Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Гелиофизика и физика солнечной системы

Диссертационная работа:

Абрамов Виктор Иванович. Вопросы повышения точности измерений линейной поляризации радиоизлучения космических источников на радиотелескопе РАТАН-600 : ил РГБ ОД 61:85-1/2195

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ББЩЦЕШЕ /. 2

1. АНАЛИЗ ПОБОЧНЫХ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ СИГНАЛОВ РАДИОТЕЛЕСКОПА
РАТАН-600 23

  1. Метод анализа матрицы Мюллера АЛЛ 29

  2. Матрица Мюллера идеальной АПП со скалярным облучателем 31

  3. Матрица Мюллера в.случае неидеального облучателя 34

  1. "Разбаланс" волн облучателя . 34

  2. Паразитная симметричная волна Е-0< ., 39

  3. Эллиптичность сечения облучателя и тракта 47

1.4. Матрица Мюллера при учете поляризационной анизо
тропии рассеяния мощности в МП
48

1.4Л.-Анизотропия "переоблучения" при "разбалансе"

волн облучателя 50

1.4.2. Анизотропия щелей отражателей АПП ..... 51

1.5. Особенности побочных поляризованных сигналов ра
диотелескопа РАТАН-600
57

Основные результаты главы I 58

2. АНАЛИЗ П0ЛЯВ13АЦИ0ННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАДИ0П0ЛЯРИМЕТР0В 62

  1. Разделитель ортогональных поляризаций 64

  2. Поляриметр как поляризационная система 66

  3. Матрица Мюллера поляриметра сравнения 69

  4. Матрица корреляционного поляриметра 74

  5. Матрицы поляриметров с гармонической модуляцией параметров Стокса 84

  6. Сравнение поляриметров, предназначенных для измерения линейной поляризации излучения источников

с помощью радиотелескопа РАТАН-600 92

Основные результаты главы 2 95

3. РАЗРАБОТКА И ЙССЩОВАНИЕ ТРАКТОВ ПОЛЯРИМЕТРОВ РІДО-
ТЕЛВСКОПА РАТАН-600 97

  1. Выбор конструкции поляризационного тракта поляриметра сравнения дециметрового диапазона волн 97

  2. Результаты разработки трактов поляриметров сравнения на волны 13 см и 31 см 101

  1. Выбор возможных вариантов схем и конструкций входного тракта корреляционного поляриметра .... 120

  2. Результаты разработки входного тракта корреляционного поляриметра на волну 7.6см 125

Основные результаты главы 3 131

4. ЭКСЖРИМЕНТАЛЬНСЕ ИССЩОВАНИБ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАК
ТЕРИСТИК РАДЙОШЕСКОПА РАТАН-600 132

  1. Методы поляризационной калибровки радиотелескопов 133

  2. Измерения инструментальной линейной поляризации радиотелескопа РАТАН-600 на волне 13 см 138

  1. Аппаратура и методика измерений 138

  2. Южный сектор с плоским отражателем 139

  3. Северный сектор. Исследование влияния волны Е01 на инструментальную поляризацию 155

Основные результаты главы 4 161

5. НАБЩЩШЯ ЛИНЕЙНШ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДИСКРЕТНЫХ ИСТОЧНИКОВ

НА ВОЛНЕ 13 см 163

5.1. Анализ методов радиоастрономических поляризаци
онных измерений 163

  1. Обзор методов наблюдений 163

  2. Методы исключения остаточного побочного сигнала 169

5.2. Измерения линейной поляризации радиоизлучения
некоторых дискретных источников на волне 13 см 175

  1. Аппаратура и методика измерений 376

  2. Результаты измерений линейной поляризации радиоизлучения источников 177

Основные результаты главы 5 197

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 200

ПРИЛОЖЕНИЯ 203

П.І. Необходимые сведения из теории представления и

преобразования состояния поляризации излучения 203

Н.2. 0 свойствах матриц Мюллера 209

П.З. Некоторые выражения для матриц Джонса идеальной
АЛЛ с облучателем в виде открытого конца кругло
го волновода 216

\

П.4. Об одной интерпретации влияния паразитной сии-
матричной волны Е
01 на апертурное распределение
поля облучателя и ДН зеркальной антенны 223

П.5. Учет протяженности калибровочных источников при
измерении инструментальной поляризации радиоте
лескопов с "ножевой" ДН 230

П.6. К методу наблюдения линейной поляризации "точечных" источников при двух параллактических углах 237

