Cover Image

Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт применения на радиотелескопе УТР-2

В радиоастрономии при обработке результатов наблюдений широко используют динамические
 спектры, которые характеризуют распределение суммарной мощности принимаемого излучения по
 времени и частоте. В статье описана методика обработки наблюдений, которая расширяет возможности такого ча...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Радиофизика и радиоастрономия
Date:2011
Main Author: Колядин, В.Л.
Format: Article
Language:Russian
Published: Радіоастрономічний інститут НАН України 2011
Subjects:
Радиоастрономия и астрофизика
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98231
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Использование фазовых динамических кросс-спектров
 для широкополосных радиоастрономических наблюдений:
 опыт применения на радиотелескопе УТР-2 / В.Л. Колядин // Радиофизика и радиоастрономия. — 2011. — Т. 16, № 4. — С. 341-354. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860246028796559360
author Колядин, В.Л.
author_facet Колядин, В.Л.
citation_txt Использование фазовых динамических кросс-спектров
 для широкополосных радиоастрономических наблюдений:
 опыт применения на радиотелескопе УТР-2 / В.Л. Колядин // Радиофизика и радиоастрономия. — 2011. — Т. 16, № 4. — С. 341-354. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Радиофизика и радиоастрономия
description В радиоастрономии при обработке результатов наблюдений широко используют динамические
 спектры, которые характеризуют распределение суммарной мощности принимаемого излучения по
 времени и частоте. В статье описана методика обработки наблюдений, которая расширяет возможности такого частотно-временного анализа за счет привлечения информации о разности фаз между
 сигналами субантенн, сформированных в пределах антенной системы радиотелескопа. Фазовые
 динамические спектры – зависимость фазы взаимного спектра двух сигналов от времени и частоты – формируют путем интерферометрической обработки и затем используют совместно с традиционными динамическими спектрами мощности. Такая методика реализована на радиотелескопе
 УТР-2, где используется на протяжении нескольких лет для визуального обнаружения излучения,
 отбраковки мешающих сигналов, принимаемых по боковым лепесткам, а также для различения
 источников всплесков, наблюдаемых в пределах главного луча. Наличие двух пар антенн с неколлинеарными базами позволяет определять направления прихода излучения в каждой точке плоскости время–частота. Возможности методики применительно к различным типам излучения про
 иллюстрированы примерами обработки данных наблюдений Солнца, Сатурна и вспыхивающих звезд. Dynamic spectra characterize the distribution
 of the total power of the received signal over time
 and frequency. They are widely used in radio astronomy
 in analysis of observations. The paper
 describes a method that expands capabilities of
 such a time-frequency analysis via utilization of the
 phase difference between signals from two subantennas
 which are formed within the entire radio
 telescope antenna system. Phase dynamic spectra –
 the phase of the cross-spectrum of two signals
 as function of time and frequency – are formed
 by interferometric processing. Then, they are used
 for analysis together with the traditional dynamic
 spectra of power. This technique was implemented
 at the UTR-2 radio telescope. It has been used
 there for several years for visual detection of radio
 emission, for recognition of the interfering signals
 arriving from the antenna side lobes, as well as for
 differentiation of radio bursts observed within the
 main beam. If two pairs of antennas with noncollinear
 baselines are available, then the direction
 of arrival can be measured at each point of the
 time–frequency domain from the two phase dymamic
 spectra. The efficiency of this technique
 is illustrated by its application to qualitatively different
 types of sporadic radio emisson – namely,
 the emission of the Sun, Saturn, and flare stars. У радіоастрономії при обробці результатів
 спостережень широко використовують динамічні спектри, які характеризують розподіл
 сумарної потужності прийнятого випромінювання за часом і частотою. У статті описана методика обробки спостережень, яка збагачує
 можливості такого частотно-часового аналізу
 за рахунок залучення інформації про різниці фаз
 між сигналами субантен, сформованих в межах антенної системи радіотелескопа. Фазові
 динамічні спектри – залежність фази взаємного
 спектра двох сигналів від часу і частоти – формують шляхом інтерферометричної обробки, а потім використовують разом з традиційними динамічними спектрами потужності. Така
 методика реалізована на радіотелескопі УТР-2,
 де використовується впродовж декількох років
 для візуального виявлення випромінювання,
 відбракування заважаючих сигналів, прийнятих
 бічними пелюстками, а також для розрізнення
 джерел сплесків, що спостерігаються в межах
 головного променя. Наявність двох пар антен
 з неколінеарними базами дозволяє виміряти напрямок приходу випромінювання в кожній точці
 площини часчастота. Можливості методики
 стосовно різних типів випромінювання проілюстровано прикладами обробки даних спостережень Сонця, Сатурна та спалахуючих зірок.
first_indexed 2025-12-07T18:36:30Z
format Article
fulltext Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4, с. 341-354 ISSN 1027-9636 © В. Л. Колядин, 2011 УДК 520.27 Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт применения на радиотелескопе УТР-2 В. Л. Колядин Радиоастрономический институт НАН Украины, ул. Краснознаменная, 4, г. Харьков, 61002, Украина E-mail: vkoliadin@gmail.com Статья поступила в редакцию 2 июня 2011 г. В радиоастрономии при обработке результатов наблюдений широко используют динамические спектры, которые характеризуют распределение суммарной мощности принимаемого излучения по времени и частоте. В статье описана методика обработки наблюдений, которая расширяет возмож- ности такого частотно-временного анализа за счет привлечения информации о разности фаз между сигналами субантенн, сформированных в пределах антенной системы радиотелескопа. Фазовые динамические спектры – зависимость фазы взаимного спектра двух сигналов от времени и час- тоты – формируют путем интерферометрической обработки и затем используют совместно с тра- диционными динамическими спектрами мощности. Такая методика реализована на радиотелескопе УТР-2, где используется на протяжении нескольких лет для визуального обнаружения излучения, отбраковки мешающих сигналов, принимаемых по боковым лепесткам, а также для различения источников всплесков, наблюдаемых в пределах главного луча. Наличие двух пар антенн с некол- линеарными базами позволяет определять направления прихода излучения в каждой точке плос- кости время–частота. Возможности методики применительно к различным типам излучения про- иллюстрированы примерами обработки данных наблюдений Солнца, Сатурна и вспыхивающих звезд. Ключевые слова: радиоастрономия, радиотелескопы, фазовый спектр, динамический спектр, обработка сигналов, радиоинтерферометрия 1. Введение Многие явления, изучаемые в радиоастро- номии, характеризуются быстрым изменением параметров принимаемого шумового излучения. При наблюдении такого рода