VLBI知识点.ppt
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1、4.1 射电天文学的产生,甚长基线干涉测量 Very Long Baseline Interferometry,VLBI 一种空间天文大地测量技术,射电窗口,其波长范围为1mm60m。 这个波段的上界变化于15200m之间,与电离层的密度、观测点的地理位置和太阳活动有关。射电窗口比光学窗口要大得多,包含了比光学波段更多的宇宙信息,射电天文学就是通过射电窗口来观测和研究宇宙的。 射电窗口的发现和利用对天文学有重要意义,宇宙中各种天体在不同波长上辐射的电磁波都包含着各自不同的物理内容和信息,如天体的温度、状态、结构、成分以及演化等。 射电观测并不是对光学观测资料在数量上的增加和补充,而是为人类认识
2、宇宙打开一个比光学窗口大得多的天窗。,角分辨率:,单孔径射电望远镜 综合孔径射电望远镜干涉测量技术 联线干涉测量技术 VLBI Space VLBI 实时VLBI,4.3 VLBI系统组成,射电望远镜 收集无线电波的定向天线 放大电波信息的高灵敏度的接收机 信息记录终端 氢原子钟保证时间同步 处理和显示系统 定向天线收集同一天体的射电辐射,接收机将这些信号加工、转化成可供记录和显示的形式,终端设备把信号记录下来,并按特定的要求进行数据回放和处理,然后显示大地测量的延迟和延迟率观测量等。 观测所需的时间和频率信号由氢原子钟提供。,VLBI,VLBI设备,一个完整的VLBI系统由两个以上的观测站和
3、一个数据处理中心组成。 VLBI观测站的主要设备为射电天线(可全天区观测)、接收机、VLBI数据采集系统、氢原子钟、GPS定时接收机和气象数据采集仪等。 VLBI数据处理中心的主要设备为VLBI相关处理机和通用计算机等。,VLBI原理,到达天线的两路射电信号是平行传播的 VLBI大地测量所观测的是距离地球非常遥远的致密河外射电源,它们一般都是在距离地球一亿光年以外的宇宙空间中。如果将这些射电源视为一个点源,则每个射电源在同一时刻向四周所辐射的电磁波就会形成一个同心球面波的波前面。射电波传播的越远,球面波的半径就越大。当到达地球表面时,传播距离已经远远大于组成VLBI系统的两天线之间的距离。因而
4、,可以认为此刻波前面是平面型的, 由于两个天线到某一射电源的距离不同,有一路程差L,则射电信号的同一波前面到达两天线的时间也将不同,有一时间延迟,VLBI基本原理,当射电干涉仪两单元的射电望远镜同时对准某一射电源时,它们接收到了该射电源的射电辐射。 假设所观测的为非常遥远的河外射电源,则可以认为它所辐射的射电波到达地球时为一平面波。设射电波到达射电干涉仪两天线的时间分别为t1和t2,其时间差为gt2t1,称为几何延迟。,B,K,由于地球的运动,基线矢量位置不断变化 延迟率 大地测量所采用的VLBI观测量主要是延迟和延迟率,它们包含了基线矢量、射电源位置和地球运动等信息。,VLBI特点,VLBI
5、延迟和延迟率是纯几何观测量,其中没有包含地球引力场的信息,因此观测量的获得也不受地球引力场的影响。 VLBI是相对测量,仅利用VLBI技术只能测定出两个天线之间的相对位置,即基线矢量b,而不能直接测出各天线的地心坐标。 为了确定VLBI测站的地心坐标,通常是在一个测站上同时进行VLBI和激光测卫(Satellite Laser Ranging,SLR)观测,即并置观测,利用SLR技术所测得的地心坐标为基准,进而推算出其他VLBI测站的地心坐标。,用于天测/测地VLBI固定站的射电天线,一般应达到下列技术指标要求,参考系,VLBI的数据处理如其它空间大地测量技术一样,在规定的参考系定义下实施。
