第6章空間大地測量技術VLBI

1、中南大學測繪與國土信息工程系2022-6-13中南大學測繪與國土信息工程系2022-6-13 射電天文學的誕生 射電干涉測量技術 國際VLBI技術的發(fā)展 中國VLBI技術的發(fā)展 VLBI技術在大地測量中的應用內容要點射電天文學的誕生射電天文學的誕生 1.射電波的發(fā)現(xiàn)射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實驗央斯基的實驗卡爾卡爾央斯基（央斯基（Karl Guthe Jansky）是一名無線電工程師，在美國是一名無線電工程師，在美國新澤西州的貝爾電話實驗室工新澤西州的貝爾電話實驗室工作。作。1931 年，公司分配他來研究和年，公司分配他來研究和尋找干擾無線電波通訊的噪聲尋找干擾無線電波通訊的噪聲源；源；射電天文學

2、的誕生射電天文學的誕生 1.射電波的發(fā)現(xiàn)射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實驗央斯基的實驗 他建造了一笨拙的、看上去比他建造了一笨拙的、看上去比現(xiàn)代同類任何天線更像旋轉木現(xiàn)代同類任何天線更像旋轉木馬、而且更小的射頻天線馬、而且更小的射頻天線 。 他將天線調諧在一個他將天線調諧在一個 14-6米的米的接收波長上，并安裝在老福特接收波長上，并安裝在老福特輪胎上，每輪胎上，每 20 分鐘旋轉一周。分鐘旋轉一周。 天線連接在一個接收器上，天天線連接在一個接收器上，天線的輸出記錄在一個條形圖表線的輸出記錄在一個條形圖表的記錄器上。的記錄器上。 射電天文學的誕生射電天文學的誕生 1.射電波的發(fā)現(xiàn)射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的

3、實驗央斯基的實驗實驗中，他發(fā)現(xiàn)除雷電造成的靜電噪聲外，還存在實驗中，他發(fā)現(xiàn)除雷電造成的靜電噪聲外，還存在第三種靜電噪聲他無法歸屬，便把它叫做不知起源第三種靜電噪聲他無法歸屬，便把它叫做不知起源的穩(wěn)固發(fā)生靜電噪聲。的穩(wěn)固發(fā)生靜電噪聲。當他的天線旋轉時，他發(fā)現(xiàn)這種未知靜電噪聲的產(chǎn)當他的天線旋轉時，他發(fā)現(xiàn)這種未知靜電噪聲的產(chǎn)生方向逐漸變化，在生方向逐漸變化，在24小時之內幾乎經(jīng)過了一個完小時之內幾乎經(jīng)過了一個完整的圓周變化。因為他自己并不是一個天文研究者，整的圓周變化。因為他自己并不是一個天文研究者，所以通過了較長一段時間的總結，推測這種靜電噪所以通過了較長一段時間的總結，推測這種靜電噪聲來自于地球

4、之外的某個源，因為靜電噪聲方向變聲來自于地球之外的某個源，因為靜電噪聲方向變化似乎與地球的自轉有關?；坪跖c地球的自轉有關。起初他認為這個源是太陽。不過，他注意到這種無起初他認為這個源是太陽。不過，他注意到這種無線電波輻射每天大約提前線電波輻射每天大約提前4分鐘達到高峰。分鐘達到高峰。射電天文學的誕生射電天文學的誕生 1.射電波的發(fā)現(xiàn)射電波的發(fā)現(xiàn)-央斯基的實驗央斯基的實驗 一恒星年實際上比在地球上觀察一恒星年實際上比在地球上觀察的日出或日落的數(shù)值長一天。的日出或日落的數(shù)值長一天。 因此，地球對于恒星的旋轉周期因此，地球對于恒星的旋轉周期（一恒星天）比一個太陽日（地（一恒星天）比一個太陽日（地球

