Синтез апертуры или синтезированная визуализация — это тип интерферометрии , который смешивает сигналы от набора телескопов для получения изображений, имеющих такое же угловое разрешение, как и инструмент размером со всю коллекцию. [1] [2] [3] При каждом разделении и ориентации лепестковый рисунок интерферометра выдает выходной сигнал, который является одним из компонентов преобразования Фурье пространственного распределения яркости наблюдаемого объекта. Изображение (или «карта») источника создается из этих измерений. Астрономические интерферометры обычно используются для оптических , инфракрасных , субмиллиметровых и радиоастрономических наблюдений с высоким разрешением . Например, проект Event Horizon Telescope получил первое изображение черной дыры с использованием синтеза апертуры. [4]
Синтез апертуры возможен только в том случае, если и амплитуда , и фаза входящего сигнала измеряются каждым телескопом. Для радиочастот это возможно с помощью электроники, в то время как для оптических частот электромагнитное поле не может быть измерено напрямую и коррелировано в программном обеспечении, а должно распространяться чувствительной оптикой и интерферироваться оптически. Требуются точная оптическая задержка и коррекция аберрации атмосферного волнового фронта, очень сложная технология, которая стала возможной только в 1990-х годах. Вот почему визуализация с синтезом апертуры успешно используется в радиоастрономии с 1950-х годов, а в оптической/инфракрасной астрономии — только с начала тысячелетия. Более подробную информацию см. в разделе астрономический интерферометр .
Для получения высококачественного изображения требуется большое количество различных разделений между различными телескопами (проецируемое разделение между любыми двумя телескопами, как видно из радиоисточника, называется базовой линией) – требуется как можно больше различных базовых линий, чтобы получить изображение хорошего качества. Количество базовых линий ( n b ) для массива из n телескопов определяется как n b =( n 2 − n )/2. (Это или n C 2 ). Например, Very Large Array имеет 27 телескопов, дающих 351 независимую базовую линию одновременно, и может давать высококачественные изображения.
В отличие от радиорешеток, крупнейшие оптические решетки в настоящее время имеют всего 6 телескопов, что обеспечивает худшее качество изображения с 15 базовых линий между телескопами.
Большинство интерферометров с синтезированной радиочастотной апертурой используют вращение Земли для увеличения количества различных базовых линий, включенных в наблюдение (см. диаграмму справа). Сбор данных в разное время обеспечивает измерения с различным разделением телескопов и углами без необходимости использования дополнительных телескопов или ручного перемещения телескопов, поскольку вращение Земли перемещает телескопы на новые базовые линии.
Использование вращения Земли подробно обсуждалось в статье 1950 года «Предварительный обзор радиозвезд в Северном полушарии» . [5] Некоторые приборы используют искусственное вращение решетки интерферометра вместо вращения Земли, например, в интерферометрии с маскировкой апертуры .
Концепция апертурного синтеза была впервые сформулирована в 1946 году австралийскими радиоастрономами Руби Пейн-Скотт и Джозефом Поуси . Работая в Довер-Хайтс в Сиднее , Пейн-Скотт провел самые ранние интерферометрические наблюдения в радиоастрономии 26 января 1946 года, используя австралийский армейский радар в качестве радиотелескопа. [6]
Синтез изображений апертуры был позже разработан на радиоволнах Мартином Райлом и его коллегами из Радиоастрономической группы Кембриджского университета . Мартин Райл и Тони Хьюиш совместно получили Нобелевскую премию за этот и другие вклады в развитие радиоинтерферометрии.
Радиоастрономическая группа в Кембридже в 1950-х годах основала Маллардскую радиоастрономическую обсерваторию недалеко от Кембриджа. В конце 1960-х и начале 1970-х годов, когда компьютеры (такие как Titan ) стали способны обрабатывать необходимые интенсивные инверсии преобразования Фурье, они использовали синтез апертуры для создания эффективной апертуры «One-Mile», а позднее и «5 км» с помощью телескопов One-Mile и Ryle соответственно.
Метод впоследствии был дополнительно развит в интерферометрии со сверхдлинной базой для получения баз в тысячи километров и даже в оптических телескопах . Термин синтез апертуры может также относиться к типу радиолокационной системы, известной как радиолокатор с синтезированной апертурой , но это технически не связано с методом радиоастрономии и развивалось независимо.
Первоначально считалось необходимым проводить измерения практически на каждой базовой длине и ориентации вплоть до некоторого максимума: такое полностью дискретизированное преобразование Фурье формально содержит информацию, в точности эквивалентную изображению с обычного телескопа с диаметром апертуры, равным максимальной базовой линии, отсюда и название — синтез апертуры .
Быстро выяснилось, что во многих случаях полезные изображения можно сделать с относительно редким и нерегулярным набором базовых линий, особенно с помощью нелинейных алгоритмов деконволюции , таких как метод максимальной энтропии . Альтернативное название — синтез изображений — подтверждает смещение акцента с попытки синтезировать полную апертуру (позволяющую реконструировать изображение с помощью преобразования Фурье) на попытку синтезировать изображение из любых доступных данных с использованием мощных, но вычислительно дорогих алгоритмов.
