甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量（用于射電天文學(xué)中的測量方法）
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甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量
用于射電天文學(xué)中的測量方法
甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量（簡(jiǎn)稱(chēng)：VLBI）是一種用于射電天文學(xué)中的天文干涉測量方法。它允許用多個(gè)天文望遠鏡同時(shí)觀(guān)測一個(gè)天體，模擬一個(gè)大小相當于望遠鏡之間最大間隔距離的巨型望遠鏡的觀(guān)測效果。
甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量的基礎是時(shí)間同步和相位同步。時(shí)間同步是兩個(gè)觀(guān)測天線(xiàn)的時(shí)間一致，相位同步是接收到的頻率信號的相位之間一致，實(shí)際上也是時(shí)間同步。
甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量的原理是把兩測站經(jīng)混頻后的信號分別記錄在各測站的磁帶上（不用公共的時(shí)鐘，而是各測站有自己的時(shí)鐘，時(shí)標信號也同時(shí)記錄在磁帶上）。觀(guān)測結束后，再將兩測站的磁帶送到處理系統, 進(jìn)行數據回放和相關(guān)處理。利用這種辦法, 只要能同時(shí)看到源，基線(xiàn)的長(cháng)度就幾乎不受限制。
基本信息
| 中文名 | 甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量 |
| 外文名 | very long baseline interferometry |
| 提出時(shí)間 | 1931年 |
發(fā)展歷史
1937年美國人格羅特·雷伯在自家的后院建造了一架口徑9.5m的天線(xiàn)，并在1939年接收到了來(lái)自銀河系中心的無(wú)線(xiàn)電波，并且根據觀(guān)測結果繪制了第一張射電天圖，射電天文學(xué)從此誕生。雷伯使用的那架天線(xiàn)是世界上第一架專(zhuān)門(mén)用于天文觀(guān)測的射電望遠鏡。
20世紀60年代，天文學(xué)取得了四項非常重要的發(fā)現：脈沖星、類(lèi)星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子，被稱(chēng)為“四大發(fā)現”，這四項發(fā)現都與射電望遠鏡有關(guān)。
20世紀60年代，最大的單孔徑射電望遠鏡直徑305米；
1962年，英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗室的馬丁·賴(lài)爾（Ryle）利用基線(xiàn)干涉的原理，發(fā)明了綜合孔徑射電望遠鏡，大大提高了射電望遠鏡的分辨率。其基本原理是：用相隔兩地的兩架射電望遠鏡接收同一天體的無(wú)線(xiàn)電波，兩束波進(jìn)行干涉，其等效分辨率最高可以等同于一架口徑相當于兩地之間距離的單口徑射電望遠鏡。賴(lài)爾因為此項發(fā)明獲得1974年諾貝爾物理學(xué)獎。
技術(shù)內容
測量原理
原理圖示
觀(guān)測方程
設被觀(guān)測的射電源方向(赤緯δ，赤經(jīng)λ)已知，在地心直角坐標系中，該兩面射電望遠鏡位置間的坐標差(,,)同觀(guān)測量間的基本觀(guān)測方程為：
c+ωcosδ(sinλ-cosλ)+ =-cosδcosλ-cosδsinλ-sinδz+c(+t)，其中c是光速；左端第二項是自轉項，ω是自轉角速度，、用適當近似值代入計算；是觀(guān)測誤差;+t代表時(shí)延中來(lái)自?xún)x器的部分。上式假設所有必須的改正均已作過(guò)，包括極移、周日極移、歲差、章動(dòng)、傳播介質(zhì)、測站、和海潮負荷等。否則，在觀(guān)測方程式中須有相應的待定參數。