5、繞日自傳周期）短大約球繞日自傳周期）短大約4分。分。 因此央斯基做出結論，這種放射因此央斯基做出結論，這種放射線的來源肯定比太陽遠。線的來源肯定比太陽遠。 經(jīng)過經(jīng)過1年多的精確測量和分析，年多的精確測量和分析，確認這種噪聲來自地球之外，銀確認這種噪聲來自地球之外，銀河系中心人馬座方向發(fā)射的一種河系中心人馬座方向發(fā)射的一種射電波。射電波。 射電天文學的誕生射電天文學的誕生 2、雷伯的射電望遠鏡、雷伯的射電望遠鏡 美國無線電工程師雷伯美國無線電工程師雷伯(Grote Reber)證實了央斯基的發(fā)現(xiàn)證實了央斯基的發(fā)現(xiàn)。 1937年他在自己家的后院中，研制年他在自己家的后院中，研制了一架直徑為了一架直

6、徑為9.6米的金屬拋物面天米的金屬拋物面天線，為現(xiàn)代無線電望遠鏡建造了樣線，為現(xiàn)代無線電望遠鏡建造了樣機；機； 對準了央斯基曾經(jīng)收到宇宙射電波對準了央斯基曾經(jīng)收到宇宙射電波的天空。的天空。 一開始尋找波長更短的放射線，認一開始尋找波長更短的放射線，認為這些波長在探測時更容易、強度為這些波長在探測時更容易、強度更強。更強。8/65射電天文學的誕生射電天文學的誕生 1939年年4月，當他將探測月，當他將探測波長縮短到波長縮短到1.87米，就發(fā)米，就發(fā)現(xiàn)了銀河系平面的強烈現(xiàn)了銀河系平面的強烈輻射波；輻射波； 還進一步發(fā)現(xiàn)了人馬座還進一步發(fā)現(xiàn)了人馬座射電源發(fā)射出許多不同射電源發(fā)射出許多不同波長的射電波

7、；波長的射電波；射電天文學的誕生射電天文學的誕生 3、射電天文學的誕生、射電天文學的誕生 雷伯又發(fā)現(xiàn)了其它新的射雷伯又發(fā)現(xiàn)了其它新的射電源，并在電源，并在1.9米的波長處米的波長處做出了第一幅做出了第一幅“射電天射電天圖圖”。 從此為以光學波段為主要從此為以光學波段為主要觀測手段的天文學揭開了觀測手段的天文學揭開了新的一頁，射電天文學誕新的一頁，射電天文學誕生了。生了。 射電天文學是利用射電望射電天文學是利用射電望遠鏡接收到的宇宙天體發(fā)遠鏡接收到的宇宙天體發(fā)出的無線電信號，研究天出的無線電信號，研究天體的物理、化學性質的一體的物理、化學性質的一門學科。門學科。射電天文學的誕生射電天文學的誕生

8、4、射電天文學的發(fā)展、射電天文學的發(fā)展 從央斯基的發(fā)現(xiàn)至今的從央斯基的發(fā)現(xiàn)至今的60多年來，射電天文學揭示多年來，射電天文學揭示了許多奇妙的天文現(xiàn)象，并取得了令人矚目的成就。了許多奇妙的天文現(xiàn)象，并取得了令人矚目的成就。 近代天文學的四大發(fā)現(xiàn)無一不奠基于射電天文學近代天文學的四大發(fā)現(xiàn)無一不奠基于射電天文學 類星體；類星體； 脈沖星；脈沖星； 星際分子星際分子 宇宙微波背景輻射；宇宙微波背景輻射； 在獲物理諾貝爾獎的項目中在獲物理諾貝爾獎的項目中 有有7項涉及天文學項涉及天文學 其中有其中有5項直接或主要通過射電天文學手段取得項直接或主要通過射電天文學手段取得的，這些反映了這一新興學科的強大生命

9、力。的，這些反映了這一新興學科的強大生命力。 中南大學測繪與國土信息工程系2022-6-13 射電天文學的誕生 射電干涉測量技術 國際VLBI技術的發(fā)展 中國VLBI技術的發(fā)展 VLBI技術在大地測量中的應用內容要點大氣窗口大氣窗口 宇宙中的各種天體會發(fā)出波長不同的電磁波信號,其中大部分信號在通過圍繞在地球四周的大氣層時，將被大氣層所吸收而無法到達地面。只有波長為0.4 0.76m的可見光，波長為0.762.5m的近紅外譜段，波長為3.54.2m的中紅外譜段和波長為814m的遠紅外譜段，以及波長在1.4mm，3.5mm，8mm附近的微波波段和波長大于1cm的微波波段的信號才能穿透大氣層而到達地

