Radioninterferometrie mit großen Basislängen (VLBI) Teil II

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    06-Jul-2016

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  • Eugen Preuss

    Der Signalweg: technische Realisierung und Kenngroaen

    Die Signalverarbeitung verlauft uber mehrere zeitlich und teilweise raumlich deutlich ge- trennte Stufen, die jeweils eine neue Genera- tion von MeBgrogen hervorbringen. Im fol- genden werden die technische Realisierung der wichtigsten Verfahrensschritte sowie Gute und Grenzen der MeBmethode beschrieben.

    Zur Zeit sind hauptsachlich zwei Systeme zur Aufzeichnung und Korrelation der MeRdaten in Gebrauch. Es sind dies das am National Ra- dio Astronomy Observatory in den USA zur Reife gebrachte sogenannte Mark 11-System mit einer Bandbreite von 2 MHz und das neuere am Haystack Observatory, USA, ent- wickelte und noch im Ausbau befindliche Mark 111-System mit einer Bandbreite von 56 M H z (siehe Rogers et al. (1983)). Etwa 20 Sta- tionen besitzen ein Mark 11- und etwa 10 Sta- tionen ein Mark 111-Aufnahmeterminal. In beiden Systemen erfolgt die Datenverarbei- tung digital. Magnetbander werden zur Zwi- schenspeicherung der Antennensignale ver- wendet sowie spezielle Prozessoren zur Be- rechnung der Korrelationskoeffizienten.

    Die wichtigsten Beobachtungswellenlangen sind 1,3; 2,s; 6; 18; 21; 50 und 90 cm. Zuneh- mend werden auch 3,s und 13 cm fur simul- tane Beobachtung bei zwei Frequenzen ge- brauchlich. Die kurzeste Wellenlange, bei der Pilotexperimente erfolgreich waren, ist 4 mm.

    Signalempfang und Aufzeichnung

    Die Aufgabe eines Interferometerelements ist es, die vom Strahlungsfeld in der Antenne in- duzierten Spannungsfluktuationen phasenge- treu aufzuzeichnen. Die wichtigsten Schritte d a m sind: Vorverstarkung des meist sehr schwachen Signals, Frequenzumsetzung von der Beobachtungsfrequenz im GHz-Bereich in den Frequenzbereich von 0 H z bis zu Band- breite B, Abtastung des Signals und Abspei- cherung auf Magnetband. Zur Realisierung dieser Operationen sind an jeder VLBI- Station folgende Instrumente erforderlich: eine moglichst groRe vollbewegliche Emp- fangsantenne, ein rauscharmes Empfangssy- stem, eine stabile Frequenz- und Zeitanlage und ein VLBI-Aufnahmeterminal. Man be- achte, dai3 in diesem Verarbeitungsstadium der vom Beobachtungsobjekt herriihrende Signal- anteil meist nur ein kleiner Bruchteil der gesamten Antennenspannung ist. Der weit

    Radiointerferometrie mit grogen Basislangen (VLBI) Teil 11 grogere Anteil ist Eigenrauschen der Emp- fangsanlage, Strahlung der Atmosphare und Strahlung aus ausgedehnten Emissionsgebie- ten.

    Die Antennen sind meist Parabolantennen mit einem Durchmesser von mehr als 20 m. Ihre Richtgenauigkeit mug gut sein, damit das Be- obachtungsobjekt im Nachfuhrbetrieb immer im Maximum der Empfangscharakteristik bleibt. Die Winkelauflosung des Interferome- ters oder die Genauigkeit der Positionsmes- sung des Interferometers sind davon aller- dings unabhangig; sie sind lediglich durch die Basislange bestimmt.

    Kernstuck der Empfangssysteme sind heutzu- tage parametrische Verstarker, Maserempfan- ger oder FETs (Feldeffekt-Transistoren) rnit typischen Rauschtemperaturen TI 5 150 K. Die Temperatur T, ist dabei uber die spektrale Rauschleistung kTs definiert.

    Garant der Phasenstabilitat der gesamten Si- gnalverarbeitung ist die Atomuhr. Sie steuert das gesamte Frequenzsystem, die Abtastung des Signals und die Zeitmarkierung der Me& daten. Die heute besten Atomuhren fur die in der VLBI wichtige Zeitskala bis zu etwa 1000 s sind Wasserstoffmaser. Ihre relative Frequenz- stabilitat ist besser als 10-14. Zwei solcher Frequenznormale geraten bei 10 G H z (3 cm Wellenlange) erst nach mehr als einer Viertel- stunde ,,auger Tritt". Nach dieser Zeit, der ,,Interferometerkoharenzzeit", erreicht die Fluktuation ihrer Relativphase im quadrati- schen Mittel 1 radian.* Der Uhrenstand, d. h. die Synchronisation der Atomuhren, ist im all- gemeinen unkritisch. Er ist meist auf einige Mikrosekunden genau durch gelegentlichen Vergleich mit transportablen Atomuhren, durch Vergleich mit dem Navigationssystem LORAN C und nicht zuletzt aus vorherge- henden VLBI-Experimenten bekannt.