時(shí)延的觀(guān)測精度很高，已達到 0.1毫秒，相應的距離是3厘米。而且這種方法是純幾何性的測量，基本不涉及，測量的距離也只受地球自身的限制。所以，這種技術(shù)可以以厘米級的精度對全球進(jìn)行測量。被觀(guān)測的射電源是銀河系以外的類(lèi)星體，距離極遠，它們的自行每年不大于0.0001″，射電源位置的精度已優(yōu)于0.01″，還可更高，以此為參考的坐標系是很穩定的，是迄今為止可以利用的最好的慣性參考系。此外，這種技術(shù)測量速度快，幾天或幾小時(shí)的觀(guān)測就可得出滿(mǎn)意的結果。觀(guān)測完全不受氣象條件的限制，可全天候工作。所有這些，使它必將成為地球測量、地球動(dòng)態(tài)測量和天體測量的特別有力的手段。
誤差改正
理論延遲和延遲率
為了用最小二乘法進(jìn)行地球動(dòng)力學(xué)參數的計算，需要計算理論延遲和延遲率。理論延遲和延遲率計算是一個(gè)比較復雜的過(guò)程，它除了計算幾何延遲和延遲率之外，還需要計算各項附加延遲和延遲率改正量，如大氣延遲和延遲率等。另外，由于測站位置受到上面提到的地球固體潮、海潮載荷和大氣載荷等影響而隨時(shí)間變化，所以計算不同時(shí)刻的理論延遲和延遲率時(shí)，也必須加以相應的改正。
操作規范
系統組成
1、甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量的組成單位為射電望遠鏡，射電望遠鏡包含收集無(wú)線(xiàn)電波的定向天線(xiàn)、放大電波信息的高靈敏度的接收機、信息記錄終端、氫原子鐘保證時(shí)間同步、處理和顯示系統五大部分。一個(gè)完整的VLBI系統需要至少兩個(gè)觀(guān)測點(diǎn)。
2、數據處理中心。定向天線(xiàn)收集同一天體的射電輻射，接收機將這些信號加工、轉化成可供記錄和顯示的形式，終端設備把信號記錄下來(lái)，并按特定的要求進(jìn)行數據回放和處理，然后顯示大地測量的延遲和延遲率觀(guān)測量等。
測量方式
1、投射來(lái)的電磁波被一精確鏡面反射后，同相到達公共焦點(diǎn)。用旋轉拋物面作鏡面易于實(shí)現同相聚焦，因此，射電望遠鏡天線(xiàn)大多是拋物面。射電望遠鏡表面和一理想拋物面的均方誤差如不大于λ/16～λ/10，該望遠鏡一般就能在波長(cháng)大于λ的射電波段上有效地工作。
3、從天體投射來(lái)并匯集到望遠鏡焦點(diǎn)的射電波，必須達到一定的功率電平，才能為接收機所檢測。檢測技術(shù)水平要求最弱的電平一般應達 10 ~20W。射頻信號功率首先在焦點(diǎn)處放大10～1000倍，并變換成較低頻率(中頻)，然后由電纜將其傳送至控制室，進(jìn)一步放大、檢波，最后以適于特定研究的方式進(jìn)行記錄、處理和顯示。
測量值
甚長(cháng)基線(xiàn)干涉的測量值包括﹕干涉條紋的相關(guān)幅度；射電源同一時(shí)刻輻射的電磁波到達基線(xiàn)兩端的時(shí)間延遲差(簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)延)，延遲差變化率(簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)延率)。相關(guān)幅度提供有關(guān)射電源亮度分布的信息，時(shí)延和時(shí)延率提供有關(guān)基線(xiàn)(長(cháng)度和方向)和射電源位置(赤經(jīng)和赤緯)的信息。所得的射電源的亮度分布，分辨率達到萬(wàn)分之幾角秒，測量洲際間基線(xiàn)三維向量的精度達到幾厘米，測量射電源的位置的精度達到千分之幾角秒。在分辨率和測量精度上，與其他常規測量手段相比，成數量級的提高。用于甚長(cháng)基線(xiàn)干涉儀的天線(xiàn)，是各地原有的大﹑中型天線(xiàn)，平均口徑在30米左右，使用的波長(cháng)大部分在厘米波段。最長(cháng)基線(xiàn)的長(cháng)度可以跨越大洲。
實(shí)際應用
應用學(xué)科
地質(zhì)學(xué)
由于甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量法具有很高的測量精度，所以用這種方法進(jìn)行射電源的精確定位，測量數千公里范圍內基線(xiàn)距離和方向的變化，對于建立以河外射電源為基準的慣性參考系，研究地球板塊運動(dòng)和地殼的形變，以及揭示極移和世界時(shí)的短周期變化規律等都具有重大意義。
天體物理學(xué)
