A A A A Автор Тема: Много-апертурный телескоп.  (Прочитано 4463 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн ekviАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 4 154
  • Благодарностей: 151
    • Сообщения от ekvi
Много-апертурный телескоп.
« : 10 Фев 2015 [14:41:41] »
В книге "Оптические телескопы будущего", выпущенной в 1981м издательством Мир под редакцией П.В. Щеглова, говорится о соединении нескольких телескопов в единую сеть с целью повышения эффективности астрономических исследований.
В темах "Адаптивная оптика" и "Многозеркальный телескоп" нашего форума этот вопрос также рассматривался и упоминалось большинство его аспектов. Большинство участников склонны считать, что Много- или Поли-Апертурный Телескоп (ПАТ) может увеличить только суммарный сигнал, но не разрешающую способность эквивалентного инструмента.
Участники других Форумов робко замечают, не приводя никаких доказательств, что при определенных условиях возможно увеличение и разрешающей способности.
Хочу привести свои аргументы в пользу последнего утверждения.
« Последнее редактирование: 10 Фев 2015 [14:57:39] от ekvi »

Оффлайн Deimos

  • Модератор
  • *****
  • Сообщений: 17 405
  • Благодарностей: 309
    • Skype - deimos.belastro.net
  • Награды Открытие комет, астероидов, сверхновых звезд, научно значимые исследования.
    • Сообщения от Deimos
    • Белорусская любительская астрономическая сеть
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #1 : 10 Фев 2015 [14:49:26] »
Констатировали факт. И что дальше?
У природы нет плохой погоды, у неё просто на нас аллергия.

Учение без размышления бесполезно, но и размышление без учения опасно /Конфуций/
Слово есть поступок. /Л. Толстой/

Оффлайн ekviАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 4 154
  • Благодарностей: 151
    • Сообщения от ekvi
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #2 : 10 Фев 2015 [14:52:54] »
1. Оптический прибор - благодаря протяженности своей апертуры - ВСЕГДА дает стереоскопическое изображение и самого объекта, и каждой его точки: центральная зона прибора воспринимает излучение от лобовой части объекта, левый край апертуры - как бы заглядывает на объект слева, правый край - справа.
2. Именно благодаря упомянутой стереоскопичности разрешение зависит от размера апертуры или от разнесенности ее частей. Можно предположить, что атом можно увидеть в случае, когда угол, под которым апертура будет его рассматривать, составит 360 градусов.
Например, обеспечить угол обзора в 360 градусов можно с помощью 2х ол-скай-камер. Подобным зрением обладают лошади, рыбы и др. Для "внутреннего" 360-гр. - эллипсоид.

Программу, производящую суммирование изображений, поступающих на "сумматор" от входящих в сеть телескопов, можно сравнить со зрительным центром у человека. Но в наших представлениях об этом процессе есть только суммирование сигналов, идущих по эл. или стекловолоконным кабелям. По-видимому, при таком подходе более, чем на повышение яркости, и нельзя расчитывать.
« Последнее редактирование: 10 Фев 2015 [15:22:58] от ekvi »

