特長基線干涉測量法

特長基線干涉測量法（英語：Very-long-baseline interferometry, VLBI），是無線電天文學中使用的一種無線電干涉測量技術。這種技術將來自不同天文望遠鏡的觀測信號送往相關器進行聯合處理^[1]，使其組成一台口徑相當於多台望遠鏡之間距離的虛擬無線電望遠鏡。^[2]通過對同一深空無線電源進行測量，可以高精度地確定兩台望遠鏡之間的距離和方向。其中，望遠鏡間的距離由無線電信號到達兩台望遠鏡中的天線的時間延遲差確定，望遠鏡間的方向則通過其與無線電源方向的夾角確定。

在干涉測量技術中，望遠鏡的角解析度與其口徑的寬度成正比。在傳統的聯線干涉測量技術中，望遠鏡需要通過電纜、波導管和光纖等傳輸方式進行聯接，使得干涉測量基線的長度受到限制。特長基線干涉測量法技術通過高精度、高穩定性的原子鐘和高密度的記錄設備，將信號與其被接收的時刻相關聯，並通過事後回放的方式對觀測數據進行比對，從而使望遠鏡之間的距離不再受到聯線干涉測量中電纜距離的限制。^[3]因此，組成干涉測量基線的望遠鏡之間的距離可以跨越大洲，達到數千甚至上萬公里。通過發射衛星天線到太空中，干涉測量基線的距離還可以超越地球的直徑，並使對流層和電離層對觀測信號的影響得以被消除或減弱，這一技術又被稱為太空特長基線干涉測量法（英語：Space VLBI, SVLBI）技術。^[4]

特長基線干涉測量法技術可用於天文測量，其高解析度的特性使其能獲得深空無線電源的清晰圖像，並對太空飛行器進行精密的定位^[5]。而天文測量技術也能用於大地測量領域，解決地球的定位和定向問題，建立穩定的參考系統和參考框架，以毫米級的精度測定板塊間的運動參數等。

基本原理[編輯]

干涉測量[編輯]

根據瑞立準則，光學儀器的角解析度 $\theta$ 與入射電磁波的波長 $\lambda$ ，以及該儀器的口徑 $a$ 的關係式為 $\theta =\lambda /a$ . 即在觀測的電磁波波長不變的情況下，儀器的口徑越大，其角分辨越小，分辨能力越高。對於無線電天文學，其觀測的電磁波波段為無線電波，其波長在毫米級以上^[6]，比波長在亞微米級的可見光要長數千到數十萬倍。為達到與光學望遠鏡相同的解析度，早期的無線電望遠鏡只能尋求更大的口徑，但仍難以滿足天文觀測的需要。

基線測量[編輯]

對於位置不同的望遠鏡，來自同一無線電源的光線會在不同的時刻進入望遠鏡的接收天線，這兩個時刻的時間間隔被稱為時間延遲差。時間延遲差即包含了光在傳播距離上的差異（即兩個天線之間的幾何延遲差），也包含了傳播過程中受地球大氣、天線的接收和處理裝置，以及望遠鏡所使用的原子鐘的同步誤差等。因此，兩台望遠鏡所觀測到的，來自同一無線電源的信號是不同步的，兩者經過相關處理後能夠得到干涉條紋。在理想狀態下，時間延遲差的真實值 ${\tilde {\tau }}$ 、兩個天線所組成的基線向量 ${\vec {b}}$ ，以及無線電源方向相對於基線的夾角 $\theta$ 可組成如下的觀測方程式：^[1]

${\tilde {\tau }}={\frac {1}{c}}\lVert {\vec {b}}\rVert \cos {\theta }$

其中， $c$ 為光速。由於無線電源與地球的距離遠大於基線的長度，無線電源幾乎是平行地入射到兩台望遠鏡內，因此 $\theta$ 對於兩台望遠鏡是幾乎相同的。

系統組成[編輯]