在天體物理學(xué)方面，由于采用了獨立本振和事后處理系統，基線(xiàn)加長(cháng)不再受到限制，這就可以跨洲越洋，充分利用地球所提供的上萬(wàn)公里的基線(xiàn)距離，使干涉儀獲得萬(wàn)分之幾角秒的超高分辨率。而且，隨著(zhù)地球的自轉，基線(xiàn)向量在波前平面上的投影，通常會(huì )掃描出一個(gè)橢圓來(lái)。這樣，在一天內對某個(gè)射電源進(jìn)行跟蹤觀(guān)測的干涉儀，就可以獲得各個(gè)不同方向的超高分辨率測量數據。依據多副長(cháng)基線(xiàn)干涉儀跟蹤觀(guān)測得到的相關(guān)幅度，應用模型擬合方法，便可得到關(guān)于射電源亮度分布的結構圖。地球大氣對天體射電信號產(chǎn)生的隨機相位起伏，帶來(lái)了干涉條紋相位的測量誤差。這和其他一些的誤差來(lái)源一道，限制了甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量法的應用。若在三條基線(xiàn)上對射電源進(jìn)行跟蹤觀(guān)測，則由三個(gè)條紋相位之和所形成的閉合相位，基本上可以消去大氣和時(shí)鐘誤差的隨機效應。用這種閉合相位參與運算，可以達到較好的模型擬合，從而減小結構圖的誤差。
隨著(zhù)投入觀(guān)測的站數不斷增多，閉合相位也在增多，而且各基線(xiàn)掃描的橢圓覆蓋情況也會(huì )逐漸改善，從而可以得到更精確的結構圖。用甚長(cháng)基線(xiàn)干涉儀測到的射電結構圖表明﹕許多射電源呈扁長(cháng)形，中心致密區的角徑往往只有毫角秒量級，但卻對應著(zhù)類(lèi)星體或星系這樣的光學(xué)母體；有些致密源本身還呈現小尺度的雙源結構甚至更復雜的結構；從射電結構隨時(shí)間變化的情況看來(lái)，有的小雙源好像以幾倍于光速的視速度相分離。這些新發(fā)現給天體物理學(xué)和天體演化學(xué)提出了重大的研究課題。
具體用途
觀(guān)測衛星
中國科學(xué)院的VLBI網(wǎng)是測軌系統的一個(gè)分系統，它由北京、上海、昆明和烏魯木齊的四個(gè)望遠鏡以及位于上海的天文臺的數據處理中心組成。這樣一個(gè)網(wǎng)所構成的望遠鏡分辨率相當于口徑為3000多公里的巨大的綜合望遠鏡，測角精度可以達到百分之幾角秒，甚至更高。
VLBI測軌分系統的具體任務(wù)是獲得衛星的VLBI測量數據，包括時(shí)延、延遲率和衛星的角位置，并參與軌道的確定和預報。具體的任務(wù)，比如說(shuō)完成衛星在24小時(shí)、48小時(shí)周期的調相軌道段的測軌任務(wù)。完成衛星在地月轉移軌道段、月球捕獲軌道段以及環(huán)月軌道段的測軌任務(wù)。并且還要參加調相軌道、地月轉移軌道、月球捕獲軌道段的準實(shí)時(shí)軌道的確定和預報。
VLBI測軌分系統從2007年10月27日起，即衛星24小時(shí)的調相軌道段的第一天正式實(shí)施對嫦娥一號衛星的測量任務(wù)。如今已經(jīng)完成了24小時(shí)、48小時(shí)調相軌道、地月轉移軌道段和月球捕獲軌道段的第一天總共十天的測量任務(wù)。
VLBI分系統的各測站數據處理中心設備工作正常，VLBI測量數據及時(shí)傳輸到北京的航天飛控中心，數據資料很好，滿(mǎn)足了工程的要求，為嫦娥一號衛星的精確定軌作出了貢獻。
觀(guān)測黑洞
事件視界望遠鏡（EHT）
2015年1月13日，在德國馬普射電天文研究所（MPIfR）天文學(xué)家的努力下阿塔卡瑪探險者實(shí)驗（APEX）與阿塔卡瑪大型毫米波天線(xiàn)陣（ALMA）成功聯(lián)合觀(guān)測，組成一個(gè)2.08公里的虛擬望遠鏡，與7000公里外的南極望遠鏡（SPT）進(jìn)行了連接。它們通過(guò)甚長(cháng)基線(xiàn)干涉技術(shù)（VLBI）連接在一起。更大的望遠鏡可以進(jìn)行更敏銳的觀(guān)測，而干涉可以讓多個(gè)相距遙遠額望遠鏡像一個(gè)望遠鏡一樣工作，并且其尺度與望遠鏡之間的距離——也被稱(chēng)為“基線(xiàn)”——一樣大。使用VLBI，可以通過(guò)盡可能增大望遠鏡的間隔而得到更清晰的觀(guān)測結果。
聯(lián)合望遠鏡最先指向了兩個(gè)已知的黑洞——一個(gè)是銀河系的人馬座A*，另一個(gè)位于1000萬(wàn)光年以外的半人馬A星系中。這項觀(guān)測中，智利的APEX望遠鏡與相距7000公里的南極SPT進(jìn)行了連接，其分辨率比以往所有對南半球天空的觀(guān)測都要高。
甚長(cháng)基線(xiàn)干涉技術(shù)使得科學(xué)家能夠將多座位于世界各地的射電望遠鏡聯(lián)網(wǎng)，建立起一座更大的虛擬望遠鏡，觀(guān)測能力更加強大。有了這個(gè)巨大的望遠鏡后，科學(xué)家就能夠對銀河系中央的黑洞進(jìn)行觀(guān)測，該黑洞被命名為人馬座A*，有望觀(guān)測到黑洞周?chē)霈F的亮環(huán)。
相關(guān)組織