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАпНЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение к работе:

Радиоастрономические исследования являются одним из важнейших источников астрофизической информации о космических объектах. В ряде задач первостепенное значение имеют поляризационные наблюдения. Так поляризация часто является определяющим фактором в решении проблемы механизма радиоизлучения источника [105-107, 23] . Исследования линейной поляризации радиоизлучения позволяют изучать структуру и величину магнитных полей, концентрацию и распределение ионизированного газа и релятивистских электронов в Галактике [105-108,38,69,103,124,65] , в галактических и внегалактических нетепловых источниках [69,103,161] . По фарадеевскому вращению плоскости поляризации излучения дискретных источников оценивают параметры межзвездной среды [107, 38,230,66,89] , изучают структуру магнитного поля в солнечной короне [45,118,122] . Наблюдения линейной поляризации теплового радиоизлучения Луны, планет и их спутников дают возможность исследования шероховатости, диэлектрической проницаемости и температуры поверхности этих тел [46,119] . Наблюдения круговой поляризации позволяют получать информацию о магнитных полях в активных областях на Солнце [80,43,76,21,138,114] , в спиральных рукавах Галактики [38,242] , а также о физических условиях в очагах звездообразования [127,65] , в компактных радиогалактиках и квазарах [220,190,246,103] .

Помимо классических задач, требующих поляризационных наблюдений, в последнее десятилетие появились и новые, связанные с фундаментальными проблемами физики [184] и космологии [21, 125,231,152].

Поляризационные исследования источников важны и для решения прикладных задач, в частности, для антенных измерений [139,236].

Актуальность этих задач привела к необходимости использования для поляризационных наблюдений практически всех больших радиотелескопов [80,154,148,250,146,156,138,239 и дрГ|, в том числе и крупнейшего в мире рефлекторного радиотелескопа РАТАН-600 l00,29j . Высокая эффективность информативность поляризационных исследований реализуются в полной мере лишь при многочастотных измерениях, проводимых с достаточно высокой точностью. Во многих случаях, в частности, при измерениях линейной поляризации дискретных источников, величина неучтенного побочного поляризованного сигнала, сопровоздающего поляризационные наблюдения и определяющего систематическую погрешность измерений, не должна превышать десятых долей процента от полной интенсивности излучения. Это связано с тем, что исследуемое излучение слабо поляризовано, причем степень линейной поляризации составляет лишь единицы и даже доли процента [^234,247] . Повышению точности измерении линейной поляризации на РАТАН-600 уделялось много внимания. Однако удовлетворительной точности удалось достигнуть только на некоторых волнах сантиметрового диапазона [115,28] , а в дециметровом диапазоне такие измерения вообще не проводились. Поэтому остается актуальной задача повышения точности измерений линейной поляризации, в том числе и исследование возможности проведения прецизионных измерений в дециметровом диапазоне волн.

Повышение точности поляризационных измерений является комплексной задачей и предполагает проведение исследований в следующих направлениях: I) выявление и изучение источников побочных сигналов; 2) устранение побочных сигналов или исключение их влияния за счет оптимизации характеристик радиотелескопа и использования оптимальной методики наблюдений и, наконец, 3) исключение остаточных побочных сигналов при редукции данных измерений.

Величина и характер побочных сигналов определяются, прежде всего, поляризационными характеристиками радиотелескопа. Исследованию поляризационных характеристик антенн переменного профиля (АПП) уделялось серьезное внимание сразу же после введения в строй в 1956 г. Большого пулковского радиотелескопа [55,83,23, 54,126,53,74,52] . В частности, Н.С. Соболевой [83] было обнаружено, что в АПП имеет место большая (до 40% [83,23,53] ) инструментальная круговая поляризация4"' (характеризующая переход в антенне интенсивности радиоизлучения в круговую поляризацию), которая существенно осложняет измерения круговой поляризации излучения источников. Для повышения точности таких измерений были предложены эффективные методы [60,59,43,21,126,73,76J . В то же время инструментальная линейная поляризация (ИЛП) в АПП оказалась незначительной44*' [23,54,53] . Однако, как отмечалось авторами

[44,23] , в реальном радиотелескопе возможен переход ИКП в ИЛП из-за неидеальности тракта поляриметра. Тем не менее, количественно (и применительно к произвольному поляриметру) этот вопрос практически не исследовался, так же как не рассматривалось и влияние на ИЛП некоторых несовершенств первичного облучателя и конструктивных особенностей АПП.