нестационарных явлений, или “транзиентов”, в достаточно ши- рокой полосе частот часто используют дина- мические спектры (ДС) мощности, которые представляет собой сглаженную спектрограм- му [1, 2] сигнала и характеризуют распределе- ние его мощности по времени и частоте. Такие спектры анализируют в первую очередь ви- зуально для выявления специфических особенно- стей конкретных явлений (см., например, [3, 4]). Процесс выделения на ДС представляющих интерес событий является трудоемким этапом обработки, особенно при высоком временном разрешении. Поэтому его упрощение и ускоре- ние представляет значительный практический интерес. ДС мощности обычно формируют для сум- марного сигнала от всей антенной системы, чтобы увеличить отношение мощности полез- ного сигнала к мощности шума, фона и мешаю- щих сигналов. Однако ДС мощности имеют принципиальный недостаток – в них практичес- ки отсутствует информация о направлении при- хода излучения. Известно, что такая инфор- мация может быть получена путем взаимной корреляционной обработки сигналов, приня- тых разнесенными в пространстве антеннами, что широко используется в радиоинтерферомет- В. Л. Колядин Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4342 рии [5, 6]. Поэтому, если пожертвовать частью эффективной площади радиотелескопа и разбить его антенную систему на пары субантенн, то наряду с ДС мощности можно оценить и комплексный динамический кросс-спектр (или “взаимный спектр”) – зависимость комп- лексной корреляции двух сигналов от времени и частоты. Зависимость фазы такого кросс- спектра от времени и частоты, далее именуе- мая “фазовым ДС”, содержит информацию о направлении прихода сигнала. Дополнение традиционных ДС мощности фазовыми ДС и их совместный анализ позво- ляют рассчитывать на извлечение дополнитель- ной информации о направлении прихода излуче- ния из результатов наблюдений. При использо- вании двух пар субантенн с неколлинеарными базовыми линиями появляется возможность количественного оценивания обеих угловых координат в каждой точке плоскости время– частота. Заметим, что здесь и далее пред- полагается, что сигналы имеют характер ши- рокополосных всплесков, которые разнесены во времени, т. е. проблема разрешения одно- временно принимаемых сигналов не рассмат- ривается. Методика наблюдений, основанная на этой идее, была реализована автором на радиоте- лескопе УТР-2. Практическая ценность такого подхода изначально была неочевидна. Как по- казал анализ публикаций, фазовые ДС редко используются в радиоастрономии, и автору удалось найти лишь одну работу [7] в области радиоинтерферометрии, где использовались фазовые ДС. Поэтому реальная область прак- тической применимости методики стала более понятной лишь по мере накопления практичес- кого опыта обработки результатов реальных наблюдений. Первоначально методика была применена в 2008 г. при поиске спорадического излучения вспыхивающий звезды EV Lacertae для разли- чения искомых и мешающих событий. Здесь под искомыми понимаются события с направ- лением прихода, близким к направлению наве- дения радиотелескопа, а под мешающими – с существенно отличающимся. При обработке наблюдений было замечено, что фазовый ДС эффективен и в случае визуального обнару- жения искомых событий на плоскости время– частота. С тех пор методика используется при наблюдениях на УТР-2 при исследованиях спо- радического излучения различных объектов. Наряду с обнаружением излучения и отбра- ковкой мешающих событий методика приме- няется для быстрого визуального различения полезных событий с разными угловыми коор- динатами в пределах главного луча. Цель статьи – описание методики и накоп- ленного опыта по ее использованию, а также иллюстрация возможностей методики на при- мере обработки результатов реальных наблю- дений Солнца, Сатурна и вспыхивающих звезд, которые представляют качественно различные типы спорадического радиоизлучения. 2. Основная идея и базовые соотношения Разобьем апертуру радиотелескопа на две пары субантенн таким образом, чтобы базо- вые линии, соединяющие фазовые центры су- бантенн каждой пары, были неколлинеарны, а лучше – ортогональны. Для максимизации чувствительности желательно, чтобы площадь каждой субантенны составляла половину полной площади антенной системы радиотелескопа. Субантенны разных пар могут пересекаться. Например, первая пара субантенн может быть образована северной и южной половинами пол- ной антенной системы, вторая – западной и во- сточной. Поскольку обработка для каждой пары субантенн проводится независимо, рассмотрим процедуру первичной обработки лишь для од- ной пары. Для формирования комплексного динамичес- кого кросс-спектра воспользуемся традицион- ной FX-схемой [6, 8], когда отсчеты сигналов сначала подвергаются дискретному фурье-пре- образованию, затем комплексные амплитуды для каждого частотного канала перемножают- ся, а полученные произведения усредняются во времени. Такая обработка может быть реали- зована, например, путем формирования усред- ненных периодограмм: 2 * 12 1 2 2 1( , ) ( , ) ( , ), K k K R f t S f t t k S f t t k K =− = + δ ⋅ + δ ⋅∑ (1) Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт... 343Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4 где 1( , )S f t и 2( , )S f t – комплексные диск- ретные фурье-спектры сигналов 1-й и 2-й су- бантенн, сформированные на подынтервале дли- тельностью tδ с центром t; * – знак комплекс- ного сопряжения; f – центральная частота од- ного частотного канала шириной 1 ,f tΔ = δ t – дискретное время с шагом ;t K tΔ = δ K – ко- личество усредненных спектров. Значения tΔ и fΔ определяют размер одного элемента раз- решения по времени и частоте соответствен- но. Заметим, что значения ( , )S f t для конк- ретной дискретной частоты f можно рассмат- ривать как отсчеты комплексной огибающей ( )fS t узкополосной компоненты с центральной частотой f, а процедуру (1) – как формирование взаимной корреляции таких огибающих путем усреднения во времени. На практике в проце- дуре (1) для уменьшения взаимного влияния близких частотных каналов используют времен- ные окна, а для снижения избыточной диспер- сии оценки, вызванной умножением сигнала на функцию окна, используют перекрытие подынтервалов ([9], с. 194). Заметим также, что комплексный динамический кросс-спектр 12 ( , )R f t можно получить и согласно XF-схеме, т. е. сначала оценить взаимную корреляционную функцию сигналов двух субантенн во всей полосе частот, а затем вычислить ее фурье-образ [6]. Амплитуду и фазу комплексного кросс-спектра 12 ( , )R f t будем называть ДС взаимной мощ- ности и фазовым ДС соответственно. Сигнал, приходящий из дальней зоны антен- ной системы радиотелескопа, принимается дву- мя субантеннами с относительной задержкой 12 ,Δτ определяемой следующим простым соот- ношением [6]: 12 12 , c ⋅Δτ = D ΘΘΘΘ (2) где 12D – пространственный вектор, соеди- няющий фазовые центры антенн 1 и 2: ΘΘΘΘ – единичный вектор в направлении прихода; c – скорость света. Относительная задержка 12Δτ проявляется в значении фазы комплексного кросс-спектра следующим образом: 12 12( ) 2 ,f fΦ = π Δτ (3) т. е. значение фазы линейно зависит от часто- ты, а крутизна этой зависимости пропорциональ- на относительной задержке 12;Δτ при нулевой задержке значение фазы равно нулю во всем диапазоне частот. Заметим, что направление прихода ΘΘΘΘ в (3) и, следовательно, относительная задержка 12Δτ в общем случае зависят как от времени, так и от частоты. Например, положение “центра тяжести” солнечных всплесков III типа харак- теризуется удалением от поверхности Солнца и одновременным смещением по частоте вниз по мере развития этого типа событий во времени. Другой причиной зависимости направления прихода от частоты выступают различные эф- фекты распространения в среде с дисперсией, например, в ионосферной или межпланетной плазме. Визуальный анализ и интерпретация фазо- вого ДС существенно упрощается, если ском- пенсировать фазовый сдвиг, соответствующий направлению наведения радиотелескопа. Для этого достаточно умножить значения комплек- сного кросс-спектра 12( , ),R f t сформированные согласно процедуре (1), на фазовый множитель ( )0exp ( ) ,i f− Φ где 0 ( )fΦ – значение фазы, рассчитанное из соотношений (2) и (3) для заданного направления наведения радиотелес- копа .0ΘΘΘΘ В этом случае излучение, прихо- дящее с заданного направления, проявляется на фазовом ДС в виде однородных областей со значением фазы, близким к нулю во всем диапазоне частот. Отклонение от заданного на- правления проявляется в виде линейной за- висимости фазы от частоты. Если сигнал от- сутствует, то значения фазы распределены случайно по элементам фазового ДС, т. е. изоб- ражение имеет хаотичную структуру. Этот про- стой качественный критерий визуального обна- ружения и различения событий на фазовых ДС далее будем называть “фазовым критерием”. При необходимости с помощью фазового ДС можно выполнить и количественные угловые из- мерения для каждой точки плоскости время– частота. По наблюдаемому значению фазы 12Φ из соотношений (3) и (2) непосредственно вы- числяется косинус угла θ между вектором 12D базовой линии и вектором .ΘΘΘΘ При использова- нии двух баз, т. е. двух неколлинеарных векто- ров ,D можно определить направление прихо- да .ΘΘΘΘ Для этого две оси декартовой системы В. Л. Колядин Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4344 координат, относительно которых определяют- ся углы, удобно расположить в той же плоскос- ти, что и векторы двух базовых линий. Это приводит к системе двух линейных уравнений относительно направляющих косинусов – ком- понент вектора .ΘΘΘΘ Заметим, что измерение углового положе- ния в рамках данной статьи рассматривается лишь в пределах главного лепестка диаграммы направленности, т. е. в малом диапазоне углов. Поэтому проблема неоднозначности измерения фазы, вызванная ее цикличностью, здесь не возникает. Малость диапазона измеряемых углов θ позволяет также линеаризовать ос- новные соотношения и рассматривать лишь малые отклонения фазы ΔΦ и угла Δθ относи- тельно их значений, соответствующих направ- лению наведения радиотелескопа. В этом слу- чае ΔΦ линейно зависит от ,Δθ а коэффициент пропорциональности определяется следующим соотношением: 12 0 d 2 sin , d d fS c Φ= = π θ θ (4) где 12d – длина вектора базовой линии, 0θ – угол между направлением наведения радиоте- лескопа и вектором базовой линии. Ошибка угловых измерений в этом случае будет про- порциональна ошибке измерения фазы с коэф- фициентом пропорциональности 1 .S Поэтому при достаточно малом значении ошибки из- мерения фазы и/или достаточно большом зна- чении S ошибка измерения угла может быть существенно меньше ширины диаграммы на- правленности радиотелескопа. 3. Вопросы практической реализации Наиболее просто данная методика реали- зуется на радиотелескопах, ориентированных на апертурный синтез и построение радиоизоб- ражений. Такие радиотелескопы используют N антенных элементов – небольших антенных решеток или антенн с механическим сканиро- ванием, a первичным данными являются зна- чения { }( , ), , 1, ...,ijr f t i j N= комплексной межэлементой кросс-корреляции для каждого частотно-временного элемента разрешения ( , )f t [6, 10, 11]. В этом случае комплексный кросс-спектр 12( , ),R f t определяемый выраже- нием (1), может быть просто рассчитан из пер- вичных данных { }( , )ijr f t для произвольного раз- биения всей антенной системы из N элементов на пару субантенн. Для радиотелескопов, не использующих межэлементную корреляционную обработку, требуется формирование сигналов субантенн и их взаимная корреляционная обработка сог- ласно процедуре (1) или эквивалентной. Если обработки в реальном масштабе вре- мени не требуется, то одним из вариантов реализации такого подхода является предва- рительная запись пар сигналов субантенн с их последующей обработкой на основе про- граммной реализации процедуры (1). Однако такой подход проблематично реализовать на практике даже при умеренной ширине полосы сигналов в несколько десятков мегагерц из-за технических ограничений на максимальную ско- рость записи на жесткие диски. Поэтому наиболее приемлемым подходом является реализация процедуры (1) в реальном масштабе времени и запись уже усредненных спектров, что позволяет снизить скорость за- писи данных и их объем до K раз по сравнению с записью самих сигналов. Поскольку архи- тектура универсальных компьютеров мало при- способлена к обработке данных в реальном масштабе времени, гораздо эффективнее ис- пользовать специализированные устройства. Такие устройства – спектральные корреляторы – используются в радиолокации и радиоастроно- мии сравнительно давно [12-14]. В настоящее время перспективными являются спектральные корреляторы, реализованные на основе FPGA- технологии [13, 14]. 4. Геометрия антенн, аппаратура и методы Дальнейшее изложение проиллюстрировано результатами радиоастрономических наблю- дений, выполненных на крупнейшем в мире радиотелескопе УТР-2, который работает в диа- пазоне декаметровых волн. Радиотелескоп реализован на базе антенных решеток с широ- кополосной системой фазирования на основе кабельных линий задержки [15]. Диапазон ра- Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт... 345Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4 бочих частот – 8 32÷ МГц. Геометрия антен- ной системы показана на рис. 1. Каждое из трех плеч телескопа – “Запад”, “Север”, “Юг” – со- стоит из 4 секций размером 225 55 м× каждая. Все секции фазируются в заданном направле- нии во всей рабочей полосе частот. Общая площадь всех 12 секций – около 0.15 км2. Для реализации обсуждаемой методики важно, что сигналы от каждой из 12 секции доступны для отдельной обработки, т. е. легко можно сфор- мировать различные субантенны путем сум- мирования сигналов секций. На рис. 1 показа- ны некоторые варианты разбиения апертуры радиотелескопа на субантенны и построения локальных интерферометров, включая пары ин- терферометров с ортогональными базовыми линиями. Регистрация принимаемых сигналов осуще- ствлялась с использованием цифровых спект- ральных корреляторов DSPZ, реализованных на основе FPGA-технологии [13, 14]. Такие кор- реляторы обеспечивают формирование динами- ческого комплексного кросс-спектра 12 ( , )R f t пары входных сигналов, а также динамических спектров мощностей 1( , )P f t и 2 ( , )P f t сигна- лов 1 и 2, реализуя процедуру вида (1) на ос- нове скользящего быстрого преобразования Фурье с использованием временных окон с по- ловинным перекрытием интервалов. Штатный диапазон частот – 0 33÷ МГц при 8192 отсчетах спектра, частота дискре- тизации – 66 МГц. Частотное разрешение, т. е. ширина полосы одного частотного канала, составляет 4fΔ = кГц, временное разреше- ние – 0.001 0.1tΔ = ÷ с, что соответствует ус- реднению 8 806K = ÷ спектров Фурье в соот- ношении (1). Для описанных ниже наблюдений использо- валась верхняя половина рабочего диапазона частот DSPZ, т. е. 16.5 33.0÷ МГц и, соот- ветственно, 4096 частотных каналов. Это обус- ловлено плохой помеховой обстановкой на час- тотах ниже 16 МГц. Использовалось времен- ное разрешение 0.1tΔ = с, что соответствует усреднению 806K = спектров в процедуре (1). Регистрация данных проводилась с помощью штатной программы управления анализато- рами DSPZ. Обработка и визуализация резуль- татов наблюдений осуществлялась с исполь- зованием программных средств собственной разработки автора. 