Оффлайн ekviАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 4 154
  • Благодарностей: 151
    • Сообщения от ekvi
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #3 : 10 Фев 2015 [15:26:25] »
Однако мне представляется, что возможен и другой подход для увеличения результирующей разрешающей способности сети, составленной из ПАТ. Вот его алгоритм.
3.1. С далеко разнесенных друг от друга малых телескопов, составляющих ПАТ, делаются снимки одного объекта.
Здесь есть несколько нюансов: фокус каждого телескопа должен обеспечивать разрешение для всего ПАТ по теореме Котельникова с учетом критерия Найквиста; хотя разрешение ПАТ находится на уровне, много меньшем секунды, юстировка его элементов не составляет затруднений, т.к. размер минимального элемента - пикселя - имеет 3 -15 мкм, т.е. достижимо.
3.2. Полученные с каждого телескопа в электронном виде снимки сканируются программой и для каждого пикселя пропорционально его яркости в суммарную зрачковую функцию ПАТ добавляется зрачковая функция входящего в сеть телескопа.
Зрачковая функция входящего телескопа является его аппаратной функцией, снятой для звезды единичной яркости.
Таким образом, суммирование производится не по интенсивности, а по волновой - зрачковой - функции. Для учета фазы производится коррекция аппаратной функции входящего телескопа на его положение в сети ПАТ.
3.3. По завершении обработки снимков суммарная зрачковая функция подвергается преобразованию Фурье, в результате которого образуется суммарное изображение объекта.
Алгоритм предусматривает и пост-обработку снимков одного объекта, полученных с различных телескопов, но для фиксации быстро протекающих изменений в объекте они должны быть сняты в одно и то же время. Существенную роль играет согласование фокуса входящих телескопов с разрешающей способностью ПАТ.
« Последнее редактирование: 11 Фев 2015 [08:56:32] от ekvi »

Оффлайн krussh

  • *****
  • Сообщений: 2 406
  • Благодарностей: 106
  • http://www.soulfulbits.com/
    • Сообщения от krussh

Оффлайн Gleb1964

  • *****
  • Сообщений: 1 486
  • Благодарностей: 148
    • Сообщения от Gleb1964
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #5 : 10 Фев 2015 [15:47:49] »
возьмем, например, VLT (Very Large Telescope) - четыре телескопа по 8.2м каждый, которые могут использоваться как отдельно, каждый сам по себе, так и объединяться в единый инструмент в разных конфигурациях, используя суммарную собирающую силу. Объединение телескопов в единый инструмент может быть произведено когерентным или некогерентным способом. В случае некогерентного объединения складываются интенсивности, фаза теряется, используется просто большая суммарная собирающая способность, например, для спектроскопии слабых источников. В случае когерентного сложения линия задержки, находящаяся в подземном туннеле, фазирует изображения с нулевой разбежкой фазы, образуя интерферометр. Суммарное разрешение при этом возрастает. Линия задержки отслеживает фазу сложения, компенсируя изменение базы между инструментами вследствие вращения Земли.



правда, не все это еще воплощено в реальность
« Последнее редактирование: 10 Фев 2015 [15:57:37] от Gleb1964 »

Оффлайн ekviАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 4 154
  • Благодарностей: 151
    • Сообщения от ekvi
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #6 : 10 Фев 2015 [15:58:43] »
Линия задержки отслеживает фазу сложения
это - аппаратное решение фазировки. Замечательно, что это реализовано. Почему ж никто также четко не возразил, когда утверждали противное в теме "Многозеркальный телескоп"?- все только потешались над Пафнутием...
« Последнее редактирование: 10 Фев 2015 [17:46:55] от ekvi »

Оффлайн ekviАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 4 154
  • Благодарностей: 151
    • Сообщения от ekvi
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #7 : 10 Фев 2015 [16:08:53] »
http://en.wikipedia.org/wiki/Astronomical_optical_interferometry
Спасибо, Вадим, в упомянутой книге интерферометр фигурирует, но полосы наглядности не увеличивают.

Оффлайн ekviАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 4 154
  • Благодарностей: 151
    • Сообщения от ekvi
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #8 : 10 Фев 2015 [16:17:06] »
правда, не все это еще воплощено в реальность
Здесь много трудностей:
1. Пространственное вычисление (измерение) расфазировки входящих телескопов.
2. Турбуленция атмосферы (в открытом космосе или на околоземной орбите будет безупречно работать).
3. Тепловые, сейсмические, погодные и пр. воздействия.
и т.д., но все они преодолимы (см. упомянутый сб. статей 1981 г.).
« Последнее редактирование: 10 Фев 2015 [17:47:18] от ekvi »