    Im VLBI-Terminal geschieht die letzte Fre- quenzumsetzung in den Videobereich, auger- dem die digitale Abtastung des Signals mit 1 bit pro MeQwert. Das bedeutet, daR nur das Vorzeichen der momentanen Spannungsfluk- tuation aufgezeichnet wird. GemaR dem Ab- tasttheorem werden 2 B, d.h. im Falle des Mark 11-Systems 4 Megabit/s auf Magnetband abgespeichert. Von jedem Bit mug fur die

    "1 radian ist der Winkel im Bogenmag vom Betrag 1. Er entspricht 360/(2n) = 5 7 , 3 O im Gradmaf3.

    Pbysik in unserer Zeit / 16. Jahrg. 1985 / Nr. 5 0 VCH Verlagsgesellscbafi mbH, 0-6940 Weinheim, 1985 0031-9252/85/0509-0153 $ 02.50/0

    spatere Korrelation die Ankunftszeit nach der Internationalen Atomzeit (TAI) bekannt sein. Dies wird gewahrleistet durch implizite (durch genauen Zeichenabstand) und explizite Zeitmarkierung 60 ma1 pro Sekunde. Beim Mark 11-System werden Videokassetten mit einem Fassungsvermogen von 4 Beobach- tungsstunden als Datenspeicher verwendet. Beim Mark 111-System fafit ein Magnetband z. Zt. bei voller Bandbreite von 56 MHz erst die Datenmenge von 13 min. Bei aller sonsti- gen Eleganz ist dies noch eine ausgesprochene Schwachstelle des Breitbandsystems.

    Korrelation

    VLBI-Auswertezentren gibt es am MPI fur Radioastronomie in Bonn (Mk 11- und Mk III- System), am National Radio Astronomy Ob- servatory in Charlottesville, Virginia/USA (Mk 11-System), am Haystack Observatory, Mass./USA (Mk 111-System) und am CalTech in Pasadena, Kalifornien/USA (Mk 11- und Mk 111-System).

    Ein VLBI-Prozessor besteht im wesentlichen aus dem eigentlichen Korrelator, einem ,,fest- verdrahteten" Spezialrechner, weiter dem Steuerrechner, der die gesamte Datenverarbei- tung in dieser Verarbeitungsstufe kontrolliert, ferner einer Uhr und den Magnetbandgeraten zur Reproduktion ("playback") der Mei3da- ten. Heute konnen bis zu 5 Stationen gleich- zeitig in einem Prozessor korreliert werden.

    Eingangsdaten sind die an jeder Station regi- strierten Spannungsfluktuationen Vi. Die Ausgangsgroge, also das Interferenzsignal, ist der laufend berechnete Korrelationskoeffi- zient fur ie zwei Stationen

    pi$) = < Vi(t)Vj- (t + Tg + 2) > /

    vr< vivi* > < viv; > (10) fur verschiedene Werte der Laufzeitvariablen 2 (siehe Abbildung 5), die um den Wert T = 0 herum genommen werden. Die Klammern be- deuten Zeitmittel mit typischen Integrations- zeiten kleiner gleich 2 s. Es sei daran erinnert, dai3 pij aus Daten berechnet wird, die nur noch das Vorzeichen der Spannungswerte enthal- ten. Der Preis fur diese sparliche Eingangsin- formation ist lediglich ein geringer Verlust im SignaVRausch-Verhaltnis. Die tatsachlichen Werte von pi; liegen in der Gronenordnung loF3 bis Der genaue Ablauf der Korrela- tionsbestimmung ist in Informationskasten 111 beschrieben.

    153

  • Zur Bestimmung der Observablen

    Der nachste Schritt ist nun die Analyse des un- mittelbaren Korrelationsergebnisses, also die Bestimmung von Amplitude A, der Phase 0 + Y des Interferenzsignals sowie der Laufzeit- differenz zg und Streifenfrequenz vS. Bei exak- ter Kenntnis aller geometrischen GroBen des Interferometers vor der Korrelation ware das Korrelationsmaximum exakt bei z = 0 und die Reststreifenfrequenz (nach der Streifenbeseiti- gung) ware ebenfalls Null. Dies ist jedoch in Wirklichkeit nicht der Fall, vielmehr liegen die ,,Restwerte" T~ und vr, d. h. die Differenzen zwischen gemessenen und erwarteten Werten, in der Grofienordnung 5 0.1 ks und 5 10 Millihertz. Aus diesen Restwerten erhalt man direkt neue genauere Megwerte fur zg und v,.