5. Примеры применения методики 5.1. Характерные фазовые спектры При визуальном анализе фазовых ДС необ- ходимо различать три основных типа ситуаций: а) сигнала нет; б) сигнал есть, но является мешающим, т. е. приходит с направления, су- щественно отличающегося от направления на- ведения радиотелескопа; в) сигнал есть и при- ходит с направления, близкого к направлению наведения радиотелескопа. Ниже приведены характерные фазовые ДС, соответствующие этим трем ситуациям. На рис. 2 показаны фазовые ДС длитель- ностью 2 мин (слева) и их сечения вдоль оси частот (справа). Моменты времени, соот- ветствующие этим сечениям, показаны на фа- зовых ДС вертикальной линией, которая про- ходит через середину отображаемого вре- менного интервала. При интерпретации этих спектров следует учитывать, что для сигна- лов, приходящих с направления наведения ра- диотелескопа, разность времен прихода в сере- Рис. 1. Геометрия антенной системы радиотелес- копа УТР-2 (показаны субантенны, их фазовые центры и базовые линии возможных интерферо- метров): а) – плечи радиотелескопа “Запад”, “Се- вер”, “Юг”, их фазовые центры – W, N, S соот- ветственно, фазовый центр полной антенны “Север–Юг” – NS; б) – укороченные субантенны из двух секций каждая, фазовые центры ближних к центру субантенн – W1, N1, S1, дальних – W2, N2, S2 В. Л. Колядин Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4346 дине показанных интервалов скомпенсирована самим радиотелескопом, и поэтому для таких сигналов ожидается нулевое значение фазы во всем диапазоне частот. Верхние панели на рис. 2 соответствуют случаю отсутствия полезного сигнала, когда антенна отключена и на вход спектрального коррелятора поступают лишь шумы аппарату- ры; средние и нижние панели соответствуют наблюдению сравнительно интенсивного ис- точника 3С144. При наблюдениях 3С144 луч радиотелескопа был фиксирован относительно Земли и перемещался по небесной сфере только за счет ее вращения. Средние панели (рис. 2, в, г) соответствуют значительному от- клонению луча радиотелескопа от направ- ления на источник, т. е. приему по боковым лепесткам диаграммы направленности запад- Рис. 2. Характерные фазовые ДС (слева) и их сечения (справа): a), б) – сигнал отсутствует; в), г) – источник 3C144 наблюдается по боковым лепесткам диаграммы направленности, отклонение от источника в центре интервала порядка 3 ;° д), е) – источник 3С144 находится в луче радиотелескопа, центр временного интер- вала соответствует точному наведению на источник. Время наблюдения 3C144 – 24.03.2010 г. 14:45 UT. Шкала серого цвета отображает значения фазы в градусах Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт... 347Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4 ной антенны. Нижние панели (рис. 2, д, е) соот- ветствуют направлению на источник (луч ра- диотелескопа проходит через источник в сере- дине временного интервала). Заметим, что временные изменения структу- ры фазовых ДС обусловлены изменением углово- го положения источника относительно радиоте- лескопа из-за вращения Земли. Если бы такого изменения не было, то полосы на рис. 2, в были бы строго горизонтальны, а на рис. 2, д не было бы изменения яркости со временем. Сравнение верхних, средних и нижних пане- лей рис. 2 иллюстрирует три основные типа ситуаций, различимых по фазовому критерию визуального обнаружения искомых событий: – сигнал отсутствует – фазовый ДС выгля- дит хаотично, как на рис. 2, а и рис. 2, б; – сигнал присутствует, но приходит с направ- ления, существенно отличающегося от направ- ления наведения радиотелескопа, – фазовый ДС линейно изменяется с частотой и из-за циклич- ности фазы имеет вид полос, как на рис. 2, в и рис. 2, г; – сигнал присутствует и приходит с на- правления наведения радиотелескопа – фазо- вый ДС не зависит от частоты, как на рис. 2, д и рис. 2, е. 5.2. Наблюдения спорадического излучения Солнца Спорадическое радиоизлучение Солнца от- личается морфологически богатыми дина- мическими спектрами. Как правило, на плос- кости время–частота наблюдаются разнооб- разные по форме, размерам и интенсивности структуры или “события”. Большинство типов событий, или “всплесков”, проявляются в широ- кой полосе частот и характеризуются частот- ным дрейфом – зависимостью времен начала и окончания события от частоты. Источники спорадического излучения находятся в облас- ти солнечной короны, угловой размер которой для анализируемого диапазона частот превы- шает 2 ,° а угловые размеры источника отдель- ного события существенно меньше. Поэтому представляет практический интерес различение отдельных событий по угловому положению их источников в короне. Здесь возникает также необходимость в отбраковке ложных со- бытий, порожденных мешающими сигналами с существенно отличающимся направлением прихода. На рис. 3 приведены ДС взаимной мощнос- ти и фазовые ДС, полученные по описанной выше методике при наблюдении Солнца на двух парах субантенн с ортогональными базовыми линиями. ДС взаимной мощности для обеих баз (рис. 3, а и рис. 3, в) практически совпадают, а фазовые ДС заметно различаются: на фазо- вом ДС на рис. 3, б значение фазы изменяется в пределах отображаемой время-частотной об- ласти существенно меньше, чем на фазовом ДС на рис. 3, г. Это различие объясняется тем, что угол между первой базой и направлением на Солнце был существенно меньше такого угла для второй базы. Из-за малого значения мно- жителя 0sin θ в соотношении (4) коэффициент пропорциональности S был также меньше. Поэтому отклонение углового положения ис- точника от направления наведения радиотелес- копа 0ΘΘΘΘ приводило к меньшему отклонению фазы от ее значения, соответствующего 0.