10、面,我們將其稱為大氣窗口。河外射電源河外射電源（1 1）正常射電星系：）正常射電星系：射電功率為10301034 w的星系稱正常射電星系。其無線電信號的輸出功率約為可見光信號輸出功率的百萬分之一。換言之，一般星系的信號基本上都是以可見光的形式輸出的。（2 2）特殊射電星系：）特殊射電星系：射電功率比正常射電星系強102106倍，已接近甚至超過可見光的輸出功率。多具有射電雙源，其射電來自星系光學像兩旁的延伸區(qū)。 （3 3）河外類星體：）河外類星體：類星體是20世紀60年代發(fā)現(xiàn)的一種新型天體。目前大多認為它是屬于星系一級的天體。類星體的體積很小，許多類星體的直徑只有1光年左右，約為普通星系直徑的十

11、萬分之一。然而它所發(fā)出的無線電信號的功率卻要比一般星系強百萬倍。于是類星體就成為射電觀測中非常理想的觀測目標。類星體也能發(fā)出很強的可見光信號，在照相底片上形成類似于恒星的點狀成像，其角直徑一般都小于1。利用類星體可以很方便地把光學觀測成果和射電干涉測量的成果相互聯(lián)系起來。由于正常射電星系所發(fā)出的無線電信號過于微弱，所以在射電干涉測量中主要觀測后兩類射電源，特別是河外類星體。射電觀測射電觀測1、射電天體、射電天體一般星系一般星系 體積大，直徑可達數(shù)十體積大，直徑可達數(shù)十至數(shù)百萬光年至數(shù)百萬光年 發(fā)射信發(fā)射信號以號以可見光可見光為主，無線為主，無線電信號非常微弱，其功電信號非常微弱，其功率約為可見

12、光的百萬分率約為可見光的百萬分之一左右。之一左右。 用光學天文望遠鏡、光用光學天文望遠鏡、光學經(jīng)緯儀觀測。學經(jīng)緯儀觀測。射電觀測射電觀測1、射電天體、射電天體河外類星體河外類星體 體積小，直徑一般為體積小，直徑一般為1光年左光年左右。右。 既發(fā)射既發(fā)射可見光可見光，也發(fā)射，也發(fā)射無線無線電信號電信號，且無線電信號發(fā)射，且無線電信號發(fā)射功率為一般星系的百萬倍；功率為一般星系的百萬倍；可以用可以用射電望遠鏡射電望遠鏡觀測?？捎^測?？梢砸砸砸渣c狀攝像點狀攝像。 這樣可以將天文光學觀測和這樣可以將天文光學觀測和射電干涉測量的成果結合起射電干涉測量的成果結合起來。來。射電望遠鏡及其分辨率射電望遠鏡及其分

13、辨率 射電望遠鏡是一種能接收和處理來自太空的無線電射電望遠鏡是一種能接收和處理來自太空的無線電信號的裝置，由巨大的拋物面天線，高精度的原子信號的裝置，由巨大的拋物面天線，高精度的原子鐘，數(shù)據(jù)接收和處理設備等組成。鐘，數(shù)據(jù)接收和處理設備等組成。 利用射電望遠鏡進行觀測時其角分辨率可用下列利用射電望遠鏡進行觀測時其角分辨率可用下列公式來估算：公式來估算： 式中式中 為角分辨率，為角分辨率， 為射電望遠鏡所接收的無線為射電望遠鏡所接收的無線電信號的波長，通常為電信號的波長，通常為13cm和和3.6cm, 為射電望遠為射電望遠鏡接收天線的口徑。鏡接收天線的口徑。 DArecibo Radio Tele

