[論文レビュー] The Standing Wave Phenomenon in Radio Telescopes; Frequency Modulation of the WSRT Primary Beam

Attila Popping, Róbert Braun|ArXiv.org|Dec 14, 2007

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 9被引用数 28

ひとこと要約

本稿では、3C147のホログラフィック観測を用いて、ウェスターブルク合成電波望遠鏡（WSRT）の一次ビームの周波数分解能付き、全スティ mol な経験的モデルを提示する。このモデルは、約17 MHzの周期性に起因する定在波効果に起因する、主ビーム面積、側 lobes 異常比、有効口径などのビーム特性に5–10%の強い振幅変動を明らかにした。このモデルにより、周波数依存のビーム歪みを補正することで、干渉計測画像の再現性が向上する。

ABSTRACT

Inadequacies in the knowledge of the primary beam response of current interferometric arrays often form a limitation to the image fidelity. We hope to overcome these limitations by constructing a frequency-resolved, full-polarization empirical model for the primary beam of the Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT). Holographic observations, sampling angular scales between about 5 arcmin and 11 degrees, were obtained of a bright compact source (3C147). These permitted measurement of voltage response patterns for seven of the fourteen telescopes in the array and allowed calculation of the mean cross-correlated power beam. Good sampling of the main-lobe, near-in, and far-side-lobes out to a radius of more than 5 degrees was obtained. A robust empirical beam model was detemined in all polarization products and at frequencies between 1322 and 1457 MHz with 1 MHz resolution. Substantial departures from axi-symmetry are apparent in the main-lobe as well as systematic differences between the polarization properties. Surprisingly, many beam properties are modulated at the 5 to 10% level with changing frequency. These include: (1) the main beam area, (2) the side-lobe to main-lobe power ratio, and (3) the effective telescope aperture. These semi-sinusoidsal modulations have a basic period of about 17 MHz, consistent with the natural 'standing wave' period of a 8.75 m focal distance. The deduced frequency modulations of the beam pattern were verified in an independent long duration observation using compact continuum sources at very large off-axis distances. Application of our frequency-resolved beam model should enable higher dynamic range and improved image fidelity for interferometric observations in complex fields. (abridged)

研究の動機と目的

• 干渉計測モザイキングにおいて、WSRTの一次ビーム応答の不正確さが引き起こす画像再現性の制限を是正すること。
• 非軸対称的かつ周波数依存のビーム特徴を捉える高分解能・全スティ mol な経験的ビームモデルの開発。
• 望遠鏡構造に起因する多重経路干渉による定常波現象を特定・定量すること。
• 赤道座標台に設置されたWSRTを用いた長時間のオフアシス連続波観測により、モデルの予測を検証すること。
• 全パワーオブザーブェーションにおいて定常波効果を抑制するための物理的解決策—広帯域の等方的表面処理—を提唱すること。

提案手法

• 5 arcmin から11度の角度スケールにわたる電圧応答パターンをサンプリングするため、明るくコンパクトな電波源3C147のホログラフィック観測が用いられた。
• WSRTの14台中7台が測定され、5度のオフアシスまで良好なダイナミックレンジで平均相互相関電力ビームの計算が可能になった。
• 1322〜1457 MHzの周波数範囲で1 MHzの周波数分解能を有する、全4つのスティ mol 状態（XX, XY, YX, YY）の経験的ビームモデルが構築された。
• 周波数依存のビーム変動が特定され、8.75 mの焦点距離と整合する理論的定常波周期17 MHzと関連づけられた。
• 大角度のオフアシスでのコンパクト電波源に対する独立した長時間観測により、周波数依存のフラックス密度変動が予測通りに確認された。
• コherent 反射を最小限に抑えるために、白色雑音場に-2乗法則のトレイピングを適用した表面処理設計が提案された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一次ビーム応答の周波数依存変動は、WSRTの干渉計測画像再現性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ビームの非軸対称的特徴および側 lobes は、標準的な cos⁶(rν) 近似からどの程度ずれるか？
• RQ3 観測された17 MHzの周期性は、望遠鏡構造内のcoherent 反射に起因する定常波効果に起因するものと特定できるか？
• RQ4 経験的ビームモデルは、長時間の干渉計測観測におけるオフアシスフラックス密度変動を効果的に補正できるか？
• RQ5 広帯域の等方的表面処理は、全パワーオブザーブェーションにおける定常波効果を緩和できるか？

主な発見

• WSRTの一次ビームは、1322–1457 MHz帯域全域で、主ビーム面積、側 lobes 対主ビームパワー比、有効口径に5–10%の強い振幅変動を示す。
• これらの変動は、理論的定常波周期と一致する約17 MHzの基本周期を示し、焦点距離8.75 mと整合する。
• モデルは、長時間の干渉計測観測におけるオフアシス源の周波数依存フラックス密度変動を効果的に補正できた。
• モデルは、軸対称性の著しい逸脱と、特に側 lobes における系統的な偏光依存ビーム差異を明らかにした。
• オフアシス連続波源を用いた独立した検証により、予測された周波数依存フラックス変動が確認され、経験的モデルの妥当性が裏付けられた。
• コherent 反射を抑制するためのプロトタイプ広帯域等方的表面処理が、白色雑音場に-2乗法則のトレイピングを適用することで設計され、70 cm から1.5 cm の波長範囲で有効であることが示された。