ΘΘΘΘ В начале интервала наблюдения на ДС вза- имной мощности видны близкие по времени события E1 и E2. Каждое из них представляет собой почти вертикальную узкую область, за- полненную небольшими светлыми пятнами. Затем следуют события E3 и E4 существенно большей длительности и с более равномерным распределением мощности по частоте. За ними следует событие E5 – почти вертикальная уз- кая область, заполненная небольшими светлы- ми пятнами. События E1–E5 занимают почти весь диапазон анализируемых частот и характе- ризуются некоторым отрицательным частотным дрейфом, т. е. с понижением частоты собы- тие начинается позже. Заметим, что на рис. 3 можно выделить и другие события, которые здесь не анализируются. Анализ фазовых ДС на рис. 3 позволяет обнаружить особенности, которые не видны на ДС взаимной мощности. Прежде всего, из фазовых ДС видно, что большая часть по- казанной время-частотной области соответст- вует излучению солнечной короны, т. е. направ- ление прихода излучения близко к направлению наведения радиотелескопа (центр Солнца). Об этом свидетельствует отсутствие замет- ного изменения фазы с частотой на обоих фа- зовых ДС, подобно характерным спектрам на рис. 2, д. Исключение составляет область верхних частот, где поведение фазового ДС хаотично, подобно характерному ДС на рис. 2, а. В. Л. Колядин Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4348 Из-за спада амплитудно-частотной характе- ристики радиотелескопа в этой области доми- нируют аппаратурные шумы. Другое исключение составляет область со- бытия E6, заполненная горизонтальными поло- сами, как на фазовом ДС на рис. 2, в, но с су- щественно более быстрым изменением фазы с частотой. Это свидетельствует о наличии ме- шающего излучения, направление прихода ко- торого значительно отличается от направления на центр Солнца. Пара других подобных собы- тий также видна на фазовом ДС в нижней тре- ти частотного диапазона. Заметим, что на ДС взаимной мощности события E5 и E6 практи- чески неразличимы, и событие E6 выглядит как часть события E5. Хорошая различимость со- бытий E5 и E6 на фазовом ДС иллюстрирует возможности методики по отбраковке событий, наблюдаемым по боковым лепесткам диаграм- мы направленности антенны. Визуальный анализ событий E1 и E2 на фа- зовых ДС обнаруживает различие в значении фазы кросс-спектра (элементы E2 темнее), т. е. раз- личие в угловом положении их источников. Легко обнаруживается также тот факт, что события E3 и E4 существенно различаются по угловому положению, а события E1 и E3 не различаются. События E1 и E3, скорее все- го, имеют один и тот же источник и представ- ляют собой солнечный всплеск III–IIIb типа. Всплески этого типа встречаются достаточно часто; они образованы всплеском IIIb типа (E1), за которым следует всплеск III типа (E3). Событие E2, похожее на всплеск IIIb типа, хотя и расположено между событиями E1 и E3, имеет другой источник в короне. Из ДС взаимной мощности на рис. 3 извлечь такую информа- цию не представляется возможным. Этот при- мер иллюстрирует возможность методики по различению событий, наблюдаемых в главном Рис. 3. ДС взаимной мощности (слева) и фазовые ДС (справа), полученные при наблюдении солнечной короны с использованием взаимно ортогональных баз W2–N2 (а) и (б) и W2–S2 (в) и (г). Отмечены события E1–E5, источники которых находятся в солнечной короне, занимающие почти весь диапазон частот, а также событие E6, вызванное мешающим сигналом в нижней трети диапазона. Время наблюдения – 28.03.2010 г. 11:37 UT. Шкала серого цвета возле ДС слева отображает значения взаимной мощности в относительных единицах, справа – значения фазы в градусах Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт... 349Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4 лепестке диаграммы направленности и имею- щих близкие угловые координаты. Приведем количественный пример оценива- ния углов прихода по фазовому ДС для собы- тий E3 и E4. Компенсация изменения значений фазы за счет вращения Земли на интервале времени между двумя событиями и решение системы двух линейных уравнений, полученных из соотношений (2) и (3), позволили определить векторы направлений 3EΘΘΘΘ и 4EΘΘΘΘ для этих двух событий. Для частоты 25 МГц, например, зна- чение угла между этими направлениями состав- ляло порядка 10 ,′ что существенно меньше ши- рины диаграммы направленности. Важно отметить, что ошибка угловых изме- рений и минимальное угловое расстояние между источниками событий, различимое по фазовым ДС, могут быть существенно меньше, чем шири- на диаграммы направленности радиотелескопа. Например, для УТР-2 на частоте 25 МГц ши- рина диаграммы направленности порядка 30 ,′ a уровень флуктуаций фазы порядка 10° и меньше даже при средней помеховой обста- новке. Погрешность измерения угла в S раз меньше фазовой ошибки (S определяется соот- ношением (4)). Для показанных на рис. 1 баз УТР-2 значения этого коэффициента лежат в пределах 200 400.S = ÷ Поэтому для фазовой ошибки 10° погрешность определения угла сос- тавляет 1.5 3 ,′ ′÷ что как минимум на порядок меньше ширины диаграммы направленности. 5.3. Наблюдение спорадического излучения Сатурна Спорадическое излучение Сатурна порож- дено электростатическими разрядами на этой планете (SED – Saturn Electrostatic Dischar- ges) и существенно отличается от солнечного. На ДС мощности оно проявляется в виде ко- ротких широкополосных всплесков без замет- ного частотного дрейфа, т. е. имеет вид верти- кальных линий. Хотя космические аппараты (КА) регистрируют сигналы SED уже на про- тяжении 30 лет, их регистрация наземными средствами была впервые осуществлена лишь в 2006 г. на УТР-2 [16]. Основной проблемой при наземной регистрации является различе- ние сигналов SED и мешающих сигналов на- земного происхождения от молниевых разря- дов и широкополосных помех. В работе [17] такое различение было выполнено статистичес- кими методами посредством взаимной корре- ляционной обработки времен наблюдения со- бытий на УТР-2 и КА “Кассини”, находящемся на орбите Сатурна. Представляет самостоя- тельный интерес развитие методов обнаруже- ния индивидуальных сатурнианских событий по одним лишь наземным наблюдениям, без при- влечения данных КА на орбите Сатурна [17]. Использование фазовых ДС в предлагаемой методике позволило повысить надежность раз- личения SED и сходных мешающих сигналов наземного происхождения при наблюдениях на УТР-2, особенно при одновременном исполь- зовании двух ортогональных базовых линий. Возможность такого различения обусловлена тем, что направления прихода сигналов назем- ных разрядов и помех существенно отличают- ся от направления на Сатурн. На рис. 4 показан ДС взаимной мощности, на котором видны два слабых события: E1 – сигнал SED, и E2 – сигнал земной молнии, – а также два сечения фазового ДС вдоль оси частот для моментов времени, соответствую- щих этим событиям. На сечениях фазового ДС события уверенно различаются: для сатурни- анского события E1 (см. рис. 4, б) значения фазы распределены в окрестности нуля в зна- чительной части диапазона анализируемых частот, а для наземного E2 (рис. 4, в) – быстро изменяются с частотой, проходя более десят- ка полных циклов. Заметим, что сатурнианское происхождение событий подтверждалось неза- висимыми методами, например, анализом двух каналов OFF (лучей 1 и 5 антенны “Север–Юг”, отклоненных от направления на Сатурн на 1− ° и 1 ),° в которых проявляются лишь мешающие сигналы, а также временным соответствием на- блюдаемых событий интервалу, на котором из- лучающая область на Сатурне (сатурнианский шторм) видна с Земли. Фазовые ДС позволяют не только различать искомые и мешающие события, но и непос- редственно обнаруживать такие события даже в тех ситуациях, когда надежное обнаружение по ДС мощности проблематично. На рис. 5 показаны сечения ДС взаимной мощности и фазового ДС для трех последовательных элементов разрешения по времени: перед событием SED (рис. 5, а, б), во время события (рис. 5, в, г) и после него (рис. 5, д, е). Визуаль- ное обнаружение события по фазовому спект- ру не представляет трудностей, по ДС взаим- ной мощности сделать это проблематично. В. Л. Колядин Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4350 Здесь следует пояснить, почему вместо качественного фазового критерия нельзя вос- пользоваться