14、scope 305m阿雷西博(Arecibo)天文臺，波多黎各（西印度群島），USA直徑：305m、51米深、 1974年建成占地大約20英畝，40000塊鋁制面板組成，900噸的接收平臺射線頻率: 50 MHz (6m) 10,000 MHz (3cm). 干涉測量干涉測量1 干涉測量的提出角分辨率的提高要求，途徑： 增加D； 減少工程難度； 做法 由兩個（多個）射電望遠鏡構成的虛擬大射電望遠鏡； 可以將射電望遠鏡之間的距離任意調整，采用干涉測量技術。聯(lián)線干涉測量甚長基線干涉測量聯(lián)線干涉測量聯(lián)線干涉測量的提出的提出為較大幅度的提高角分辨率，有人提出了聯(lián)線干涉測量的方法。通過此方法我們就組成了

15、一臺虛擬的口徑為D的大射電望遠鏡。此時D即為兩臺射電望遠鏡的距離。聯(lián)線干涉測量的聯(lián)線干涉測量的局限性局限性： 電纜價格較貴，且鋪設電纜的工作量也較大。電纜價格較貴，且鋪設電纜的工作量也較大。 由于溫度和外界環(huán)境的不同，兩根電纜所產(chǎn)生的熱脹冷縮及介由于溫度和外界環(huán)境的不同，兩根電纜所產(chǎn)生的熱脹冷縮及介 電系數(shù)的變化也不相同，從而使電系數(shù)的變化也不相同，從而使A A，B B的傳送時間也不嚴格相同，的傳送時間也不嚴格相同，從而影響結果的精度。這種誤差會隨著距離的增加而變大。所以從而影響結果的精度。這種誤差會隨著距離的增加而變大。所以聯(lián)線干涉測量的距離一般被限制在幾十公里以內，至今為止，最聯(lián)線干涉測量

16、的距離一般被限制在幾十公里以內，至今為止，最長的間距為長的間距為217217公里。公里。聯(lián)線干涉測量實現(xiàn)方法 從兩臺相距從兩臺相距d的射電望遠鏡的射電望遠鏡A和和B接收的某一射電源的接收的某一射電源的設電信號設電信號RA和和 RB,經(jīng)過兩經(jīng)過兩根等長電纜分別進入混頻根等長電纜分別進入混頻器器1和和2，與信號，與信號 RA和和 RB 混頻形成差頻信號混頻形成差頻信號RA和和 RB。 這兩個中頻信號經(jīng)過兩根這兩個中頻信號經(jīng)過兩根等長電纜進入干涉器，相等長電纜進入干涉器，相關處理兩種信號間的時延關處理兩種信號間的時延（觀測值）。（觀測值）。本振信號混頻器1混頻器2干涉器RARARBRB時延AB時延聯(lián)

17、線干涉測量在美國新墨西哥州的特大天線排列在美國新墨西哥州的特大天線排列Very Large Array (VLA) D聯(lián)線干涉測量澳大利亞：An artists conception of the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) 甚長基線干涉測量的提出甚長基線干涉測量的提出如前所述，由于經(jīng)費及精度等原因，進行聯(lián)線干涉測量時如前所述，由于經(jīng)費及精度等原因，進行聯(lián)線干涉測量時A、B兩站間的距離無兩站間的距離無法繼續(xù)增加，為了進一步提高射電測量的角分辨率，就必須設法突破電纜所造法繼續(xù)增加，為了進一步提高射電測量的角分辨率，就必須設法突破電纜所造成的約束。成

18、的約束。20世紀科學技術水平的迅猛發(fā)展使我們有可能做到這一點：世紀科學技術水平的迅猛發(fā)展使我們有可能做到這一點： 由于高精度的計時工具和頻率標準的出現(xiàn)（例如氫原子鐘）使我們有可能在由于高精度的計時工具和頻率標準的出現(xiàn)（例如氫原子鐘）使我們有可能在A、B兩地用兩臺氫原子鐘來取代原來的本振信號。這兩臺原子鐘所給出的頻率兩地用兩臺氫原子鐘來取代原來的本振信號。這兩臺原子鐘所給出的頻率可視為是完全相同的，故可以用他們來取代聯(lián)線干涉測量中的本振和送往混頻可視為是完全相同的，故可以用他們來取代聯(lián)線干涉測量中的本振和送往混頻的電纜。的電纜。 由于高精度的氫原子鐘和高密度的記錄設備的出現(xiàn)，可以使由于高精度的氫