IVS: International VLBI Service for Geodesy and Astrometry（應用于測地和天測的國際VLBI服務(wù)）的縮寫(xiě)，為全球性的VLBI應用于天體測量和地球動(dòng)力學(xué)方面的合作組織，開(kāi)展VLBI觀(guān)測、數據處理及技術(shù)發(fā)展的國際合作并提供服務(wù)。
EVN：European VLBI Network（歐洲VLBI網(wǎng)）的縮寫(xiě)。它首先由歐洲國家發(fā)起成立的VLBI組織。自1994年起，中國的上海和烏魯木齊VLBI站也參加了該組織，所以實(shí)質(zhì)上為歐亞VLBI網(wǎng)。EVN提供天體物理及某些天體測量課題的觀(guān)測及進(jìn)行VLBI技術(shù)發(fā)展的國際合作。
APT：Asia-Pacific Telescope（亞太射電望遠鏡）的縮寫(xiě)，它由亞太地區VLBI組織或者臺站組成，每年不定期地組織天文學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)方面的VLBI觀(guān)測，并組織學(xué)術(shù)交流。
CORE：Continuous Observation Rotation of Earth（地球自轉連續觀(guān)測）的縮寫(xiě)，它為美國NASA的一項研究計劃，由美國NASA的GSFC主持，全球大多數具有天測/測地能力的VLBI臺站參加了該項計劃。其主要科學(xué)目的就是用VLBI技術(shù)高精度連續測量地球自轉參數；同時(shí)，也為天球參考系、地球參考系的建立和維持及現代板塊運動(dòng)觀(guān)測提供高精度的數據。
VSOP：VLBI Space Observatory Program（VLBI空間觀(guān)測站計劃）的縮寫(xiě)。它為日本文部省宇宙科學(xué)研究所主持的一項空間VLBI計劃，它將一臺等效口徑8m的天線(xiàn)發(fā)射至地球衛星軌道上，構成了一個(gè)空間VLBI站，其遠地點(diǎn)為2萬(wàn)余km。全球大多數地面VLBI站均參加了該項計劃的空地VLBI觀(guān)測，所以它也形成了一項全球性的VLBI合作計劃。
技術(shù)評價(jià)
特點(diǎn)優(yōu)勢
3、為了確定VLBI測站的地心坐標，通常是在一個(gè)測站上同時(shí)進(jìn)行VLBI和激光測衛（Satellite Laser Ranging，SLR）觀(guān)測，即并置觀(guān)測，利用SLR技術(shù)所測得的地心坐標為基準，進(jìn)而推算出其他VLBI測站的地心坐標。
4、由于射電源的赤經(jīng)α和地球自轉的變化 之間有直接的關(guān)系無(wú)法獨立地從延遲和延遲率觀(guān)測量中解算出來(lái)。因此，VLBI技術(shù)不能獨立地確定射電源參考系的赤經(jīng)原點(diǎn)，它必須用其他技術(shù)來(lái)測定。
5、延遲率觀(guān)測量中不包含基線(xiàn)分量Z的影響。所以，僅由延遲率觀(guān)測無(wú)法解算出基線(xiàn)分量Z。另外，將延遲率的數據加到延遲數據中，并不會(huì )減少為求得所有未知參數所需觀(guān)測的射電源數目。延遲率僅作為輔助觀(guān)測量參加數據處理和參數解算，而起決定作用的是延遲觀(guān)測量。
技術(shù)缺陷
1、VLBI技術(shù)雖然突破了傳統射電干涉儀必須有電連接的限制，使得觀(guān)測更為靈活，并且使得采用流動(dòng)VLBI成為可能。但是也帶來(lái)了由于觀(guān)測磁帶的運輸，使得數據處理滯后的問(wèn)題。
2、VLBI技術(shù)觀(guān)測數據輸出代價(jià)極為龐大，因此無(wú)法通過(guò)衛星數據傳輸。
3、受地球大小的限制，地面VLBI的最長(cháng)基線(xiàn)只能達到1萬(wàn)千米。如果想要提升基線(xiàn)長(cháng)度需要將觀(guān)測點(diǎn)放到月球或衛星上，但測量點(diǎn)之間的數據傳輸無(wú)法實(shí)現。
參考資料
[1]
甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量離不開(kāi)時(shí)間 · 中國科學(xué)院[引用日期2015-04-29]
[2]
這臺望遠鏡有地球那么大 科學(xué)家它來(lái)看黑洞 · 騰訊網(wǎng)[引用日期2015-04-29]
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