строгими статистические крите- риями обнаружения, которые хорошо развиты в радиолокации и основаны на сравнении мощно- сти сигнала с пороговым значением. Основной проблемой является невозможность определить тот фоновый уровень взаимной или суммарной мощности, который соответствует отсутствию сигнала, и на его основе выбрать порог обнару- жения. Из-за вклада многих дискретных источ- ников, не разрешаемых радиотелескопом и про- ходящих через его диаграмму направленности, ДС мощности в отсутствие полезного сигнала имеет вид хаотически распределенных пятен, интенсивность и форма которых априорно не предсказуемы. Именно этот эффект, известный в радиоастрономии как эффект “спутывания” (англ. confusion), а не шум аппаратуры или га- лактический фон, выступает в качестве основ- ного фактора, ограничивающего чувствитель- ность большинства радиотелескопов. Поэтому на практике приходится использовать визуаль- ное обнаружение событий на ДС. 5.4. Поиск слабого спорадического излучения Описанная методика была изначально раз- работаны автором для наблюдений, которые проводились в рамках исследовательской про- граммы, ориентированной на поиск спорадичес- кого радиоизлучения вспыхивающих звезд AD Leonis и EV Lacertae на радиотелескопе УТР-2. С 2008 г. наблюдения по этой программе прово- дятся с использованием описанной выше мето- дики, а фазовый критерий обнаружения иско- мых событий используется в качестве одного из основных. В отличие от описанных выше наблюдений Сатурна ожидаемые события могут иметь су- щественно бóльшую длительность – до 30 с, значительный частотный дрейф любого знака, а в отличие от солнечных всплесков – суще- ственно меньшую интенсивность. Поиск спо- радического излучения вспыхивающих звезд проводится на пределе чувствительности ра- диотелескопа. Поэтому используется полная антенна “Север–Юг” и, следовательно, одна база W–NS (см. рис. 1, а). Рис. 4. Наблюдения SED – электростатических разрядов на Сатурне. На ДС взаимной мощности (а) видны событие SED (E1) и сигнал земной молнии (E2) в виде узких вертикальных линий. Сечения фазового ДС вдоль оси частот для события E1 показаны на панели (б), для события E2 – на панели (в). Фазовые спектры позволяют отличить искомое событие E1 от мешающего события E2. Время наблюдения – 03.03.2010 г. 00:34:20 UT Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт... 351Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4 Для отбраковки ложных событий (сигналов с других направлений) наряду с фазовым кри- терием применяется критерий ON-OFF. Для это- го наряду с основным лучом, направленным на звезду (канал ON), используются два дополни- тельных луча, отклоненных от звезды на 1° в противоположных направлениях (кана- лы OFF). Искомые события должны наблюдать- ся только в канале ON, но ни в одном из кана- лов OFF. Сигналы же от земных молний и широ- кополосных помех, приходящие по боковым лепесткам, обычно проявляются как в ON, так и в OFF каналах. На рис. 6, а, б показаны фазовые ДС, соот- ветствующие каналам ON и OFF. Наблюдают- ся два события – E1 и E2, которые обнаружи- Рис. 5. Сравнение возможности визуального обнаружения коротких событий на ДС взаимной мощности (слева) и фазовых ДС (справа). Показаны сечения динамических спектров вдоль оси частот. Приведены сечения до (а) и (б), после (д) и (е) и во время наблюдения (в) и (г) события SED В. Л. Колядин Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4352 ваются визуально в канале ON в виде однород- но окрашенных областей без заметной зависи- мости фазы от частоты. Они имеют форму почти вертикальных полос в диапазоне частот 17 26÷ МГц и длительность порядка несколь- ких секунд. В канале OFF эти участки плос- кости время–частота не выделяются, что так- же свидетельствует в пользу их классификации как искомых событий. Данная методика применяется также для эк- спериментального поиска новых видов споради- ческого излучения. Например, на рис. 6, в, г показаны фазовые ДС, полученные автором при наведении УТР-2 на Сатурн с использо- ванием двух ортогональных баз – W–N и W–S (см. рис. 1, а). На обеих базах наблюдается событие, обозначенное на рис. 6 как S. Оно имеет вид всплеска и занимает значительную часть частотного диапазона. Событие легко об- наруживается визуально на обоих фазовых ДС: в соответствующей событию время-частотной области значение фазы почти постоянно и по- тому событие выделяется зрительно на более хаотичном фоне. Такое поведение фазы для обеих баз свидетельствует о близости направ- ления прихода излучения к направлению наве- дения радиотелескопа, т. е. на Сатурн. 5.5. Быстрое обнаружение источников стационарного излучения В ходе испытания методики было замечено, что она полезна не только для анализа неста- ционарного излучения, но и при наблюдении стационарных источников, например, когда тре- Рис. 6. Визуальное обнаружение слабого спорадического излучения по фазовым ДС. Панели а) и б) – наблю- дение вспыхивающей звезды AD Leonis на базе W–NS (см. рис. 1): показаны фазовые ДС каналов ON (а) и OFF (б); в канале ON наблюдаются события E1 и E2, которые не видны в канале OFF; время наблюдения 04.03.2010 г. 19:16 UT. Панели в) и г) – наблюдение Сатурна на ортогональных базах W–N (в) и W–S (г): событие S обнаруживается визуально на фазовых ДС для обеих баз; время наблюдения – 20.05.2010 г. 19:07 UT. Шкала серого цвета отображает значения фазы в градусах Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт... 353Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4 буется решить, наведен ли радиотелескоп на источник или нет. Традиционно эта задача ре- шалась путем достаточно длительного скани- рования, при котором направление наведения радиотелескопа фиксировано относительно Земли, а луч перемещается по небесной сфере за счет ее вращения. Изменение мощности выходного сигнала в процессе прохождения источника через диаграмму направленности радиотелескопа повторяет ее форму, что и яв- ляется основным критерием обнаружения дис- кретного источника. Однако для такого анали- за требуется не менее 10 20÷ мин. Сечения фазового ДС формируются за доли секунды и позволяют решить ту же задачу – обнаружить источник и убедиться в том, что нет заметных отклонений в наведении радио- телескопа. Визуализация сечений фазового ДС, выполняемая штатной программой управления DSPZ, позволяет принимать такие решения в реальном масштабе времени. Вид фазовых спектров для трех случаев – отсутствия источ- ника в ДН, заметного отклонения и точного на- ведения – соответствует спектрам на рис. 2 (справа), которые легко различаются визуально. 