4-VLBI技术(4,5,6).ppt

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1、1第四章、VLBI原理及应用2/98目录：一、射电天文学的诞生二、射电干涉测量技术三、VLBI系统组成四、VLBI测量原理及实施过程五、数学物理模型六、VLBI技术的应用3/98四、VLBI测量原理及实施过程VLBI是当前天文学使用的一项高分辨率、高测量精度的观测技术。在天体物理方面主要应用于毫角秒级精细结构研究和精确定位等：类星体射电星系核星际脉泽源等致密射电源在天体和大地测量中，它在以下等方面具有不可取代的作用。建立天球参考系测定地球自转全部参数测定地面参考系的基准点；4/98四、VLBI测量原理及实施过程1、VLBI测量原理1）基本原理射电源辐射出的电磁波，通过地球大气到达

2、地面，由基线两端的天线接收。由于地球自转，电磁波的波前到达两个天线的几何程差(除以光速就是时间延迟差)是不断改变的。两路信号相关的结果就得到干涉条纹。天线输出的信号经放大、变频，转换为中频信号和视频信号。用高精度原子钟控制本振系统，提供精密的时间信号，由处理机对两个“数据流”作相关处理，用寻找最大相关幅度的方法，求出两路信号的相对时间延迟和干涉条纹率。5/981）基本原理（续）如果进行多源多次观测，则从求出的延迟和延迟率可得到射电源位置和基线向量，以及根据基线的变化推算出的极移和世界时等参数。参数的精度主要取决于延迟时间的测量精度。理想的干涉条纹仅与两路信号几何程差产生的延迟有关

3、;而实际测得的延迟还包含有非几何延迟：传播介质(大气对流层﹑电离层等)接收机处理机钟的同步误差产生的随机延迟，这就要作大气延迟和仪器延迟等项改正，改正的精度则关系到延迟的测量精度。目前时延测量精度约为0.1ns。1、VLBI测量原理6/981）基本原理（续）由于采用高精度独立本征和磁带记录观测信号，观测结束后，将两测站记录的磁带送到数据处理中心，进行数据回放和相关处理。利用这种方法，只要两个测站可以同时接收到来自同一颗射电源发出的射电信号，即可在任意长度的基线进行测量。1、VLBI测量原理7/982）VLBI观测值VLBI的测量值包括：干涉条纹的相关幅度提供有关射电源亮度分布的信

4、息；所得的射电源的亮度分布，分辨率达到万分之几角秒；射电源同一时刻辐射的电磁波到达基线两端的时间延迟差(简称时延)和延迟差变化率(简称时延率)提供有关基线(长度和方向)和射电源位置(赤经和赤纬)的信息；测量洲际间基线三维向量的精度达到几厘米，测量射电源的位置的精度达到千分之几角秒；1、VLBI测量原理8/982）VLBI观测值（续）射电源离地球非常遥远，可以将信号波前看做平面。两测站收到某一波前的时间差为其中c为光速，

5、b

6、为基线长度，θ为基线与源方向的夹角。因地球的自转，θ为时间的函数，从而τg也是时间的函数。1、VLBI测量原理通过对多个源的τg及其对时间的变化率的多次测量，

7、就可以解出基线矢量b的三个分量和源的位置。9/982）VLBI观测值（续）由于传播介质的影响及仪器本身的原因，无法直接求得τg，只能通过互相关处理得到τg的近似值τ，然后对τg加以各项改正，使它最接近τg。相关处理会产生误差δτ相关处理结果τ存在整周模糊度1、VLBI测量原理设时延为τg，则到达A、B两测站的信号可分别表示为VA和VB。10/982）VLBI观测值（续）上述VA和VB经过与角频为ωL的信号混频和滤波后，得到记录在磁带上的中频信号：1、VLBI测量原理根据基线矢量和射电源在观测瞬间(t)的初始位置，计算出τg的概率值τ，由信号VA(t)和VB(t+τ)进行相关计算。

8、经补偿后的信号为对上式两信号进行互相关处理：11/982）VLBI观测值（续）考虑到际观测中接收的信号是有一定带宽的，设信号带宽为B，中心频率为ω，则有1、VLBI测量原理所以甚长基线干涉仪的相关输出是一个带宽幅度因子为A的余弦周期函数。设ω=ωL，δτ=0则有由于地球自转，θ角在不断变化，所以n值也随之改变，而干涉仪的相关输出则随n的变化而变化。当n＝0，±1，±2，……时，干涉仪输出为极大值R＝1，而当n＝±1/2，±3/2，……时，输出为极小值R＝－1。干涉仪输出极大、极小变化就是所谓的干涉条纹。12/982）VLBI观测值（续）基线

9、b

10、越长，R的变化越快，说明干涉仪的分

11、辨率越高。上式反映的是完全决定于干涉仪几何关系的自然条纹，而对采用独立本振的VLBI干涉仪来说，其实际输出不仅仅是自然条纹，还包含由于两本振的频率而产生的附加条纹。VLBI相关处理中，就是采用相关试探的方法，不断调整τ的取值，进行条纹搜索，并检测出条纹输出最大时对应的τ，将它确定为延迟观测值。1、VLBI测量原理13/983）VLBI的技术特点采用原子钟控制的高稳定度的独立本振系统和磁带记录装置由两个或两个以上的天线分别在同一时刻接收同一射电源的信号，各自记录在磁带上然后把磁带一