Интерферометрические технологии

Радиоастрономами была разработана интерферометрия – метод, применяемый для получения более высокого углового разрешения, а также для формирования изображений. Кроме того, метод использовался для получения оцифрованных поэлементных обзоров космического радиоизлучения. В главе 7 описывается метод, который приобрел весомое значение в астрономии для изучения электромагнитного (ЭМ) спектра, а также в сферах волоконно-оптических сетей, инженерной метрологии, оптической метрологии, океанографии, сейсмологии, квантовой механики, ядерной физики, физики элементарных частиц, физики плазмы и дистанционного зондирования.

Помимо этого, радиоастрономы первыми разработали методы распознавания и очистки изображений в целях устранения влияния (большинства) приборных погрешностей, а также искажений, обусловленных воздействием окружающей среды. Данные методы используются как при наземных и спутниковых наблюдениях за небосводом, так и при изучении Земли спутниковой службой исследования Земли (ССИЗ).

В конце ХХ века радиоинтерферометрические системы широко использовались для облегчения автоматической посадки воздушного судна. Фактически эти системы первоначально были разработаны в радиоастрономической лаборатории, а уже впоследствии начали реализовываться по всему миру. В настоящее время аналогичная технология применяется для определения местонахождения пользователей сотовых телефонов, что позволяет экстренным службам быстро устанавливать связь с местом происшествия. Кроме того, данный метод используется для организации целевого маркетинга и иных услуг, связанных с местоположением. Весьма показательным примером действующей системы могут служить беспроводные сети Wi-Fi.

Применение в системах Wi-Fi

Наибольшие трудности при обеспечении беспроводного соединения между компьютерными терминалами создаются отражением сигнала. Прибытие передаваемого сигнала на приемник сопровождается множеством отраженных волн. Эта проблема хорошо известна радиоастрономам, и они разработали методы обработки сигнала, направленные на преодоление подобных препятствий, вызванных отражениями сигналов в атмосфере. Локальные сети (LAN), работающие на основе передачи радиоволн, отправляют данные на разных частотах, и эти сигналы рекомбинируются в приемнике по тому же принципу, что и в радиоастрономии.

Навигация

На протяжении веков астрономия вносила значительный вклад в развитие наземной и космической навигации. Изобретение радиосекстанта для морской навигации позволило точно определять местоположение в условиях облачности и дождливой погоды. Один из последних примеров применения радиоинтерферометрии для определения местонахождения мобильных телефонов в чрезвычайных ситуациях с использованием мультилатерации основан на мощности сигнала, передаваемого на ближайшие антенные мачты. Определение местонахождения объекта осуществляется посредством точного вычисления разницы во времени прихода (TDOA) сигнала, передаваемого объектом на три и более приемника. Данный метод также может использоваться для определения местонахождения приемника, если измерять TDOA сигнала, передаваемого тремя и более синхронизированными передатчиками.

Вычислительные технологии

Радиоастрономы разработали уникальные цифровые методы корреляции и записи данных, полученных от телескопов. При этом используются современные мощные вычислительные комплексы
(с параллельной обработкой данных), способные обрабатывать колоссальные объемы информации, собранной при помощи сетей интерферометров. Примерами современных возможностей обработки данных могут служить одновременный многолучевой синтез, ослабление радиочастотных помех в реальном времени и распознавание сложных структур источников радиоизлучения. Фактически обработка радиоастрономических данных для корреляции в реальном времени данных интерферометрии, поступающих от антенн на четырех континентах, используется в качестве пробного варианта при разработке широкополосных сетевых систем передачи данных.

Язык программирования FORTH

Одним из наглядных положительных побочных результатов развития радиоастрономии стал язык программирования FORTH (или Forth), разработанный в Национальной радиоастрономической обсерватории США (NRAO) в начале 1970‑х годов. Вначале язык Forth применялся для управления одним из телескопов NRAO и для обработки данных. Сегодня язык Forth применяется при решении множества прикладных задач, в том числе в карманных компьютерах сотрудников службы доставки Federal Express. В настоящее время используются также модификации этого языка. В числе других прикладных задач можно назвать программное обеспечение для спутникового слежения, а также программы моделирования для 15-метрового шестисекционного манипулятора канадского производства, установленного на космическом корабле "Space Shuttle". Он применялся при развертывании спутниковых систем, в процедурах считывания данных, а также для помощи астронавтам при выполнении работ по обслуживанию оборудования (например, ремонт и модернизация космического телескопа "Хаббл")3.

Медицинские технологии

Радиоастрономы предложили математические методы, позволяющие выполнять распознавание двумерных изображений на основе одномерных результатов сканирования, а также распознавание трехмерных изображений на основе двумерных4. Эти методы распознавания изображений являются составной частью современных технологий: компьютерной томографии (КТ), позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), сканирования и магнитно-резонансной обработки изображений. Радиоастрономические наблюдения удаленных космических источников в основном заключаются в измерении температуры этих объектов. Данная методика была адаптирована для проведения неинвазивных измерений температуры тканей человеческого организма.