6. Заключение В статье рассмотрена возможность исполь- зования фазовых динамических спектров для анализа спорадического излучения в радиоаст- рономии. Предложенная методика основана на разбиении антенной системы радиотелеско- па на субантенны и оценивании комплексного кросс-спектра их сигналов путем корреляцион- ных интерферометрических измерений. Основная идея заключается в использовании фазовых динамических спектров, т. е. зависимости фазы комплексного кросс-спектра от времени и час- тоты, в дополнение к динамическим спектрам мощности. Показано, что полученные таким путем фа- зовые динамические спектры могут быть ис- пользованы для визуального обнаружения спо- радического излучения и различения источни- ков всплесков по направлению прихода, а также для количественного оценивания их угловых координат. Работоспособность методики про- иллюстрирована примерами обработки резуль- татов наблюдений различных типов споради- ческого излучения на радиотелескопе УТР-2. Автор выражает признательность рецензен- ту за детальный критический анализ и рекомен- дации, которые позволили существенно перера- ботать структуру и текст статьи, А. А. Конова- ленко за постоянное внимание к работе, обсужде- ние текущих результатов и консультации по осо- бенностям радиотелескопа УТР-2, Н. Н. Кали- ниченко за консультативную помощь автору в его первых самостоятельных наблюдениях на УТР-2 в марте–апреле 2009 г., А. А. Станис- лавскому за конструктивную критику и обсуж- дение работы, а также всем участникам семи- нара отдела низкочастотной радиоастрономии РИ НАНУ за обсуждение работы и полезные замечания. Литература 1. Cohen L. Time-Frequency Distributions - A Review // Proc. IEEE. – 1989. – Vol. 77, No. 7. – P. 941-981. 2. Бендат Д., Пирсол А. Прикладной анализ случай- ных данных: Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 540 с. 3. Мельник В. Н. Исследования радиоизлучения Солнца в радиоастрономическом институте НАН Ук- раины // Радиофизика и радиоастрономия. – 2005. – Т. 10, специальный выпуск. – С. S54-S73. 4. Рябов Б. П. Спорадическое радиоизлучение Юпитера. Мультимасштабные динамические спектры // Радио- физика и радиоастрономия. – 2001. – Т. 6, №1. – С. 103-130. 5. Краус Д. Радиоастрономия. – М.: Сов. радио, 1973. – 456 с. 6. Томпсон А., Моран Д., Свенсон Д. Интерферомет- рия и синтез в радиоастрономии. 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 624 с. 7. Desai K. M., Gwinn C. R., Reynolds J., King E. A., Jaun- cey D., Flanagan C., Nicolson G., Preston R. A., and Jones D. L. A speckle hologram of the interstellar plas- ma // Astrophys. J. – 1992. – Vol. 393, No. 2. – P. L75-L78. 8. Bunton J. SKA correlator advances // Exp. Astron. – 1992. – Vol. 17, No. 1-3. – P. 251-259. 9. Марпл-мл С. Цифровой спектральный анализ и его приложения. – М.: Мир, 1990. – 584 с. 10. Very Long Baseline Interferometry and the VLBA // ASP Conf. Ser. – 1995. – Vol. 82. 11. Van der Schaaf K., Broekema C., Diepen G., and Meije- ren E. The LOFAR central processing facility architec- ture // Exp. Astron. – 1992. – Vol. 17, No. 1-3. – P. 43-58. 12. Lecacheux A., Rosolen C., Clerc V., Kleewein P., Ru- cker H. O., Boudjahada M., and VanDriel W. Digital techniques for ground-based low frequency radioas- tronomy // Proc. SPIE. – 1998. – Vol. 3357. – P. 533-542. 13. Kozhin R. V., Vynogradov V. V., and Vavriv D. M. Low- noise, high dynamic range digital receiver/spectrome- В. Л. Колядин Радиофизика и радиоастрономия, 2011, т. 16, №4354 ter for radio astronomy applications // Proc. MSMW’07 Symp. – Kharkiv (Ukraine). – 2007. – P. 736-738. 14. Ryabov V. B., Vavriv D. M., Zarka P., Ryabov B. P., Kozhin R. V., Vinogradov V. V. and Denis L. A low-noise, high-dynamic-range, digital receiver for radio astrono- my applications: an efficient solution for observing radio-bursts from Jupiter, the Sun, pulsars, and other astrophysical plasmas below 30 MHz // Astron. Astro- phys. – 2010. – Vol. 510, No. A16 – P. 1-13. 15. Брауде C. Я., Мень А. В., Содин Л. Г. Радиотелескоп декаметрового диапазона волн УТР-2 // Антенны. – М.: Связь, 1978. – Вып. 26. – С. 3-14. 16. Konovalenko A. A., Lecacheux A., Rucker H. O., Fischer G., Abranin E. P., Kalinichenko N. N., Falko- vich I. S., and Sidorchuk K. M. Ground-based decameter wavelength observations of Saturn electrostatic dis- charges // Geophys. Res. Abst. – 2007. – Vol. 9, No. 04792. 17. Захаренко В. В., Милостная К. Ю., Фишер Г., Конова- ленко А. А., Зарка Ф., Гриссмейер Ж.-М., Рябов Б. П., Ваврив Д. М., Рябов В. Б., Рукер Х., Равье П., Сидор- чук М. А., Цекони Б., Кофри А., Дени Л., Фабриc К., Кожин Р. В., Муха Д. В., Палье Л., Шнейдер И., Шев- ченко В. А., Виноградов В. В., Вебер Р., Николаен- ко В. С. Идентификация молний на Сатурне, заре- гистрированных радиотелескопом УТР-2 и космичес- ким аппаратом “Кассини” // Радиофизика и радио- астрономия. – 2010. – Т. 15, №4. – С. 361-368. Використання фазових динамічних крос-спектрів для широкосмугових радіоастрономічних спостережень: досвід застосування на радіотелескопі УТР-2 В. Л. Колядин У радіоастрономії при обробці результатів спостережень широко використовують ди- намічні спектри, які характеризують розподіл сумарної потужності прийнятого випромінюван- ня за часом і частотою. У статті описана ме- тодика обробки спостережень, яка збагачує можливості такого частотно-часового аналізу за рахунок залучення інформації про різниці фаз між сигналами субантен, сформованих в ме- жах антенної системи радіотелескопа. Фазові динамічні спектри – залежність фази взаємного спектра двох сигналів від часу і частоти – формують шляхом інтерферометричної оброб- ки, а потім використовують разом з традиційни- ми динамічними спектрами потужності. Така методика реалізована на радіотелескопі УТР-2, де використовується впродовж декількох років для візуального виявлення випромінювання, відбракування заважаючих сигналів, прийнятих бічними пелюстками, а також для розрізнення джерел сплесків, що спостерігаються в межах головного променя. Наявність двох пар антен з неколінеарними базами дозволяє виміряти на- прямок приходу випромінювання в кожній точці площини час–частота. Можливості методики стосовно різних типів випромінювання проілюст- ровано прикладами обробки даних спостере- жень Сонця, Сатурна та спалахуючих зірок. Using Phase Dynamic Cross-Spectra for Wideband Radio Astronomy Observations: Experience from the UTR-2 Radio Telescope V. L. Koliadin Dynamic spectra characterize the distribution of the total power of the received signal over time and frequency. They are widely used in radio as- tronomy in analysis of observations. The paper describes a method that expands capabilities of such a time-frequency analysis via utilization of the phase difference between signals from two sub- antennas which are formed within the entire radio telescope antenna system. Phase dynamic spectra – the phase of the cross-spectrum of two signals as function of time and frequency – are formed by interferometric processing. Then, they are used for analysis together with the traditional dynamic spectra of power. This technique was implemented at the UTR-2 radio telescope. It has been used there for several years for visual detection of radio emission, for recognition of the interfering signals arriving from the antenna side lobes, as well as for differentiation of radio bursts observed within the main beam. If two pairs of antennas with non- collinear baselines are available, then the direction of arrival can be measured at each point of the time–frequency domain from the two phase dy- mamic spectra. The efficiency of this technique is illustrated by its application to qualitatively dif- ferent types of sporadic radio emisson – namely, the emission of the Sun, Saturn, and flare stars.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98231
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1027-9636
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:36:30Z
publishDate 2011
publisher Радіоастрономічний інститут НАН України
record_format dspace
spelling Колядин, В.Л.
