[论文解读] System design and calibration of SITARA -- a global 21 cm short spacing interferometer prototype

Jishnu N. Thekkeppattu, B. McKinley+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2022

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 34被引用 10

一句话总结

本文介绍了SITARA，这是一个部署在默奇森低频天文台的短基线21厘米干涉仪原型，用于研究全球21厘米信号探测。结果表明，尽管存在不可忽略的噪声耦合和串扰，短基线干涉仪仍能探测全天信号，当在天线响应中考虑互耦效应时，校准后的数据能被可见度方程良好拟合。

ABSTRACT

Global 21-cm experiments require exquisitely precise calibration of the measurement systems in order to separate the weak 21-cm signal from Galactic and extragalactic foregrounds as well as instrumental systematics. Hitherto, experiments aiming to make this measurement have concentrated on measuring this signal using the single element approach. However, an alternative approach based on interferometers with short baselines is expected to alleviate some of the difficulties associated with a single element approach such as precision modelling of the receiver noise spectrum. Short spacing Interferometer Telescope probing cosmic dAwn and epoch of ReionisAtion (SITARA) is a short spacing interferometer deployed at the Murchison Radio-astronomy Observatory (MRO). It is intended to be a prototype or a test-bed to gain a better understanding of interferometry at short baselines, and develop tools to perform observations and data calibration. In this paper, we provide a description of the SITARA system and its deployment at the MRO, and discuss strategies developed to calibrate SITARA. We touch upon certain systematics seen in SITARA data and their modelling. We find that SITARA has sensitivity to all sky signals as well as non-negligible noise coupling between the antennas. It is seen that the coupled receiver noise has a spectral shape that broadly matches the theoretical calculations reported in prior works. We also find that when appropriately modified antenna radiation patterns taking into account the effects of mutual coupling are used, the measured data are well modelled by the standard visibility equation.

研究动机与目标

• 在默奇森低频天文台开发并部署一个短基线干涉仪原型（SITARA），用于测试全球21厘米信号探测。
• 研究在紧密排列的干涉测量系统中影响传统校准假设的系统误差，如噪声耦合与串扰。
• 在考虑互耦效应等现实条件的情况下，验证短基线干涉仪对全天空信号（特别是天空单极）的响应。
• 开发并测试校准策略，以应对诸如频率相关的波束色散性和接收机噪声频谱形状等非理想因素。
• 通过表征系统误差并优化低频干涉测量的校准技术，为未来仪器（如EDA-2和SKA-low）提供测试平台。

提出的方法

• 在默奇森低频天文台部署了一个四单元短基线干涉仪（SITARA），其天线间距紧密（基线≤1.5米）。
• 通过可见度数据的互相关测量天线间的相干性，采用修改后的辐射图案对标准可见度方程进行修正，以考虑互耦效应。
• 利用全球天空模型（GSM）进行天空亮度温度建模，并结合模拟的天线响应来模拟系统响应，实施校准。
• 通过现场部署测试和EMI腔体测量，对系统端到端性能进行验证，以评估电磁兼容性。
• 基于实测频谱形状，对噪声耦合与串扰进行经验建模，并与Venumadhav等人（2016）的理论预测进行比较。
• 采用基于Python的数据分析流程（numpy、scipy、astropy、aipy、healpy）进行可见度校准、天空模型拟合及系统误差表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在仪器系统误差的情况下，SITARA这类短基线干涉仪是否仍能探测到全天空21厘米信号单极？
• RQ2 在紧密排列的天线之间，噪声耦合与串扰在多大程度上影响可见度测量与校准精度？
• RQ3 互耦效应与非理想天线辐射图案如何改变可见度响应，使其偏离标准可见度方程？
• RQ4 通过包含互耦效应的修改后天线图案，能否准确建模校准后的可见度数据？
• RQ5 短基线干涉仪中耦合接收机噪声的频谱特性是什么？其与理论预期相比如何？

主要发现

• SITARA对全天空信号表现出可测量的响应，证实即使在传统傅里叶分析直觉下，短基线干涉仪仍能探测到全球21厘米信号。
• 观测到天线间存在不可忽略的噪声耦合，当前配置下耦合电平低于单个接收机噪声功率的20%。
• 耦合接收机噪声的频谱形状与Venumadhav等人（2016）的理论预测总体吻合，尤其在相干性较低的150–200 MHz频段。
• 当天线辐射图案适当地引入互耦效应后，实测可见度数据能被标准可见度方程良好拟合。
• 该系统对天空单极表现出特征性的sinc样响应，其随基线长度的变化规律与Vedantham等人（2015）的理论预期一致。
• 串扰与噪声耦合等系统性效应显著，必须在紧密排列的干涉测量系统中显式建模，才能实现准确校准。