Отмеченные факторы из-за большой ИКП могут приводить к заметным составляющим ИЛП, для устранения которых нужно повышать требования к облучателю и тракту [lI5j . Поскольку эти требования,рав-

+' В литературе употребляется также термин "паразитная"круговая (или линейная) поляризация.

**' Как показано в докторской диссертации Н.А. Есепкиной (см. также [23,53J ), в АПП имеет место вращение вектора линейной поляризации с сохранением степени поляризации для источников, расположенных вне главных плоскостей диаграммы направленности.

_ 8 -

но как и возможности их реализации, еще не выяснены, то и этот вопрос нуждается в специальном исследовании.

Методическое исключение побочных сигналов также во многом определяется особенностью поляризационных характеристик АПП.

Таким образом, в перечисленных задачах наиболее общим и существенным моментом является необходимость последовательного учета воздействия прибора и условий измерений на состояние поляризации излучения. Поэтому для их решения целесообразно использовать некоторый общий подход, основанный на математическом аппарате, адекватно отражающем радиоастрономические поляризационные измерения. Такой аппарат - матричная теория представления и преобразования состояния поляризации излучения Г 235 ] (см. Приложение I) - развит и широко применяется в оптике [98,141,17]. В случае измерения частично поляризованного квазимонохроматического излучения практический интерес представляют метод матрицы когерентности и метод Мюллера [201,235] . В радиоастрономических поляризационных измерениях использование метода Мюллера по ряду причин оказывается более предпочтительным. Во-первых, метод Мюллера оперирует с действительными однородными (имеющими размерность интенсивности) величинами - параметрами Стокса, которые непосредственно регистрируются поляриметром. Во-вторых, элементы матрицы Мюллера имеют простой физический смысл (коэффициентов связи между выходными и входными параметрами Стокса), а воздействие системы на состояние поляризации излучения допускает наглядную геометрическую интерпретацию: вращение четырехвектора Стокса в пространстве Минковского (см. Приложение 2). В-третьих, метод Мюллера более универсален и применим для описания любых поляризационных систем, в том числе деполяризующих (т.е. вносящих случайные во времени изменения в амплитуды и фазы ортогонально поляризованных компонент [17] ), когда метод матрицы ко-

- 9 -герентности теряет силу. Кроме того, метод Мюллера пригоден для описания таких специфичных поляризационных систем, как поляриметры. Поэтому в его рамках и весь радиотелескоп удобно рассматривать в качестве "черного ящика", а его действие на состояние поляризации излучения характеризовать некоторым линейным оператором (матрицей Мюллера). Применительно к радиоастрономии метод Мюллера был успешно использован Г.Б. Гельфрейхом при создании теории поляризационных модуляторов [42] и Н.А. Есепкиной для они сания поляризационных характеристик антенн радиотелескопов [50^. В рамках этого метода рядом авторов были рассчитаны и исследованы поляризационные характеристики идеализированных антенн переменного профиля [23,52-54,126,74] и развита методика измерения круговой поляризации с помощью радиотелескопа РАТАН-600 [73,43],

В последнее время матричный метод Мюллера стал применяться при решении задач, связанных с калибровкой поляризационных характеристик радиотелескопов и редукцией данных измерений [235,

, а также при исследовании некоторых вопросов общей теории радиоастрономических поляризационных измерений с одиночной антенной методом сравнения мощностей ортогональных компонент [75]. В то же время в радиоастрономии кроме поляриметров сравнения широкое распространение получили корреляционные поляриметры и поляриметры с гармонической модуляцией параметров Стокса [128, 148,250,143,80] . Поэтому одной из задач данной диссертационной работы была попытка применить матричную теорию к радиоастрономическим поляризационным измерениям с одиночной антенной для более общего случая - произвольного радиополяриметра. При этом основное внимание уделено исследованию особенностей измерений линейной поляризации радиоизлучения источников с помощью АПП и повышению точности таких измерений.

Целью работы является:

  1. Развитие и применение матричных методов к исследованию особенностей измерений линейной поляризации дискретных источников с помощью радиотелескопа РАТАН-600.

  2. Теоретическое и экспериментальное исследование побочных сигналов, сопровождающих наблюдения линейной поляризации на РАТАН-600, и методов их исключения.

  3. Исследование вопросов оптимизации трактов поляриметров радиотелескопа РАТАН-600. Разработка и создание трактов на волны 7.6 см, 13 см, 31 см, вносящих малые побочные сигналы.