2016-04-10T18:57:42Z
2016-04-10T18:57:42Z
2011
Использование фазовых динамических кросс-спектров
 для широкополосных радиоастрономических наблюдений:
 опыт применения на радиотелескопе УТР-2 / В.Л. Колядин // Радиофизика и радиоастрономия. — 2011. — Т. 16, № 4. — С. 341-354. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
1027-9636
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98231
520.27
В радиоастрономии при обработке результатов наблюдений широко используют динамические
 спектры, которые характеризуют распределение суммарной мощности принимаемого излучения по
 времени и частоте. В статье описана методика обработки наблюдений, которая расширяет возможности такого частотно-временного анализа за счет привлечения информации о разности фаз между
 сигналами субантенн, сформированных в пределах антенной системы радиотелескопа. Фазовые
 динамические спектры – зависимость фазы взаимного спектра двух сигналов от времени и частоты – формируют путем интерферометрической обработки и затем используют совместно с традиционными динамическими спектрами мощности. Такая методика реализована на радиотелескопе
 УТР-2, где используется на протяжении нескольких лет для визуального обнаружения излучения,
 отбраковки мешающих сигналов, принимаемых по боковым лепесткам, а также для различения
 источников всплесков, наблюдаемых в пределах главного луча. Наличие двух пар антенн с неколлинеарными базами позволяет определять направления прихода излучения в каждой точке плоскости время–частота. Возможности методики применительно к различным типам излучения про
 иллюстрированы примерами обработки данных наблюдений Солнца, Сатурна и вспыхивающих звезд.
Dynamic spectra characterize the distribution
 of the total power of the received signal over time
 and frequency. They are widely used in radio astronomy
 in analysis of observations. The paper
 describes a method that expands capabilities of
 such a time-frequency analysis via utilization of the
 phase difference between signals from two subantennas
 which are formed within the entire radio
 telescope antenna system. Phase dynamic spectra –
 the phase of the cross-spectrum of two signals
 as function of time and frequency – are formed
 by interferometric processing. Then, they are used
 for analysis together with the traditional dynamic
 spectra of power. This technique was implemented
 at the UTR-2 radio telescope. It has been used
 there for several years for visual detection of radio
 emission, for recognition of the interfering signals
 arriving from the antenna side lobes, as well as for
 differentiation of radio bursts observed within the
 main beam. If two pairs of antennas with noncollinear
 baselines are available, then the direction
 of arrival can be measured at each point of the
 time–frequency domain from the two phase dymamic
 spectra. The efficiency of this technique
 is illustrated by its application to qualitatively different
 types of sporadic radio emisson – namely,
 the emission of the Sun, Saturn, and flare stars.
У радіоастрономії при обробці результатів
 спостережень широко використовують динамічні спектри, які характеризують розподіл
 сумарної потужності прийнятого випромінювання за часом і частотою. У статті описана методика обробки спостережень, яка збагачує
 можливості такого частотно-часового аналізу
 за рахунок залучення інформації про різниці фаз
 між сигналами субантен, сформованих в межах антенної системи радіотелескопа. Фазові
 динамічні спектри – залежність фази взаємного
 спектра двох сигналів від часу і частоти – формують шляхом інтерферометричної обробки, а потім використовують разом з традиційними динамічними спектрами потужності. Така
 методика реалізована на радіотелескопі УТР-2,
 де використовується впродовж декількох років
 для візуального виявлення випромінювання,
 відбракування заважаючих сигналів, прийнятих
 бічними пелюстками, а також для розрізнення
 джерел сплесків, що спостерігаються в межах
 головного променя. Наявність двох пар антен
 з неколінеарними базами дозволяє виміряти напрямок приходу випромінювання в кожній точці
 площини часчастота. Можливості методики
 стосовно різних типів випромінювання проілюстровано прикладами обробки даних спостережень Сонця, Сатурна та спалахуючих зірок.
Автор выражает признательность рецензенту за детальный критический анализ и рекомендации, которые позволили существенно переработать структуру и текст статьи, А. А. Коноваленко за постоянное внимание к работе, обсуждение текущих результатов и консультации по особенностям радиотелескопа УТР-2, Н. Н. Калиниченко за консультативную помощь автору в его первых самостоятельных наблюдениях на УТР-2 в марте–апреле 2009 г., А. А. Станиславскому за конструктивную критику и обсуждение работы, а также всем участникам семинара отдела низкочастотной радиоастрономии РИ НАНУ за обсуждение работы и полезные замечания
ru
Радіоастрономічний інститут НАН України
Радиофизика и радиоастрономия
Радиоастрономия и астрофизика
Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт применения на радиотелескопе УТР-2
Використання фазових динамічних крос-спектрів для широкосмугових радіоастрономічних спостережень: досвід застосування на радіотелескопі УТР-2
Using Phase Dynamic Cross-Spectra for Wideband Radio Astronomy Observations: Experience from the UTR-2 Radio Telescope
Article
published earlier
spellingShingle Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт применения на радиотелескопе УТР-2
Колядин, В.Л.
Радиоастрономия и астрофизика
title Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт применения на радиотелескопе УТР-2
title_alt Використання фазових динамічних крос-спектрів для широкосмугових радіоастрономічних спостережень: досвід застосування на радіотелескопі УТР-2
Using Phase Dynamic Cross-Spectra for Wideband Radio Astronomy Observations: Experience from the UTR-2 Radio Telescope
title_full Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт применения на радиотелескопе УТР-2
title_fullStr Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт применения на радиотелескопе УТР-2
title_full_unstemmed Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт применения на радиотелескопе УТР-2
title_short Использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт применения на радиотелескопе УТР-2
title_sort использование фазовых динамических кросс-спектров для широкополосных радиоастрономических наблюдений: опыт применения на радиотелескопе утр-2
topic Радиоастрономия и астрофизика
topic_facet Радиоастрономия и астрофизика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98231
work_keys_str_mv AT kolâdinvl ispolʹzovaniefazovyhdinamičeskihkrossspektrovdlâširokopolosnyhradioastronomičeskihnablûdeniiopytprimeneniânaradioteleskopeutr2
AT kolâdinvl vikoristannâfazovihdinamíčnihkrosspektrívdlâširokosmugovihradíoastronomíčnihspostereženʹdosvídzastosuvannânaradíoteleskopíutr2
AT kolâdinvl usingphasedynamiccrossspectraforwidebandradioastronomyobservationsexperiencefromtheutr2radiotelescope

Similar Items