    Die Interferenzamplitude A(d/k), Trager von Bildinformation, wird fur das Korrelations- maximum bestimmt. Als Betrag des 1-Bit- Korrelations-Koeffizienten mug diese ,,Roh- amplitude" jedoch noch in physikalischen Einheiten geeicht werden. Dies geschieht am einfachsten durch Beobachtung von Punkt- quellen, von denen man weiB, dai3 sie 100% koharent sind, ihre Interferenzamplitude also gleich dem GesamtfluB ist. Auf den kleinsten Winkelskalen x lo-'" sind jedoch zumindest

    Informationskasten IIk

    Einzelheiten zur Ermittlung der Korrelation

    Dem Steuerrechner werden zu Anfang eines Korrelationslaufs alle relevanten Daten zur Geornetrie der MeBanordnung mitgeteiit wie Quellenposition, Stationskoordinaten, Unter- schied zwischen Atom- und Sonnenzeit, Uhrenfehler usw. Aus diesen Werten werden laufend die aktuellen Werte von Laufzeitdiffe- renz tg und Streifenfrequenz V, berechnet. Die Hauptaufgabe des Steuerrechners ist es nun, folgende Operationen zu kontrollieren:

    - Laufzeitkompensation (delay tracking) vor der Korrelation, das ist die Synchronisation der ,,Bit-Strome" durch gegenseitige Verschie- bung um zg auf 0,25 Mikrosekunden genau, so daf3 T -+ 0. Dies geschieht durch Steuerung der Winkelposition der Magnetbander und mit Hilfe von digitalen Pufferspeichern.

    - Beseitigung oder Verlangsamung der Strei- fenfrequenz vor der Korrelation, und zwar durch entsprechende Mischung (Multiplika- tion) des Signals einer Station mit einem si-

    alle starkeren Quellen teilweise aufgelost und damit nicht mehr zur Kalibration geeignet. In solchen Fallen werden zur Kalibration theore- tisch erhaltene Beziehungen herangezogen, die den EinfluB der Instrumentenparameter auf den Korrelationskoeffizienten beschrei- ben.

    Entscheidende Voraussetzung fur die MeBbar- keit des Interferenzsignals, die Brauchbarkeit der Interferometerphase CP + Y und die MeB- genauigkeit von und V, ist die Empfindlich- keit des Interferometers. Die Empfindlichkeit ist umso hoher je geringer das Rauschen, d. h. die statistischen Schwankungen der Interfe- renzamplitude, bzw. nach Eichung, der ,,kor- relierten FluQdichte" S, sind. Fur die Kombi- nation der grogten Radioteleskope und 50 MHz Bandbreite liegen die kleinsten meaba- ren Interferenzamplituden in der Grofienord- nung W/(m2 Hz). Fur viele Aufgaben ist diese Empfindlichkeit erforderlich, wenn- gleich die starksten kompakten Radioquellen etwa 1000 ma1 starker sind. Allgemein gilt: Die Empfindlichkeit eines Interferometers ist umso hoher, je grof3er die Bandbreite B, je langer die koharente Integrationszeit T, (also je phasenstabiler das Interferometer), je groi3er die effektiven Auffangflachen Ae der Antennen und je kleiner das Eigenrauschen T,

    nusformigen Signal der erwarteten Streifen- frequenz. Dies bewirkt im Interferenzsignal eine Umsetzung des schnell oszillierenden Anteils aus dem kHz- in den Millihertz- Bereich (lobe rotation),

    - Die Korrelation der Daten, d. h. die Be- rechnung von P;~ fur 32 (Mark 11-System) ver- schiedene Werte von T (um z - 0), im Abstand von 0,25 ps (siehe Abbildung 6). Berechnet wird der komplexe Wert von pij. Dazu wird bei der gerade vorher beschriebenen Operation das Signal einer Station in zwei Aste aufge- spalten, deren Mischsignale beide dieselbe Frequenz V, haben, sich aber in der Phasenlage um 90' unterscheiden (phase quadrature). pii besteht auf diese Weise aus einem ,,Cosinus"- und einem ,,Sinus"-Anteil. Sie entsprechen dem Real- und Imaginarteil des komplexen Interferenzsignals, aus dem sich dann Ampli- tude und Phase in bekannter Weise berechnen lassen.