  4. Исследование возможности наблюдений на РАТАН-600 линейной поляризации дискретных источников в дециметровом диапазоне с высокой точностью. Проведение наблюдений на волне 13 см.

В ходе выполнения работы получены следующие новые результаты:

  1. На основе матричной теории выработан подход, позволяющий единым и наиболее общим образом описывать погрешности измерений линейной поляризации, вносимые антенной, поляриметром и их совокупным действием, а также методы их исключения.

  2. Проведен теоретический анализ линейно поляризованных побочных сигналов радиотелескопа РАТАН-600 с учетом несовершенств облучателя, поляриметра и конструктивных особенностей зеркальной системы АПП. При этом выявлены и исследованы некоторые новые составляющие инструментальной поляризации, подтвержденные экспериментально.

  3. Проведено исследование поляризационных характеристик поляриметров, рассматриваемых в качестве поляризационных систем. Получены выражения для элементов обобщенных матрицы Мюллера и вектора Стокса собственных шумов различных типов поляриметров, обладающих в общем случае неортогональным собственным поляри-

- II -

зационным базисом. Для корреляционного поляриметра учтены внутренние связи разделителя ортогональных поляризаций. Определены требования к поляриметрам радиотелескопа РАТАН-600 и проведено сравнение поляриметров.

  1. В результате исследования возможностей оптимизации трактов поляриметров для РАТАН-600, предложены оригинальные конструкции трактов корреляционного поляриметра и поляриметра сравнения, позволяющие обеспечить высокую точность измерений. Тракт поляриметра сравнения защищен авторским свидетельством на изобретение. Созданы тракты поляриметров сравнения на волны 13 см и 31 см и корреляционного - на 7.6 см.

  2. Впервые проведено экспериментальное исследование поляризационных характеристик радиотелескопа РАТАН-600 в дециметровом диапазоне волн. Показано, что главное горизонтальное сечение инструментальной линейной поляризации южного сектора с плоским отражателем на волне 13 см пропорционально ДН по интенсивности, соответствует горизонтальной поляризации и немонотонно зависит от угла места.

  3. Экспериментально показано, что использование метода вычитания вектора инструментальной поляризации позволяет в несколько раз повысить абсолютную точность измерения на РАТАН-600 степени линейной поляризации радиоизлучения источников в дециметровом диапазоне волн.

  4. Впервые на радиотелескопе РАТАН-600 проведены с высокой точностью измерения линейной поляризации источников в дециметровом диапазоне волн. Получены одномерные распределения линейной поляризации и интенсивности источников Центавр А (двойное ядро), Дева А, Лебедь А, Кассиопея А и Телец А. Получено новое значение меры вращения плоскости поляризации западной компоненты Лебедя А.

8. Установлено свойство псевдоортогональности матриц Мюллера недеполяризующих систем, а также найдена связь между приемной и передающей матрицами. На основе свойства псевдоортогональности показана возможность полного измерения матрицы Мюллера антенны с помощью трех линейно поляризованных калибровочных источников и получена формула для обращения матрицы.

Автор выносит на защиту.

  1. Развитие и применение матричного подхода к теории радиоастрономических поляризационных измерений с помощью радиотелескопа РАТАН-600.

  2. Результаты исследования особенностей побочных сигналов, сопровождающих измерения линейной поляризации источников на радиотелескопе РАТАН-600:

анализ и экспериментальное исследование особенностей поляризационных характеристик АЛЛ;

анализ поляризационных характеристик радиополяриметров;

учет совокупного действия антенны и поляриметра.

3. Результаты исследований возможности повышения точности
измерения линейной поляризации источников на РАТАН-600:

определение требований к облучателям и трактам поляриметров;

разработка облучателей и трактов поляриметров;

экспериментальное исследование ЙШІ радиотелескопа;

применение метода вычитания вектора инструментальной поляризации при редукции данных измерений.

4. Результаты первых на РАТАН-600 наблюдений линейной по
ляризации источников в дециметровом диапазоне волн:

одномерные распределения линейной поляризации источников;

уточнение величины меры вращения западной компоненты Лебедя А.

- ІЗ -

5. Результаты исследования общих свойств матриц Мюллера недеполяризующих систем:

установление псевдоортогональности матрицы и вытекающих из нее следствий;

получение формулы связи между приемной и передающей матрицами;

установление возможности полного измерения матрицы с помощью трех линейно поляризованных источников.

Содержание диссертации.

Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и Приложений.