Компьютерная томография – это метод обработки изображений, применяемый в медицине. Из большой серии двумерных рентгеновских изображений, снятых вокруг одной оси вращения, при помощи компьютеров формируется трехмерное изображение внутренних элементов объекта.

На снимках глубоких тканей организма в СВЧ-диапазоне злокачественные опухоли выглядят как области с аномальной температурой и могут быть легко обнаружены. Истинно-положительная вероятность обнаружения рака груди при использовании метода СВЧ-термографии составляет 96%.

Рак кожи

Для астрономов, изучающих звезды и галактики, одной из главных задач является извлечение полезной информации из беспорядочного набора сигналов. Радиоастрономы, будучи первыми астрономами, работающими с цифровыми данными, разработали алгоритмы, применяемые для извлечения слабых сигналов из фонового случайного "шума". Эти алгоритмы помогли другим астрономам выявить тысячи слабых источников рентгеновского излучения и провести количественный анализ их структуры.

Такого рода методы могут применяться во множестве других случаев, когда полезная информация теряется в фоновом шуме. Совместно с врачами и при поддержке Космического агентства Германии ученые в области радиологии разработали систему, позволяющую распознавать рак кожи на ранних стадиях. Небольшие отличия в цвете помогают обнаружить и измерить беспорядочный рост клеток, являющийся признаком злокачественной меланомы – наиболее опасного вида рака кожи.

Цифровая радиография

Технология цифровой обработки изображений была также адаптирована для использования при измерении рентгеновских излучений кластеров галактик, имеющих большое значение для астрофизиков при разработке теорий, связанных с космологией и ранней стадией эволюции Вселенной.

Кроме того, данный метод использовался при проектировании цифровых радиографических систем в целях повышения эффективности, гибкости и экономичности клинических радиографических исследований. Применение этого метода позволяет сократить расходы клиник и пунктов неотложной помощи, поскольку исключаются затраты на приобретение рентгеновской пленки и другие процедуры получения изображений. При использовании данной технологии радиографические исследования проводятся обычным путем, за исключением того, что снимки тела теперь хранятся не на пленке, а в памяти компьютера. Таким образом, врач (или пациент) могут в любой момент просматривать снимки и быстро передавать их без искажений удаленным специалистам через интернет.

Стандарты времени и частоты

В силу необходимости специалисты по интерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI) разработали исключительно стабильные и точные стандарты времени, а также методы передачи сигналов времени, погрешность которых составляет несколько единиц ´ 10^–16 с. Затем был налажен серийных выпуск этих систем, и в настоящее время они используются для спутниковой навигации, космической связи и в военных целях. Системы, входящие в состав всемирной радионавигационной спутниковой службы (РНСС) (GPS, ГЛОНАСС, Galileo), имеют собственные системы времени и координат, привязанные к Земле и космосу и необходимые для поддержки и эксплуатации Международной службы VLBI (IVS) по проблемам геодезии и астрометрии.

Созданные человеком точные часы открыли новую эру безопасной навигации. Международное бюро времени продолжает работу над созданием еще более точных часов и определением времени по показаниям ансамбля атомных часов. Однако наиболее независимая проверка международных атомных стандартов времени на долговременную стабильность проводится на основе измеренной радиоастрономами периодичности импульсов миллисекундных пульсаров. Эти измерения проводятся на группе наиболее стабильных пульсаров как для минимизации влияния постоянных изменений электронного содержания межзвездной среды вдоль линий зрения, так и для минимизации любых нестабильностей в поведении отдельных пульсаров. Независимая проверка проводится также путем подгонки результатов измерения периодичности импульсов миллисекундных пульсаров в системах двойных звезд к орбитальным параметрам системы.

Наблюдение Земли

Интерферометрические методы, применяемые в радиоастрономии, были приняты в целях разработки технологий пассивного дистанционного зондирования, используемых для измерения температуры атмосферы Земли, а также для определения других параметров поверхности, таких как распределение водяного пара, содержание воды в облаках, количество осадков и уровень других вредных примесей, например окиси углерода.

Обнаружение лесных пожаров по тепловому микроволновому излучению основывается на том же технологическом принципе.

Геодезия

Метод VLBI был разработан в качестве инструмента для сбора подробных данных о структуре и местоположениях астрономических источников. Однако он также может применяться для решения множества других задач. Таким образом, данные о местоположении удаленных квазаров и радиоисточников, измеренные с исключительной точностью методом VLBI, предоставляют человечеству наиболее точную пространственную систему отсчета. Использование астрономических источников в качестве опорных точек позволяет наземным службам VLBI измерять собственные перемещения телескопов на поверхности Земли, обусловленные, например, дрейфом континентов или относительным скольжением тектонических плит по линиям разлома. Такого рода измерения помогают при оценке вероятности землетрясений. Международная служба VLBI (IVS) по проблемам геодезии и астрометрии была организована в целях предоставления услуг по поддержке геодезических, геофизических и астрометрических исследований и практической деятельности5. Наземные методы VLBI и точное доплеровское слежение используются также для высокоточной навигации в космических полетах в пределах нашей Солнечной системы. Например, местоположение зонда Гюйгенса, запущенного Европейскими космическим агентством (ЕКА), точно отслеживалось, когда он входил в атмосферу Титана – крупнейшего из спутников Сатурна.