Оффлайн Gleb1964

  • *****
  • Сообщений: 1 486
  • Благодарностей: 148
    • Сообщения от Gleb1964
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #9 : 10 Фев 2015 [16:33:49] »
нет большого смысла делать интерферометр без адаптивной оптики, компенсирующей турбулентность атмосферы и гнутие элементов системы. Там, на рисунке, между фокусами Нэсмита и Кудэ есть два зеркала, ломающих ось - одно из них явно гибкое зеркало адаптивной оптики в промежуточном изображении главного зеркала. А вообще, большинство инструментов, которые устанавливают в фокус Нэсмита имеют собственные системы адаптивной оптики, оптимизированных под задачу и спектральный диапазон. Фокус Нэсмита - напомню - он вынесен из подвижной части телескопа и сам неподвижен, что позволяет там устанавливать весьма массивные интструменты - до 3т  :) Положение объекта в фокусе Нэсмита уже стабилизировано поворотным зеркалом (Tip-Tilt mirror), а задача последующей адаптивной оптики - компенсация локальных отклонений волнового фронта

Оффлайн krussh

  • *****
  • Сообщений: 2 406
  • Благодарностей: 106
  • http://www.soulfulbits.com/
    • Сообщения от krussh
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #10 : 10 Фев 2015 [16:49:02] »
коротко ознакомится можно здесь
http://www2.astro.psu.edu/users/alex/astro497_3.pdf

достаточно подробное описание здесь
http://dept.astro.lsa.umich.edu/~monnier/Publications/ROP2003_final.pdf

Оффлайн ekviАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 4 154
  • Благодарностей: 151
    • Сообщения от ekvi
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #11 : 10 Фев 2015 [17:55:36] »
Спасибо за поддержку.
Я слабо знаю сегодняшнее положение дел и выложил программное решение проблемы.

Оффлайн Gleb1964

  • *****
  • Сообщений: 1 486
  • Благодарностей: 148
    • Сообщения от Gleb1964
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #12 : 10 Фев 2015 [18:15:40] »
Спасибо за поддержку.
Я слабо знаю сегодняшнее положение дел и выложил программное решение проблемы.
но такое решение не работает. при регистрации сигнала фотоприемником регистрируется интенсивность или квадрат модуля комплексной амплитуды сигнала, фаза сигнала при этом теряется безвозвратно

Оффлайн ekviАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 4 154
  • Благодарностей: 151
    • Сообщения от ekvi
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #13 : 11 Фев 2015 [08:10:29] »
такое решение не работает
имеется ссылка на отрицательный результат?
при регистрации сигнала фотоприемником регистрируется интенсивность или квадрат модуля комплексной амплитуды сигнала, фаза сигнала при этом теряется безвозвратно
При сканировании снимка фаза восстанавливается - по аналогии с интерферограммой, при этом - зная конфигурацию ПАТ - программно вводится поправка фазы для каждого входящего телескопа. Эта поправка постоянно адаптивно устанавливается в попарном режиме.
Замечу, что чисто зеркакальная оптика с полностью устраненными аберрациями позволяет ограничиться когерентным случаем.
« Последнее редактирование: 11 Фев 2015 [09:01:22] от ekvi »

Оффлайн Gleb1964

  • *****
  • Сообщений: 1 486
  • Благодарностей: 148
    • Сообщения от Gleb1964
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #14 : 11 Фев 2015 [13:27:25] »
а зачем ссылка? попробую объяснить, как это я понимаю.
Для начала достаточно всего два телескопа, которые надо синтезировать в единую апертуру/интерферометер. Пускай у нас есть два точечных источника (двойная звезда), неразрешаемые одиночным телескопом, но разрешаемые на размере синтезированой апертуры. Между источниками есть малый угол, поэтому волновые фронты от них слекга наклонены друг к другу, что приводит к набеганию разности фаз между волновыми фронтами на размерах апертуры. Разрешение по критерию Релея 1.22λ/D соответствует такому наклону волнового фронта от источника, что на краю апертуры возникает разность фаз 0.61λ.
Если в пределах каждой субапертуры источник не разрешается, то в пределах синтезированной апертуры если набег разности фаз превосходит 0.61λ, то источники возможно разрешить. Но важно не потерять набег фазы на размере базы синтезированной апертуры (интерферометра).
Но в предложенном вами способе фаза в регистрации никак не учавствует. Если источники не разделяются одиночной апертурой, вы получаете на приемнике каждого из телескопов картинку, неотличающуюся от изображения точечного источника. И все, после этого никакая программная обработка вам не поможет. На каждом пикселе приемника будет записана сумма сигналов от двух источников с малым набегом фазы в пределах малой апертуры.