Первая глава посвящена анализу побочных поляризованных сигналов (ППС), сопровождающих поляризационные наблюдения с помощью радиотелескопа РАТАН-600. При этом в отличие от предшествующих работ учитывается совокупное действие антенны и поляриметра.

Рассмотрение ведется в рамках метода Мюллера на основе схемы радиотелескопа в виде последовательного соединения двух поляризационных систем: антенны и поляриметра, поляризационные характеристики которых описываются матрицами Мюллера и векторами Стокса собственных шумов. В данной главе основное внимание уделено матрице Мюллера АШІ.

Исследованы и систематизированы общие свойства матрицы произвольной недеполяризующей системы. Установлено, что матрица Мюллера такой системы с точностью до диаграммного множителя псевдоортогональна, что существенно при решении задач поляризационной калибровки антенны и редукции данных поляризационных измерений. Показано, что матрицы в режимах приема и передачи совпадают лишь с точностью до транспонирования и смены знаков некоторых элементов.

Далее после краткого обзора и обобщения известных данных о матрице Мюллера идеальной АЛЛ со скалярным облучателем (большая (до 40%) инструментальная круговая поляризация (ИКП), обусловленная перекосом круговых ДН, вращение вектора линейной поляризации и др.) проведено исследование матрицы АЛЛ с учетом неидеальности первичного облучателя (асимметрия ДН, паразитные симметричные волны, эллиптичность сечения волновода) и поляризационной анизотропии паразитного рассеяния мощности в антенне.

Проведенные исследования позволили определить особенности поляризационных характеристик АЛЛ, в том числе выявить новые составляющие инструментальной линейной поляризации (ИШІ), являющейся основным источником ППС при измерении линейной поляризации дискретных источников. В частности, показано, что асимметрия ДН облучателя и паразитная симметричная волна Е01 приводят в случае АЛЛ к ранее не отмечавшейся составляющей ШШ, пропорциональной (для главного горизонтального сечения ДН) производной от ИКП и зависящей от угла места. Эллиптичность сечения волновода и отличие от нуля элементов Мп., Мп матрицы поляриметра дают составляющую ИЖІ, пропорциональную ИКП. Приводятся оценки величин составляющих ШШ (которые могут достигать единиц процентов) и требования к облучателю и поляриметру. Сделан вывод, что наличие большой ИКП в АЛЛ осложняет измерения не только круговой поляризации источников, но также и линейной, в результате чего необходимо предъявлять повышенные требования к облучателю и поляриметру радиотелескопа РАТАН-600.

Выявлены ранее не отмечавшиеся механизмы поляризационной анизотропии рассеяния мощности в АПП, приводящие (в основном, в дециметровом диапазоне волн) к ШШ, пропорциональной ДН по интенсивности: анизотропия переоблучения отражателей, рассеяние.

на щелях отражателей и земле в перископической системе и др. Получена оценка (~0,5$) анизотропии переоблучения отражателей, связанной с асимметрией ДН облучателя. Сделана оценка (~1%) влияния анизотропии рассеяния щелей на ИЛП, предложен и опробован метод экспериментального исследования этого эффекта.

По ходу рассмотрения различных механизмов формирования ШШ обсуждаются также и способы ее снижения.

Во второй главе проведено исследование поляризационных характеристик радиополяриметров. Рассмотрены особенности радиополяриметров как поляризационных систем, а также некоторые общие свойства разделителей ортогональных поляризаций, являющихся входным элементом поляриметров и определяющих их собственный поляризационный базис. (ПБ). С помощью матричного метода Джонса в квазимонохроматическом приближении получены выражения для элементов обобщенных матриц Мюллера и векторов Стокса собственных шумов различных типов поляриметров (корреляционного, сравнения и с гармонической модуляцией), обладающих в общем случае неортогональным собственным ПБ.

Проанализированы общие свойства поляриметров, а также погрешности при измерении линейной поляризации с помощью радиотелескопа РАТІШ-600. В частности, показано, что в случае поляриметра сравнения погрешности измерений очень критичны к симметрии переключаемых ортогональных каналов (как по потерям, так и по форме поляризационного эллипса) и слабо - к ортогональности собственного ПБ поляриметра. Погрешности измерений, обусловленные разделителем круговых поляризаций корреляционного поляриметра, очень чувствительны не только к ортогональности ПБ, но и к чистоте круговых поляризаций. Инструментальная поляризация, вносимая недиссипативным разделителем поляризаций, не зависит от его^ собственного ПБ и определяется только согласованием и раз-

вязкой его выходов. Получены простые формулы для элементов матрицы Мюллера корреляционного поляриметра с разделителем круговых поляризаций, включающие в себя лишь нормированные разности интенсивноетей на ортогональных основных и диагональных линейных поляризациях для каждого поляризационного эллипса разделителя.