19、原子鐘和高密度的記錄設備的出現(xiàn)，可以使A、B兩臺射電望遠兩臺射電望遠鏡分別接收到的信號和當?shù)氐臍湓隅姷男盘柾瑫r記錄在磁帶上，然后再送往鏡分別接收到的信號和當?shù)氐臍湓隅姷男盘柾瑫r記錄在磁帶上，然后再送往相關處理器進行事后處理。由于這兩臺氫鐘能保持嚴格同步，鐘信號又與觀測相關處理器進行事后處理。由于這兩臺氫鐘能保持嚴格同步，鐘信號又與觀測值一起記錄在磁帶上，這就使我們有可能通過事后回放的記錄來求出不同時刻值一起記錄在磁帶上，這就使我們有可能通過事后回放的記錄來求出不同時刻射電信號到達射電信號到達A、B兩地的時間延遲量兩地的時間延遲量 。于是聯(lián)線干涉測量中通往乘法器的兩。于是聯(lián)線干涉測量中通往乘

20、法器的兩根電纜也可以取消。從而使兩個射電望遠鏡相互獨立。兩臺間的距離不再受電根電纜也可以取消。從而使兩個射電望遠鏡相互獨立。兩臺間的距離不再受電纜線的限制，可以方便的擴充至數(shù)千甚至上萬公里。這種纜線的限制，可以方便的擴充至數(shù)千甚至上萬公里。這種射電干涉測量方法被射電干涉測量方法被稱為甚長基線干涉測量稱為甚長基線干涉測量甚長基線干涉測量實現(xiàn)方法甚長基線干涉測量實現(xiàn)方法 每一臺射電望遠鏡采用每一臺射電望遠鏡采用氫鐘保證時間同步，代氫鐘保證時間同步，代替站間的電纜連線。替站間的電纜連線。 距離可以達到地球直徑。距離可以達到地球直徑。 數(shù)據(jù)記錄采用磁帶，可數(shù)據(jù)記錄采用磁帶，可以事后處理。以事后處理?；?/p>

21、本原理基本原理 觀測量：觀測量： 未知參數(shù)：未知參數(shù)：AB基基線向量、射電源方線向量、射電源方向。向。甚長基線干涉測量的原理甚長基線干涉測量的原理Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory 射電望遠鏡是一種能接收和處理來自太空的無線電信號的裝置，由巨大的拋物面天線，高精度的原子鐘，數(shù)據(jù)接收和處理設備等組成。HartRAO VLBI equipment 主主主主講講講講：魏魏魏魏二二二二虎虎虎虎 空間VLBI（SVLBI）空間VLBI（SVLBI）空間VLBI由以下幾部分組成： SVLBI站 地面VLBI站 地面跟蹤站 相關處理中心空間空間VLBI測量原

22、理測量原理30/65 安裝在空間的天線與地面天線網(wǎng)絡一起安裝在空間的天線與地面天線網(wǎng)絡一起觀測共同的射電源；觀測共同的射電源； 將接收信號通過數(shù)字信號或模擬數(shù)字信將接收信號通過數(shù)字信號或模擬數(shù)字信號連接轉播到地面遙測站。號連接轉播到地面遙測站。 空間天線的頻率是基于地面的氫脈鐘，空間天線的頻率是基于地面的氫脈鐘，由地面遙測站直接依次轉播到衛(wèi)星（又由地面遙測站直接依次轉播到衛(wèi)星（又稱相位傳遞）。這種相位傳遞的穩(wěn)定性稱相位傳遞）。這種相位傳遞的穩(wěn)定性要求很高（大約要求很高（大約110-14）。）。 中頻信號（中頻信號（IF）數(shù)據(jù)傳到地面記錄在磁）數(shù)據(jù)傳到地面記錄在磁帶上。帶上。 這些磁帶和地面這些