6、天球参考系: 原点:太阳系质心。 赤道:J2000.0平赤道。 赤经原点:J2000.0动力春分点。 它的的建立和维持是通过射电源坐标表来实现的。,地球参考系,原点:地球质心。 尺度:相对论框架下的尺度。 方向:1984.0国际时间局(BIH)方向。 方向的时间变化:对地壳不产生整体旋转。,理论延迟和延迟率,为了用最小二乘法进行地球动力学参数的计算,需要计算理论延迟和延迟率。理论延迟和延迟率计算是一个比较复杂的过程,它除了计算几何延迟和延迟率之外,还需要计算各项附加延迟和延迟率改正量,如大气延迟和延迟率等。另外,由于测站位置受到上面提到的地球固体潮、海潮载荷和大气载荷等影响而随时间变化,所以计
7、算不同时刻的理论延迟和延迟率时,也必须加以相应的改正。,观测计划,观测频率和频率窗口的选择:目前MKIII系统已经基本固定采用X/S双频观测。 观测台站的选择:根据观测目的,确定参加观测的台站,并提出对参加观测的射电源的流量密度要求。 被观测的射电源的选择:一组VLBI天测或者测地观测一般要进行1-2天,被观测的射电源有10-20个。这些射电源可以直接从射电源表中查取,也可以从相同目的的其他观测所采用的射电源中参考选取。被观测的射电源应满足的条件是:流量密度要足够强,尽可能分布均匀,即要求分布在不同的赤经和赤纬上,以满足解算基线参数和射电源位置的要求;另外,射电源自行要极小,一般要选用河外射电
8、源,即角径小的点源,如果射电源的角径较大,会降低条纹可见度,是信噪比下降,同时还会因为射电源亮度分布的重心位置不易精确确定而导致延迟测量误差。,编排观测时间表:先计算每个射电源相对各测站的观测共同可见时间,然后再确定各天线在什么时间观测哪颗射电源,观测时间是多少。为了提高解算精度,要求在规定的时间内尽可能多的观测次数,一般应达到每小时6次,每次5分钟左右。在观测次序上应做到不同赤经、赤纬的射电源轮流观测,并有大的时角和赤纬跨度,且在整个天区分布均匀。为了避免大气影响的增大,天线的观测仰角一般不宜低于5。在观测时间表编好之后,还可以利用有关的协方差分析优化设计软件估计有关参数的解算精度,并不断调
9、整观测刚要,以选择一个能够获得最佳观测和解算精度的观测时间表。 编观测文件:目前几乎所有的观测都需要由接收机可读的观测文件,这是因为在观测中天线系统和记录终端都是由计算机按观测文件来控制运行的。文件包括的主要参数有:台站名(代号)、射电源名、观测时间表、观测频率、所需带宽、记录模式等。在观测之前,要将观测文件输入到VLBI站的主控计算机中,以进行测前准备和控制观测的实施。,观测实施,目前,用MKIII系统进行VLBI测地观测时,大部分观测工作都是由计算机自动控制进行的。这些工作包括:天线指向控制、观测频率、边带及记录磁道的设置,磁带机的起、停、正转反转及记录,系统噪声测量,以及电缆延迟、相位校
10、正数据、气象数据的采集等。观测人员的工作则是测前准备好完成上述工作的计算机控制程序,以及在即将开始观测时启动这些程序,并在观测进行中更换磁带、清洗磁头等。观测结束后将产生一个观测记录文件,观测人员要将文件转录到软盘或者磁带上,随同数据记录磁带仪器运至VLBI数据处理中心,进行相关处理。,VLBI应用于天文地球动力学 天球坐标系的建立,根据IAU的决议,采用非常遥远的、可以认为没有视运动的河外致密射电源作为建立天球参考系(ICRS)的基础,而VLBI是对它们进行定位测量的基本手段。根据上式可以解算出射电源的赤经和赤纬。目前VLBI测量精度已经好于毫角秒,多次观测后可以达到亚毫角秒的精度。对于在几
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