Оффлайн ekviАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 4 154
  • Благодарностей: 151
    • Сообщения от ekvi
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #15 : 11 Фев 2015 [15:06:50] »
Спасибо, Gleb1964: доходчиво, и логика понятна. Но почему-то при рассматривании двух кадров, отснятых разнесенными объективами, получается стереоизображение, дающее возможность увидеть больше, нежели "одним глазом". Постараемся понять, почему.
В предложенном Алгоритме подчеркивалось, что у входящих в ПАТ телескопов должны быть фокусные расстояния, достаточные для получения ожидаемого разрешения. Например, у входящего телескопа (ВТ) ф140, у ПАТ Ф1400, т.е. для ВТ разрешение 1", а ПАТ - 0.1"
Возьмём матрицу с размером пикселя 5 мкм и чтобы ПАТ разрешил 0.1", его фокус должен быть не менее F = 0.005/0.000 000 5 = 10 000 мм.
Если между регистрируемыми звездами угол составляет, например 0.3", то при их съемке каждый ВТ зарегистрирует две звезды, отстоящие друг от друга на 3 пикселя, которые можно будет увидеть при соответствующем увеличении, а при обработке этого снимка "сумматор" вложит в суммарную ошибку сдвиг фазы 0.3".
Да, звезды будут в 10 раз пухлее, чем при апертуре 1400 мм, и простое суммирование этих снимков будет не способно различить две звезды, но после БПФ суммарной зрачковой функции на результирующем снимке все будет стоять на своих местах.

« Последнее редактирование: 11 Фев 2015 [15:42:26] от ekvi »

Оффлайн Gleb1964

  • *****
  • Сообщений: 1 486
  • Благодарностей: 148
    • Сообщения от Gleb1964
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #16 : 11 Фев 2015 [17:16:24] »
объект имеет любые пространственные частоты и контрасты по частотам, объектив имеет функцию рассеяния точки (ФРТ), изображение объекта - математически - конволюция ФРТ объектива и объекта. Эту же операцию можно посчитать и через ЧКХ. Дальше следует приемник, с его апертурной характеристикой пиксела - умножение на нее (конволюция) - тоже линейная процедура, как и конволюция с ФРТ объектива. Далее следует "пикселизация" изображения - разбивка изображения по пикселам, которая нелинейна и зависит от того, как лягут пикселы на изображение, особенно если частоты совпадут - тут и муар может вылести, и ложные контуры.
От проблем с пикселами можно уйти, как вы правильно замечаете, увеличением масштаба изображения (фокусного расстояния) по отношению к пикселу. Отмечу здесь - ценой потери проницающей способности телескопа, ибо больше пикселов - больше шума на то же изображение.
Обратная процедура восстановления исходного изображения - деконволюция с известной ФРТ объектива - весьма шумная и неустойчивая процедура. Кроме того, надо учитывать, что для каждой длины волны у дифракционно-ограниченного объектива будет разная ФРТ - поскольку размер дифракционного изображения масштабируется с длиной волны. Это значит, что как минимум желательно работать в узкой спектральной полосе, видимо в синей - поскольку размер дифракции меньше. В лазерной микроскопии применяются методы получения субдифракционного разрешения - опять таки, за счет использования монохроматического света лазера, плюс еще модуляция изображения вдоль оси, для получения небольшой расфокусировки в обе стороны от оптимального фокуса.
Фактически, при этом речь идет о сканировании изображения острием вершины дифракционного изображения, что и позволяет добиться субпиксельного разрешения в обмен на время сканирования.
ну, а в случае стереозрения работает эффект параллакса, дающий ощущение глубины и нониусный эффект из-за способа упаковки колбочек в глазу, повышающий разрешение для вертикальных линий (без увеличения фокуса). Но матрицы-то имеют не гексогональную упаковку пикселов, так что здесь только увеличение фокуса помогает