Проведено обобщение поляриметров с гармонической модуляцией параметров Стокса на случай вращения произвольной согласованной поляризационной системы перед произвольным " базовым1* поляриметром. Показано, что при идеальном вращении такой поляриметр не вносит погрешностей в измерение линейной поляризации. Получены формулы для оценок погрешностей в случае неидеального вращения фазовой пластинки (эллиптичность волновода, в котором вращается пластинка; несовпадение осей вращения и волновода), требования к которой оказались не очень критичными.

На основе анализа поляризационных характеристик АЛЛ и поляриметров определены требования к СВЧ поляризационным трактам (ПТ) различных типов поляриметров радиотелескопа РАТАН-600. Показано, что в случае неподвижного ПТ специфичным требованием является высокая чистота поляризаций собственного ПБ: 1^-Г21 ^ 0,25% - для поляриметра сравнения, I rt 2| 0,9975 - для корреляционного (г - коэффициент эллиптичности) при этом величина вносимой поляриметром ИЛИ не превышает 0,1$). При подвижном ПТ эти требования можно ослабить, что практически нетрудно осуществить для поляриметра сравнения дециметрового диапазона, используя вращающееся сочленение.

Проведено сравнение различных типов поляриметров, предназначенных для измерения линейной поляризации источников с помощью радиотелескопа РАТАН-600. Сделан вывод, что с точки зрения величины ИЛП наиболее оптимальным является поляриметр с гармони-

ческой модуляцией, в котором применено быстрое вращение малоинерционного элемента. Отмечена также перспективность (с точки зрения чувствительности и универсальности) для РАТАН-600 корреляционной схемы поляриметра при условии реализации РКП с высокой чистотой круговых поляризаций.

Третья глава диссертации посвящена исследованию возможности практической реализации трактов поляриметров с высокой чистотой ортогональных поляризаций (в~105б полосе частот), необходимой для радиотелескопа РАТАН-600, а также разработке облучателей и трактов поляриметров, вносящих малые ППС.

Выбор базовой конструкции тракта поляриметра сравнения дециметрового диапазона определяется альтернативными требованиями обеспечения высоких электрических характеристик и достаточно малых размеров для его размещения в отведенном пространстве аппаратурной кабины. С целью обеспечения разумного компромисса между указанными требованиями автором (совместно сй.і, Беловым) предложена схема переключателя линейных поляризаций, содержащая ортогональный коаксиально-волноводный переход и двухканальный диодный переключатель. Особенностью перехода является простая схема возбуждения ортогональных вибраторов, позволяющая обеспечить жесткое крепление вибраторов и малые поперечные размеры переключателя поляризаций. Высокая чистота линейных поляризаций достигается симметрией нагрузок на концах неизлучающего вибратора за счет оптимизации длины фидерной линии между диодным переключателем и ортогональным переходом. Подавление паразитной симметричной волны Е без дополнительного увеличения длины одномо-дового отрезка волновода обеспечивается известным методом - помещением вдоль оси волновода поглощающего стержня.

На основе предложенной схемы переключателя поляризаций разработана оригинальная конструкция компактного тракта дециметро-

вого диапазона, позволяющая реализовать достаточно высокие электрические характеристики и оптимальную компановку СВЧ элементов. Описаны конструкции облучателей и трактов на волны 13 и 31 см, приведены их основные характеристики и оценены величины вносимых ими составляющих ШШ. Например, для тракта X31 см усредненная в полосе частот Iry- г А 0,5$, что приводит к ШШ^0,2%.

При рассмотрении вопроса оптимизации тракта корреляционного поляриметра сантиметрового диапазона основное внимание уделено исследованию возможности создания РКП с высокой чистотой круговых поляризаций.

В результате анализа предложена (совместно с И.Ф. Беловым) оригинальная конструкция РКП, содержащая круговой поляризатор с разнесенными в пространстве ортогональными каналами, между которыми вносится 90 фазовый сдвиг. Такой РКП позволяет не только реализовать тракт с высокими электрическими характеристиками, но и конструктивно просто решить проблему дистанционного управления переходом от поляризационного режима к двухлучевому. Приведены результаты разработки для корреляционного поляриметра на волну 7.6 см двух типов РКП: с диэлектрической четвертьволновой пластинкой и с разнесенными ортогональными каналами. Представлены' их характеристики и оценки ожидаемой ИЛП. Например, для РКП с разнесенными ортогональными каналами ИЛИ < 0.1-0.2$.

