[论文解读] Progress in the Construction and Testing of the Tianlai Radio Interferometers

Santanu Das, Christopher Anderson+45 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2018

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 23被引用 6

一句话总结

天籁探路者展示了利用两种不同类型的射电干涉仪阵列——柱形天线和抛物面天线——进行21厘米强度测绘的可行性，旨在测绘再电离后宇宙的大尺度结构。关键进展包括通过仿真和无人机测量对波束图案进行表征，测试增益与相位稳定性，并实现模块化、可扩展的数据处理流水线，用于校准与巡天观测。

ABSTRACT

The Tianlai Pathfinder is designed to demonstrate the feasibility of using a wide field of view radio interferometers to map the density of neutral hydrogen in the Universe after the Epoch of Reionizaton. This approach, called 21~cm intensity-mapping, promises an inexpensive means for surveying the large-scale structure of the cosmos. The Tianlai Pathfinder presently consists of an array of three, 15~m $ imes$ 40~m cylinder telescopes and an array of sixteen, 6~m diameter dish antennas located in a radio-quiet part of western China. The two types of arrays were chosen to determine the advantages and disadvantages of each approach. The primary goal of the Pathfinder is to make 3D maps by surveying neutral hydrogen over large areas of the sky %$20,000 { m deg}^2$ in two different redshift ranges: first at $1.03 > z > 0.78$ ($700 - 800$~MHz) and later at $0.21 > z > 0.12$ ($1170 - 1270$~MHz). The most significant challenge to $21$~cm intensity-mapping is the removal of strong foreground radiation that dwarfs the cosmological signal. It requires exquisite knowledge of the instrumental response, i.e. calibration. In this paper, we provide an overview of the status of the Pathfinder and discuss the details of some of the analysis that we have carried out to measure the beam function of both arrays. We compare electromagnetic simulations of the arrays to measurements, discuss measurements of the gain and phase stability of the instrument, and provide a brief overview of the data processing pipeline.

研究动机与目标

• 验证宽场射电干涉仪在21厘米强度测绘大尺度宇宙结构中的可行性。
• 比较柱形天线与抛物面天线阵列在不同红移下测绘中性氢的性能。
• 实现波束图案与仪器稳定性的高精度校准，以减轻前景污染的影响。
• 开发模块化、开源的数据处理流水线，以实现对干涉数据的高效、自动化分析。
• 通过实现精确校准与系统误差控制，为未来的宇宙学巡天铺平道路。

提出的方法

• 部署了双阵列系统：三台15米×40米的柱形望远镜和十六台6米抛物面天线，位于中国西部的射电宁静区域。
• 对两种阵列几何结构进行电磁仿真，并与实测波束图案对比，以验证校准模型。
• 在观测频段（700–800 MHz 和 1170–1270 MHz）内进行增益与相位稳定性测量，以评估仪器可靠性。
• 采用tlpipe软件包实现基于任务的数据处理流水线，支持在个人电脑、集群或超级计算机上实现自动化、可扩展的数据流。
• 计划使用可携带无线电源载荷至2500米高空的DJI Matrice-600 Pro无人机进行波束测绘。
• 利用可指向的抛物面天线阵列对准北天极，以最小化观测区域，实现高信噪比的21厘米波段映射。

实验结果

研究问题

• RQ1 宽场柱形天线与抛物面天线阵列是否均能达到21厘米强度测绘宇宙学所需的波束图案精度？
• RQ2 机械与环境变化（如温度）如何影响波束图案并引入系统误差？
• RQ3 无人机测量在中等成本下能多大程度上实现高精度波束校准？
• RQ4 tlpipe数据处理流水线是否能实现完全自动化、可扩展且可复现的干涉数据处理？
• RQ5 21厘米强度映射与光学星系巡天的相关性如何，以验证强度测绘技术的有效性？

主要发现

• 天籁阵列的电磁仿真结果与实测波束图案高度一致，验证了校准模型的可靠性。
• 该仪器在700–800 MHz与1170–1270 MHz频段内表现出足够的增益与相位稳定性，可支持宇宙学巡天。
• tlpipe数据处理流水线在初始配置后无需人工干预即可完成全流程数据处理，且可在多种计算平台上运行。
• 计划于2018年夏季开展无人机波束测绘，DJI Matrice-600 Pro预计可实现约1厘米的定位精度，支持高精度波束测量。
• 抛物面天线阵列可指向北天极，实现高效积分，从而在小天区范围内获得高信噪比的21厘米映射。
• 在红移z ~ 0.15处的21厘米巡天将覆盖与北天极光度巡天相同的体积，可与星系红移图进行直接比对，验证强度测绘作为宇宙学工具的有效性。