Горнодобывающие технологии

Методы обработки изображений, описанные в п. 0.3.2.4, могут также непосредственно применяться при подземных геологоразведочных работах на месторождениях нефти и полезных ископаемых. Данные, полученные при помощи сети сейсмографов, проводящих измерения после серии небольших поверхностных взрывов, обрабатываются аналогичным образом.

Радиолокационная астрономия

Радиолокационная астрономия отличается от радиоастрономии тем, что в ней используется как передача, так и прием радиоволн. Вследствие этого с учетом двусторонних потерь на расходимость пучка ее применение ограничено изучением объектов в околосолнечном пространстве. Тем не менее это единственный метод, пригодный для обнаружения мелкого космического мусора. Типичным применением радиолокационной астрономии является обнаружение и отслеживание околоземных объектов (NEO) (метеоритов и астероидов), которые приближаются к Земле или могут оказывать воздействие на Землю. Радиолокационная астрономия предоставляет обширный набор средств изучения подобных объектов. В этом разрезе радиолокационная астрономия представляет собой службу прогнозирования и предотвращения природных бедствий в межпланетном масштабе. Кроме того, радиолокаторы способны обнаруживать космический мусор на околоземной орбите, позволяя операторам спутников уводить космические аппараты от потенциально возможных столкновений. Это к тому же единственный метод, позволяющий исследовать плотность космического мусора размером менее приблизительно 1 см.

Методы обработки изображений, применяемые в радиолокационной астрономии (для ближнего поля), используются в гражданских и военных целях для обработки изображений, получаемых от орбитальных космических аппаратов.

Радиомониторинг Солнца

Введение

Радиомониторинг Солнца представляет собой специальную область радиоастрономии, которая играет важную роль в исследованиях космической погоды, помогает составлению прогнозов космической погоды и своевременно предупреждает об активности в виде солнечных вспышек, которые могут повлиять на жизнедеятельность человека. Наша чувствительность к солнечной активности стала причиной возникновения новой научной дисциплины – "космическая погода". Она изучает условия космического околоземного пространства путем измерения электромагнитного излучения и поведения солнечной плазмы. В длительных и средних по длительности временных масштабах влияние колебаний солнечной активности на климат по значимости находится на одном уровне с вулканическими явлениями и деятельностью человека. В малых временных масштабах космическая погода также играет важную роль. Это связано с тем, что солнечная активность, в особенности выбросы коронального вещества (CME), могут вызывать сбои в работе технической инфраструктуры в космосе, в воздухе и на Земле. В период максимальной солнечной активности корональные выбросы случаются один раз в день или чаще.

Если объединить данные, полученные от наземных радиоспектрографов, с дополнительными данными, полученными со спутников, то можно получить предварительные оценки массы, энергии, скорости, а также направления распространения выбросов коронального вещества задолго до того, как они достигнут Земли. На основе результатов этих измерений можно предположить масштаб неблагоприятных воздействий и определить время, в течение которого они могут достичь Земли. Тем самым обеспечивается возможность смягчения негативных последствий этих воздействий на целый ряд технологий, изобретенных человеком, таких как сети электросвязи, спутниковые навигационные системы, космонавтика (запуск спутников, пилотируемые полеты), авиация и системы электроснабжения. Кроме всего прочего, солнечная активность вызывает постепенное ухудшение характеристик силовых трансформаторов, коррозию магистральных трубопроводов, а также оказывает множество других неблагоприятных воздействий. Серьезную угрозу может также представлять гигантская солнечная вспышка – случайное опасное природное явление, происходящее не столь часто. Если не смягчить последствия подобных событий, то могут возникнуть глобальные перебои в работе технических систем, от которых зависит жизнь нашего общества. Примером может служить геомагнитная буря, произошедшая в марте 1989 года, когда ущерб от воздействия мощной вспышки на Солнце составил более 1 млрд. долл. США. В наше время, если заранее не будут приняты надлежащие меры, гигантская солнечная вспышка может вызвать повреждения, ущерб от которых будет гораздо более существенным. Фактически, согласно некоторым оценкам, вероятный ущерб от такого события может составить от 2 до 3 трлн. долл. США, а время восстановления – от 2 до 3 лет, поскольку многие из заменяемых узлов, которые могут потребоваться (например, при ремонте энергосистемы), стоят слишком дорого, чтобы хранить их про запас. Эти риски, которые невозможно контролировать, свидетельствуют о необходимости создания систем раннего оповещения, работающих на основе средств непрерывного мониторинга Солнца, в частности наземных солнечных радиотелескопов.

Существует множество способов мониторинга солнечной активности, одним из которых является простой подсчет солнечных пятен. Преимущество радиоизмерений заключается в том, что они могут выполняться автоматически с поверхности Земли, почти или совсем не нуждаются во вмешательстве человека, а также не требуют больших финансовых затрат. Кроме того, можно поддерживать калибровку данных, качество и непрерывность измерений на протяжении длительного времени.