В четвертой главе на основе матричной теории рассмотрены методы экспериментального исследования поляризационных характеристик радиотелескопов с помощью частично поляризованных космических источников. Рассмотрен известный метод полного измерения матрицы Мюллера с помощью 4-х источников. Исследована возможность уменьшения числа калибровочных источников. С помощью установленного свойства псевдоортогональности матриц Мюллера показано, что для измерения всех элементов матрицы антенны достаточно трех

линейно поляризованных источников с независимыми векторами Стокса излучения, что важно, так как обычно круговая поляризация стабильных источников мала. При наличии априорной информации об антенне необходимое число источников может быть уменьшено.

Приведены результаты измерений главных горизонтальных сечений ИЛП и вектора Стокса радиотелескопа РАТАН-600 на волне 13 см для южного сектора с плоским отражателем и северного сектора, проведенных с помощью разработанных облучателей и трактов. Описана аппаратура и методика измерений. Экспериментально показано, что на южном секторе ИЛП пропорциональна ДН по интенсивности и немонотонно зависит от угла места. Величина осевой ИЛП составляет (2-3)% от интенсивности и соответствует горизонтальной поляризации. Сделана оценка вклада возможных составляющих осевой ИЛП, откуда следует, что происхождение ИЛП связано со специфическими особенностями конструкции антенной системы РАТАН-600 (наличие щелей, перископичность системы). На северном секторе кроме составляющей (~2%), пропорциональной ДН, имеются компоненты (~1%), обусловленные совокупным действием ИКП зеркальной системы и несовершенств облучателя и поляриметра. Отмеченные особенности ИЛП на РАТАН-600, по-видимому, характерны для всего дециметрового диапазона.

Описаны результаты экспериментального изучения влияния паразитной симметричной волны Е01 на ИЛП радиотелескопа РАТАН-600. Показано, что на северном секторе волна ЕQi приводит к составляющим ИЛП, пропорциональным производным от ДН и от ИКП. При относительной мощности волны ~ 2.5% величина ИЛП составляет (1-2)%, что хорошо согласуется с теоретическими оценками главы I. На южном секторе с плоским отражателем она служит источником горизонтальной ИЛП, пропорциональной ДН и производной от ДН.

Проведенные исследования стимулировали поиск методов подавления волны Б , , благодаря чему и были созданы описанные в главе 3 облучатели и тракты с малым уровнем этой волны.

Пятая глава посвящена исследованию практической возможности проведения на РАТАН-600 наблюдений линейной поляризации радиоизлучения дискретных источников с высокой точностью.

На основе матричной теории поляризационных измерений сделан обзор и обобщение известных методов проведения поляризационных наблюдений космических источников, позволяющих с помощью модуляции источником и радиотелескопом (или его элементами) уменьшить различные составляющие ППС.

В рамках матричной теории рассмотрены два известных метода исключения остаточного мультипликативного ППС: метод обращения матрицы Мюллера и метод вычитания вектора инструментальной поляризации. Получены формулы для оценки погрешностей измерения линейной поляризации радиоизлучения точечных источников при использовании метода вычитания инструментальной поляризации. Получены простые выражения для учета инструментальной поляризации радиотелескопа РАТАН-600 при исследовании одномерного распределения поляризации протяженных дискретных источников.

Приведены результаты экспериментального изучения возможности повышения точности измерения линейной поляризации радиоизлучения источников на южном секторе с плоским отражателем радиотелескопа РАТАН-600 в коротковолновой части дециметрового диапазона. Показано, что использование при редукции данных метода вычитания вектора инструментальной поляризации позволяет практически реализовать абсолютную точность измерения степени поляризации ~ (0.3-0.5)% (вместо (2-3)%, когда инструментальная поляризация не учитывается), а позиционного угла - ~10.