Оффлайн ekviАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 4 154
  • Благодарностей: 151
    • Сообщения от ekvi
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #17 : 11 Фев 2015 [18:43:01] »
Все это прожектерство - до того момента, пока не будет получен результат, т.е. требуется эксперимент.
В моих условиях максимальный разнос субапертур - 700-900 мм. Правда, с одним товарищем мы живем в разных концах Е-бурга, т.е. ~14 км, но создать оптику с 20-километровым фокусом нереально, да и при секундном поле зрения не навестись на объект, которым может быть либо Луна, либо планета.
Буду подготавливать трубы для входящих телескопов Ф100-140 мм, пока хотя бы две, монтировку использую от астрографа системы Гамильтона Ф310 мм. Если кто-то меня обойдет - я буду рад сопоставить его результаты со своими.

Оффлайн Gleb1964

  • *****
  • Сообщений: 1 486
  • Благодарностей: 148
    • Сообщения от Gleb1964
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #18 : 11 Фев 2015 [19:43:56] »
Все это прожектерство - до того момента, пока не будет получен результат, т.е. требуется эксперимент.
В моих условиях максимальный разнос субапертур - 700-900 мм. Правда, с одним товарищем мы живем в разных концах Е-бурга, т.е. ~14 км, но создать оптику с 20-километровым фокусом нереально, да и при секундном поле зрения не навестись на объект, которым может быть либо Луна, либо планета.
Буду подготавливать трубы для входящих телескопов Ф100-140 мм, пока хотя бы две, монтировку использую от астрографа системы Гамильтона Ф310 мм. Если кто-то меня обойдет - я буду рад сопоставить его результаты со своими.
так в вашей методике база телескопов не имеет никакого физического смысла. точно так же можно с одиного телескопа снимать, в разные моменты времени - Земля то движется.. хоть в какой нибудь системе координат. Вы ведь не синхронизируете съемку с бесконечной точностью..
фазу электромагнитной волны ловят еще до частот 50ГГц, а видимый диапазон это 10 в 15 степени герц, здесь поднять разрешение поможет лишь когерентная апертура, когда свет со всех частей апертуры складывается когерентно, с учетом фазовых набегов.
Ну попробуйте превзойти дифракционный предел..
Цитата: ekvi
3.2. Полученные с каждого телескопа в электронном виде снимки сканируются программой и для каждого пикселя пропорционально его яркости в суммарную зрачковую функцию ПАТ добавляется зрачковая функция входящего в сеть телескопа.
- вот здесь, в изображении двойной звезды в реальном синтезированном многоапертурном телескопе для каждой звезды будет свой волновой фронт в зрачке, с набегом фазы пропорциональным базе элемента апертуры, как вы эти два фронта восстановите из неразрешенного изображения звезды? никак

Оффлайн Gleb1964

  • *****
  • Сообщений: 1 486
  • Благодарностей: 148
    • Сообщения от Gleb1964
Re: Много-апертурный телескоп.
« Ответ #19 : 11 Фев 2015 [19:55:51] »
Можно предположить, что атом можно увидеть в случае, когда угол, под которым апертура будет его рассматривать, составит 360 градусов.
вот в этом месте мне неясно - даже при таком апертурном угле разрешение стремиться к пределу длины волны. Повысить разрешение удается применением иммерсионной жидкости с высоким показателем преломления, поскольку при этом пропорционально показателю преломления уменьшается длина волны в среде. Но и даже в иммерсии и даже с переходом в ближний УФ не получится различать отдельные атомы