О проекте - Антенна БСА ФИАН

Решение задачи поиска пульсаров и транзиентов стало возможным благодаря модернизации антенны БСА ФИАН, проведенной в 2010-2012 гг.

Антенна БСА ФИАН находится в г. Пущино Московской области, на территории ПРАО АКЦ ФИАН.

ПРАО АКЦ ФИАН - Пущинская Радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Физического института им. Лебедева Российской Академии наук. После переименования всех институтов в «федеральные учреждения» название нашего института стало более сложным, но мы приводим здесь старое, привычное нам название.

БСА расшифровывается как Большая Синфазная Антенна. Это крупнейшая в мире антенна в метровом диапазоне длин волн.

Кроме БСА, в Пущинской обсерватории есть еще две работающие антенны: ДКР - Диапазонный Крестообразный Радиотелескоп, и РТ-22 - РадиоТелескоп диаметром 22 метра.

Антенна БСА ФИАН была построена в 1974 году. Она состоит из 16 384 полуволновых диполей и занимает площадь больше 7 гектар. Первоначально центральная частота приема антенны была 102.5 МГц, а эффективная площадь антенны 20 000 - 25 000 кв.метров. После продажи государством диапазона коммерческим структурам антенна была модернизирована. Центральная частота приема стала равна 110.25 МГц. При этом эффективная площадь уменьшилась до 10 000 - 15 000 кв.метров.

В 2009 году был получен грант по программе «Космическая Погода». Он позволил существенно модернизировать антенну. Основной этап модернизации проходил в 2010-2012 гг. Были поставлены новые усилители, имеющие один вход и четыре независимых выхода, переложена кабельная система, созданы цифровые приемники, заменены матрицы Батлера. Фактически, на основе одной антенны БСА ФИАН на настоящий момент могут работать четыре независимых радиотелескопа.

Первый радиотелескоп – это старый вариант антенны (БСА-1).
В этом варианте антенна имеет 512 лучей, формально перекрывающих склонения от примерно -28^о до +88^о, и цифровой пульсарный приемник, который может быть подключен к любому из этих лучей. На практике стараются использовать склонения от -5^о до примерно 75^о. Ниже -5^о велики помехи и мала эффективная площадь, а выше 75^о для наблюдений источника требуется много времени.

Второй радиотелескоп – это многолучевая антенна, работающая для мониторинговых программ (БСА-2).

Третий радиотелескоп – это старый вариант антенны на новой основе. Как только он вступит в строй, первый радиотелескоп будет закрыт. Предварительные наблюдения показывают, что эффективная площадь БСА-3 возрастет в 3-4 раза по сравнению с работающим вариантом БСА-1. На цифровом приемнике можно будет проводить наблюдения в нескольких подряд идущих лучах.

Четвертый радиотелескоп – это тестовая система, предназначенная для проверки работоспособности отдельных частей антенны.

Работы по поиску пульсаров и быстрых транзиентов проводятся на втором радиотелескопе, и далее мы будем говорить только о нем.

В БСА-2 создано 128 не переключаемых лучей. Эти лучи перекрывают склонения от -8^o до +55^o. Однако, на настоящий момент времени сделан многоканальный цифровой приемник, позволяющий обеспечить регистрацию сигнала лишь с 96 лучей антенны, перекрывающих склонения от -8^o до +42^o.

Перекрытие лучей сделано по уровню мощности 0.4.
Эффективная площадь БСА2, приведенная к зениту, равна 47 000 ± 2500 кв.м.
Полная полоса приема 2.5 МГц.

Так как лучи БСА фиксированные, а антенное поле неподвижное, то чувствительность антенны сильно различается в разных направлениях.

На рис.1 показано изменение чувствительности в зависимости от направления на небе.
 

Рис.1. По горизонтальной оси дано склонение, по вертикальной оси чувствительность от максимально возможной принятой за единицу. Из рисунка видно, что при неудачном положении источника на небе разница в чувствительности может различаться в 8-9 раз.

Для калибровки мощности приходящих сигналов на вход малошумящих усилителей (МШУ) подается сигнал от специального (шумового) генератора. Этот сигнал обеспечивает измерение основных параметров радиотелескопа:
- температуры шума системы,
- эффективной площади антенны,
- проверки работоспособности системы распределенного усиления и ее отдельных элементов.

Вход МШУ переключается между антенной и калибровочным генератором шума. Генератор шума формирует два уровня калибровочного сигнала, соответствующих температуре шума согласованной нагрузки и температуры шумов включенного генератора. Температура шумов согласованной нагрузки равна температуре окружающей среды. Температура шумового сигнала калибровочного генератора составляет 2400 К, и мало зависит от температуры окружающей среды. Измеренные изменения величины ступеньки не превышают ±3% при изменении окружающей температуры от -15^o до +43^o Цельсия.

На рис.2 приведена карта всей наблюдаемой области на небе за один день.

Рис.2. По горизонтальной оси приведено московское время (+4 UT). По вертикальной оси - наблюдаемое склонение. Карта сделана в единицах температур. Видна плоскость Галактики, северный полярный шпур, сильные радиоисточники. Для сильных радиоисточников видны боковые лепестки БСА по оси склонений. Это ложные источники, находящиеся на расстояниях примерно 7^о от основного источника.

Многоканальный цифровой радиометр состоит из двух регистраторов - промышленных компьютеров с многоканальными приемно-регистрирующими модулями. Они обеспечивают регистрацию сигнала для 96 лучей радиотелескопа. В состав каждого регистратора входит шесть 8-канальных модулей цифровой обработки сигналов. На входе модуля установлены 4 спаренных АЦП TI ADS62P29.

Цифровая обработка производится с помощью программируемых логических интегральных схем - ПЛИС EP3SL780C3 (Stratix III, Altera). Используются:
- метод прямой оцифровки сигнала,
- цифровые системы фильтрации,
- перенос частот,
- спектральный анализ.

Частота оцифровки составляет 230 МГц,
полоса регистрируемого сигнала в каждом канале равна 2.5 МГц,
центральной частота - 110.25 МГц.

Ресурсы ПЛИС позволяют реализовать на одной микросхеме:
- 8 независимых видеоконверторов,
- фильтрацию высокочастотных и низкочастотных сигналов,
- спектральный анализ и обработку 8 независимых потоков данных.

В модуле регистратора реализована возможность записи на жесткий диск:
- мощности сигнала в 32-х спектральных каналах с частотным разрешением 78 кГц,
- мощности сигнала в 6-ти спектральных каналах с частотным разрешением 415 кГц.
Временное разрешение сигнала равно 12.5 мс или 100 мс.

Контроль службы времени осуществляется в начале каждого часа наблюдений. Запуск оцифровки первой точки проводится с точностью не хуже 5 мс. Точность опроса каналов внутри часа определяется точностью кварцевых генераторов частоты цифрового приемника. Оцениваемое максимальное возможное расхождение времени на часовом интервале составляет:
   ±25мс (± две точки первичных "длинных данных") и
   ±100 мс (± одна точка первичных "коротких данных").

C июля 2014 года проводится одновременная запись данных:
- с постоянной 100 мс в 6 частотных каналах ("короткие данные"), и
- с постоянной 12.5 мс в 32 частотных каналах ("длинные данные").

Полный объем накопленных данных на 2017 год превышает 110 терабайт.