特長基線干涉測量法系統主要由天線、接收機、數據記錄終端、原子鐘和時間同步系統以及相關處理系統等部分組成。^[1]無線電源的電磁波信號通過拋物面狀的反射天線面集中到天線饋源，由饋源轉換為高頻電信號並傳輸給接收機。接收機對高頻電信號進行放大後，混頻到中頻的基帶信號上，使信號能夠記錄於數據記錄終端中。原子鐘負責提供高頻率和高穩定度的頻率基準，為數據記錄提供精確的記錄時間，時間同步系統則負責將不同來源的時間比對到統一的標準時間上。相關處理機則對記錄到的觀測信號進行相關處理和分析，得到干涉測量圖像、信號間的時間延遲差和時間延遲率等基本觀測量。

參見[編輯]

參考資料[編輯]

^ ^1.0 ^1.1 ^1.2 李征航; 魏二虎; 王正濤; 彭碧波. 空间大地测量学. 武漢大學出版社. : 104 – 159. ISBN 978-7-30-707574-0.
^ Astronomers Demonstrate a Global Internet Telescope. [2011-05-06]. （原始內容存檔於2017-06-14）.
^ 甚长基线干涉测量技术在深空探测中的应用--《中国宇航学会深空探测技术专业委员会第七届学术年会论文集》2010年. cpfd.cnki.com.cn. [2020-03-31]. （原始內容存檔於2021-02-28）.
^ 魏二虎; 劉經南; 李征航; 施闖; WEI Erhu, LIU Jingnan. 空间VLBI观测量估计大地测量参数的模拟计算. 武漢大學學報資訊科學版: 875–878. ISSN 1671-8860 （中文（中國大陸））. ^{[永久失效連結]}
^ 朱新穎, 李春來, 張洪波. 深空探测VLBI技术综述及我国的现状和发展. 宇航學報. 2010-09-27, 31: 1893-1899. ^{[永久失效連結]}
^ Altgelt, CA. The World's Largest "Radio" Station (PDF). hep.wisc.edu. High Energy Physics @ UW Madison. 2005 [9 Jan 2019]. （原始內容存檔 (PDF)於2018-12-23）.

外部連結[編輯]

E-MERLIN （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） fibre-linked radio telescope array used in VLBI observations
EXPReS （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Express Production Real-time e-VLBI Service: a three-year project (est. March 2006) funded by the European Commission to develop an intercontinental e-VLBI instrument available to the scientific community
JIVE （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Joint Institute for VLBI in Europe
The International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
IVSOPAR: the VLBI analysis center at the Paris Observatory （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
"VLBI - Canada's Role"

[:02-1] 1.0 ^1.1 ^1.2 李征航; 魏二虎; 王正濤; 彭碧波. 空间大地测量学. 武漢大學出版社. : 104 – 159. ISBN 978-7-30-707574-0.

[2] Astronomers Demonstrate a Global Internet Telescope. [2011-05-06]. （原始內容存檔於2017-06-14）.

[3] 甚长基线干涉测量技术在深空探测中的应用--《中国宇航学会深空探测技术专业委员会第七届学术年会论文集》2010年. cpfd.cnki.com.cn. [2020-03-31]. （原始內容存檔於2021-02-28）.

[4] 魏二虎; 劉經南; 李征航; 施闖; WEI Erhu, LIU Jingnan. 空间VLBI观测量估计大地测量参数的模拟计算. 武漢大學學報資訊科學版: 875–878. ISSN 1671-8860 （中文（中國大陸））. ^{[永久失效連結]}

[5] 朱新穎, 李春來, 張洪波. 深空探测VLBI技术综述及我国的现状和发展. 宇航學報. 2010-09-27, 31: 1893-1899. ^{[永久失效連結]}

[6] Altgelt, CA. The World's Largest "Radio" Station (PDF). hep.wisc.edu. High Energy Physics @ UW Madison. 2005 [9 Jan 2019]. （原始內容存檔 (PDF)於2018-12-23）.

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