Описана методика и представлены результаты поляризационных наблюдений источников Телец А, Дева А, Лебедь А, Центавр А (двойное ядро), Кассиопея А на волне 13 см, проведенных на РАТАН-бОО с помощью разработанных облучателя и тракта. Получены одномерные распределения интенсивности и линейной поляризации, а также интегральные характеристики источников. В частности:

- показано существование поляризованной области протяженностью
~5 в гало Девы А на расстоянии~2,5 по прямому восхождению

к западу от ядра;

уточнена величина меры вращения плоскости поляризации запад-ной компоненты Лебедя А (97+19) рад/м ;

получено стрип-распределение поляризованной составляющей радиоизлучения двойного ядра Центавра А. Распределение поляризованного излучения восточной компоненты несимметрично относительно его максимума, причем угловой размер вдвое меньше размера самой компоненты. Степень поляризации в максимуме радиоизлучения восточной компоненты равна 23%, а западной - 5.4%. Менее поляризованная компонента имеет в три раза большую меру вращения. Показано, что степени поляризации интегрального радиоизлучения компонент изменяются с длиной волны неодинаково, причем для восточной компоненты прослеживается немонотонная зависимость, а

для западной характерно весьма медленное уменьшение с длиной волны.

В заключении суммируются основные результаты диссертации и приводятся соображения о перспективах дальнейших исследований.

Основное содержание диссертации изложено в'работах [I-I6] и докладывалось на Всесоюзных радиоастрономических конференциях (Пущино, 1975; Ереван 1982; Харьков 1983), на международной рабочей встрече САО АН СССР - МР1ФРГ (Денинград, 1982), а также на научных семинарах НИР и САО АН СССР.

Личный вклад.

При изложении материала диссертации автор использовал только собственные теоретические и методические результаты, а также конструкторские разработки, экспериментальные данные измерений и результаты их анализа, полученные лично им или при его непосредственном определяющем участии. Теоретические исследования побочных сигналов в АПП и поляризационных характеристик радиополяриметров, включая выработку требований к облучателю и трактам (гл. 1,2), выполнены автором. Разработка облучателей и трактов поляриметров (гл. 3) проведена, в основном, автором при участии сотрудников антенной лаборатории. Конструкции коаксиально-волно-водного ортогонального перехода и разделителя круговых поляризаций с разнесенными ортогональными каналами предложены совместно с И.ш. Беловым. Измерения инструментальной поляризации радиотелескопа РАТАН-600 (гл. 4), наблюдения источников (гл. 5) и обработка полученных данных проведены совместно с Е.Н. Виняйкиным при участии ряда сотрудников САО АН СССР. Интерпретация данных измерений инструментальной поляризации выполнена автором. Ему также полностью принадлежат теоретические исследования, касающиеся методов наблюдений, редукции данных, поляризационной калибровки радиотелескопа, а также свойств матриц Мюллера (гл. I, 4,5 Приложения).

Д.В. Королькову

за постановку задачи и помощь

Автор глубоко признателен научному руководителю доктору физ.-мат. наук

в работе,: кандидату технических наук И.Ф. Белову за постоянное внимание и ценные дискуссии, чл.-корр. АН СССР Ю.Н. Парийскому, доктору физ.-мат. наук В.А. Разину, кандидату физ.-мат. наук Н.С. Соболевой за поддержку работы и полезное обсуждение ее результатов.

Подобные работы
Виняйкин Евгений Николаевич
Исследования эволюции, угловой структуры и поляризации радиоизлучения мощных космических источников
Ипатов Александр Васильевич
Некоторые вопросы повышения чувствительности радиометров и наблюдения предельно слабых объектов на радиотелескопе РАТАН-600
Мартынюк Михаил Владимирович
Методы повышения точности измерений в системе спектрометрии временных задержек
Борисов Алексей Алексеевич
Разработка методов повышения точности гидроакустических систем подводной навигации
Малкин Зиновий Меерович
Исследование пулковской ФЗТ2 и перспективы повышения точности результатов наблюдений
Куимов Константин Владиславович
Исследование астрономических оптических систем методом математического моделирования с целью повышения точности фотографических позиционных наблюдений
Вовчик Ева Богдановна
Повышение точности электрофотометрических наблюдений искусственных небесных тел при работе на малых телескопах
Василюк Николай Николаевич
Повышение точности ракетного барометрического высотомера с учетом аэродинамики и итогов радиолокационных наблюдений в летных экспериментах
Ваулин Иван Николаевич
Способы повышения точности численного решения параболического уравнения для прогнозирования характеристик поля УКВ над морем
Васильев Роман Валерьевич
Точность временных измерений в экспериментах с вакуумными фотодетекторами в нейтринной астрофизике высоких энергий и физике космических лучей

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net