23、磁帶和地面VLBI的磁帶一起收集在的磁帶一起收集在中心處理站來進行互相關處理和圖像處中心處理站來進行互相關處理和圖像處理。理。SVLBI觀測量類型三種類型 地面-地面時間延遲和延遲率：這些同地面VLBI可觀測量相同。 地面-空間時間延遲和延遲率：地面天線和安裝在SVLBI衛(wèi)星上天線之間的觀測量。 空間-到-空間時間延遲和延遲率：安裝在兩個SVLBI衛(wèi)星上的天線之間的觀測量?？臻gVLBI的發(fā)展計劃1、俄羅斯俄羅斯RadioAstron前蘇聯(lián)在前蘇聯(lián)在80年代中期提出的年代中期提出的SVLBI計劃，計劃，現(xiàn)由俄羅斯莫斯科列別捷夫（現(xiàn)由俄羅斯莫斯科列別捷夫（Lebedev）物理研究所的天文空間中心物

24、理研究所的天文空間中心ASC領導。領導。計劃發(fā)射一個計劃發(fā)射一個10m口徑的射電望遠鏡；口徑的射電望遠鏡；最高分辨率最高分辨率:30as ;任務任務建立高精度的天文坐標參考系統(tǒng)；建立高精度的天文坐標參考系統(tǒng)；建立高精度的地球重力場模型建立高精度的地球重力場模型天體物理天體物理空間VLBI的發(fā)展計劃2、日本、日本VSOP 1997 計劃在計劃在2012年由年由ISAS贊助贊助VSOP后繼的任務后繼的任務 科學目標科學目標毫米級波段微波觀測毫米級波段微波觀測完成活動星系核中心特完成活動星系核中心特大質量黑洞周圍增長磁大質量黑洞周圍增長磁圈和噴氣式加速區(qū)域的圈和噴氣式加速區(qū)域的成像問題成像問題南天區(qū)

25、射電源研究南天區(qū)射電源研究以及證明遠射電源磁力以及證明遠射電源磁力圈結構圈結構 。空間空間VLBI的發(fā)展計劃的發(fā)展計劃3、美國航空航天局、美國航空航天局(NASA) ALFA(the Astronomical Low Frequency Array)計劃計劃; 計劃由計劃由16顆安裝射電望遠鏡顆安裝射電望遠鏡的小型人造衛(wèi)星群組成空間的小型人造衛(wèi)星群組成空間射電望遠鏡陣列射電望遠鏡陣列; 一起工作如一個單一的射電一起工作如一個單一的射電波望遠鏡；波望遠鏡； 距離地球約達一百萬公里。距離地球約達一百萬公里。 遠遠高于地球大氣層，觀測遠遠高于地球大氣層，觀測條件不受大氣窗口的限制。條件不受大氣窗口的

26、限制。 實時實時VLBI（e-VLBI）實時VLBI（簡稱eVLBI：/wiki/EVLBI#e-VLBI ）技術是在高速數(shù)據(jù)記錄設備、海量存儲設備、高速互聯(lián)網(wǎng)等一系列技術飛速發(fā)展的基礎上對傳統(tǒng)VLBI的一項重大改進，利用高速互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)取代記錄媒介的郵寄，是未來VLBI 技術發(fā)展的一個方向。實時VLBI大大縮短了從觀測到成像的時間間隔，非常適合觀測短時標瞬變天文現(xiàn)象，有利于天文學家在天體爆發(fā)的瞬間捕捉到稍縱即逝的信息，這些信息對于研究強烈的宇宙現(xiàn)象非常重要。實時VLBI技術也被應用到對人造航天器進行高精度測定軌中。中南大學測繪與國土信息工程系2022-6-13 射電天文學的誕生 射電干涉測量技術 國際VLBI技術的發(fā)展 中國VLBI技術的發(fā)展 VLBI技術在大地測量中的應用內容要點中南大學測繪與國土信息工程系2022-6-13 射電天文學的誕生 射電干涉測量技術 國際VLBI技術的發(fā)展 中國VLBI技術的發(fā)展 VLBI技術在大地測量中的應用內容要點烏魯木齊南山烏魯木齊南山上海佘山上海佘山貴州貴州500m貴州貴州500m烏魯木齊南山烏魯木齊南山上海上海佘山佘山貴州貴州500m