    - Abspeicherung der komplexen Korrela- tionskoeffizienten auf Magnetband zur wei- teren Analyse mit Hilfe eines Universalrech- ners. Abbildung 6 zeigt den Ausschnitt eines derartigen ,,Interferogramms".

    der Empfangssysteme sind. Genauer formu- liert man:

    T, und sind geometrische Mittel fur je zwei Stationen. 1st S/R das Signal/Rausch-Verhalt- nis, so gilt fur die MeBgenauigkeit von zg und VS

    Azg - l/(B.S/R) und (12) Av, - I/(Tk,S/R). (13) Mit dem Mark 111-System lafit sich durch Spreizung der Bandbreite auf 300 MHz und fur S/R = 100 eine Genauigkeit in der Lauf- zeitmessung von etwa 0,03 ns oder 1 cm Licht- weg erreichen.

    Wissenschaftliche Anwendungen der VLBI

    MeJ3groJ3en und Genauigkeiten

    Wichtige anwendungsnahe Mei3groBen stellen, wie bereits erwahnt, Bildstruktur und Position von Strahlungsquellen, vektorieller Abstand von Interferometerelementen und Rotations- vektor der Erde dar. Astrophysik und Geophysik sind daher offensichtliche Anwen- dungsgebiete. Man kann von VLBI-Messun- gen Aufschlusse uber alle astrophysikalischen Prozesse erwarten, die mit ,,kompakten" Ra- dioquellen assoziiert sind, ebenso uber alle geophysikalischen Vorgange, die den Abstand von Punkten auf der Erdoberflache oder die Erdrotation verandern. Auch alle Effekte, welche die Ausbreitungs-Richtung von Radio- strahlung beeinflussen, wie die Lichtablen- kung im Gravitationsfeld, lassen sich mit VLBI untersuchen. Hohes Winkelauflosungs- vermogen und Prazision von Zeit- und Ab- standsmessung offnen den Zugang zu astrono- mischen und globalen geophysikalischen Pro- zessen, die fur die zeitliche Variation von Phanomenen auf den relativ kurzen Skalen von Jahren, Monaten oder Tagen verantwort- lich sind. Zunehmende Prazision in der Mes- sung bedeutet auch wachsende Verkopplung von astronomischen und erdbezogenen Effek- ten. Anschaulich gesprochen: Wenn ich den Himmel genugend genau betrachte, bekomme ich zu spiiren, dafi sich der Erdboden unter mir bewegt und die Erde ungleichmagig ro- tiert. So sind denn auch ein prazises globales geodatisches Bezugssystem, markiert durch Radioantennen auf der Erdoberflache, und ein kosmisches Bezugssystem, definiert durch kompakte extragalaktische Radioquellen, im

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  • ProzeQ zunehmender Genauigkeit jeweils wechselseitig sowohl Voraussetzung als auch Ziel der Messung. Dieses Ziel ist sowohl me& technisch als auch wissenschaftlich von funda- mentaler Bedeutung. Jedes globale Bezugssy- stem wird bei Erreichen der crn-Genauigkeit zeitabhangig sein und die ganze ,,Ruhelosig- keit" der Erde widerspiegeln, wahrend man hoffen kann, dal3 rnit einern Fundamentalka- talog extragalaktischer Radioquellen ein kos- rnisches Inertialsystern mit einer Positionsge- nauigkeit von N definiert wird.

    Die bisher erreichten Meggenauigkeiten lie- gen fur Basislangen oder andere abstandsar- tige GroBen bei einigen Zentimetern, fur die Tageslange bei 0,5 rns, fur Positionen von Ra- dioquellen bei < und fur den Winkel- abstand (Relativposition) zweier Quellen in der Grogenordnung 0,5O bei 3 Erklar- te Ziele sind Genauigkeiten von 1 crn fur Abstande, 0,l ms fur die Tageslange, fur Winkelpositionen und w5" fur Winkel- abstande in der Grogenordnung von Bogen- minuten. Die angestrebte Prazision entspricht der Genauigkeit von 0,03 ns fur Laufzeitmes- sungen. Dieser Wert wird rnit einem VLBI- System der effektiven Bandbreite von 300 MHz derzeit erreicht. Die Tabelle 4 fagt die Kenndaten der VLBI nochrnals zusarnmen.

    Die Information tragenden Meflgroflen lassen sich nur dann mit der genannten Prazision messen, wenn es gelingt, die ganze Meflanord- nung stabil uber langere Zeitraurne zu eichen, d. h. alle instrumentellen und atmosphari- schen Storeffekte vollstandig und genau zu er- fassen, damit sie elirniniert werden konnen. Den grogten Aufwand erfordert dabei voraus...

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