaaBBTTTTTTg上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory仅同一波前的信号是相关的。相关处理的目的是找到同一波前的信号（正确的时延补偿）；并保持干涉条纹幅度，使输出信号可以相干积分。由于地球自转引起产生的相对多普勒频移，使相关函数的相位快速变化，无法进行积分。需要进行条纹转动，即将其中一个台站的接收到的信号频率变得与另一个参考台站接收到的信号频率相同。上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory地球自转产生的最大延迟变化率为在测地观测频率8GHZ上最大条纹速率约为25KHZ.以条纹速率25KHZ为例如果不进行条纹转动,要得到条纹信息相关处理机的最长积分时间不能大于20微秒.问题:信噪比很低,数据量极大一般天文用的相关处理的积分时间为1-4秒ss/1.3上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory相关处理机乘法器Time---Frequency(FFT)Time---Frequency(FFT)Time---Frequency(FFT)乘法器时间序列信号XFFX时间序列信号时间序列信号时间序列信号延迟跟踪条纹转动延迟跟踪条纹转动上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory相关处理机先验的信息干涉仪的几何参数台站坐标(地心坐标)，经度，纬度被观测天体的位置，赤道坐标观测时间地球自转轴的定向这些参数用来计算路径延迟必须足够正确g上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatory相关处理进行时延补偿，及条纹转动（时延率补偿）是有限的精度。相关处理后必须用软件进行残余时延和时延率的精确拟合。测量得到的时延，时延率中包括了台站钟差，仪器时延差，传播介质的影响（中性大气，电离层），并包括了源位置，台站位置等信息。射电源已有了足够好的模型（时延，时延率），仅考虑钟差后就可以进行很好的相关上海天文台ShanghaiAstronomicalObservatoryVLBI观测的最终的输出结果条纹幅度:经标定后为可见度函数的幅度及其随时间的变化条纹相位a)用软件消去各种残余的影响,得到可见度函数的相位.b)利用点源观测,可以消去可见度相位的影响,得到相位延迟相位延迟率群延迟)()(21),(),(00000ttttt