Методы исследования радиоисточников в режиме околозенитного синтеза на РАТАН-600 Верходанов, Олег Васильевич

Введение к работе

- з -Актуальность. РАТАН-бОО в настоящее время является слит из основных поставщиков информации о радисистсчникпх с плотностями потоков от 5 до 50 мЯн в сантиметровом диапазоне волн.

Данная популяция рздиоисгочнкков является пакменез изученной и поэтому представляет наибольший наушнй интерес [13. Е іастчост:'. к этой популяции радиоисточннкоз принадлежат предельно далекие объекты, изучение которых монет пролить свет на пулі образования галактик и всеП Вселенной в целом.

Исследования объектов этой популяции на РАТАН-бОО связана как с модернизацией телескопа, гак и с освовтем новых реккмез наблюдении к новых методов обработки наблюдательных данных.

Для наиболее полного исследования объэктоз этого диапазона необходимо когяшэксноэ изучение их спектров л структури, КОТОСО0 может быть достигнуто з результате проведения кооперативных программ с другими крупнейшими телескопами міра как радио, так и оптического диапазонов.

Большую роль в изучении рвдиоисточникоз играют телескопи, работающие в других диапазонах волн: инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазоне.

Для хорошего отождествления с данными других телескопов необходима точное знание координат открываемых радиообЪектоз и ш: плотностей потоков (для оценки интенсивностой).

Поэтому значительные усилия автора были направлены на исследование еще недостаточно опробованных ре:кчшЕ наблюдений на РАТАН-бОО с кольцевой алертурсй, а та:шз на создание гибкой системы обработки астрономических данных, позволяющей обрабатывать данные, полученные на различных телескопах.

Создание гибкой системы обработки астрономических данных 1.ГС0АД) Сило также инициировано переходом на хоицше вичислителышо мыпины типа ІБМ PC и многопользовательские и многепроцеосевые UNIX-подоОіше операционные системы (ДЕЛОС, ХЕ1П.Х, 336/ix). Это дало еозмокіость каждому пользователю строить свои систему обработки, но в рамках общей, з чем и заключала гибкость П.ЧАД.

Требование непрерывного повышения потенциалов действующих радиотелескопов внедрением новых прогрессивных методов привело к целесообразности оценки эффективности РАТАН-ьОи а режиме многоэлементной фазированной решетки.

_ 4 -Основними целями работы являются:

1) создание алгоритма обработки двумерных обзоров неба для
обнаружения слсбых радиоисточников;

1. обработка обзора 1988 года, . проведенного в рениме с кольцевой апертурой;

2. исследование радаоисточников, открытых в результате обработки обзора 1988 года;

А ) создашіе системы обработки радиоастрономических данных и внедрение ее на различных компьютерах (класса 286 и 386) как стандартной'системы обработки астрономических данных; 5) исследование новых режимов работы FATAH-600 (сопровождения объектов, а также РАГАН-600 как антенной решетки) при работе с кольцевой апертурой и оценка возможностей дальнейших наблюдений. Научная новизна. Впервые на РАГАН-600 был проведон двумерный обзор неба в резкие околозенитного синтеза с использованием всей поверхности телескопа. При обработке этого обзора автором был применен новый алгоритм, сочетающий' в себе дисперсионный анализ и "чистку".

В результате обработки впервые получен каталог из 70 рддиоисточников с глубиной до Ы мЯн в сантиметровом диапазоне волн на склонении около 47.

Впервые построены спектры отдельных объектов каталога.

Рассчитаны режимы сопровождения для наблюдений на VI типе.

Рассчитан резким работы РАТАН.-600 как антенной решетки. 'Научное и практическое значение. Полученный каталог и спектры отдельных объектов добавили новую информацию о популяции радиоисточников в диапазоне от 14 до 50 мЯн с координатной точностью, достаточной для глубокого отождествления.

Создана и внедрена гибкая система обработки астрономических данных Н2 РАГАН-600, позволившая получить новые астрофизические результаты.

Созданы комплексы программ для расчетов режимов сопровождения ка жесток тиле облучателя it математического моделирования, позволяющего имитировать работу РАГАН-600 как ентеннск рсоїетіш. ¹'.'і :-;.::нту вкносятся: :, f.'-i':o:.^riKS і: результаты (каталог) обработки обзора.

объектов обзора.

3. Методика построения и развития системы обработки.

4. Результаты расчетов, связанных с ношми регаїмамн наблюденил для кольцевой апертуры.

Апробация работы. Основные результати работы докладывались на XXII (Харьков, 1989), XXIII (Гуадалахара, Испания, 1990), XXIV (Ґетеборг, Швеция, 199! ) конференциях молодих огрог.едсклх радиоастрономов, на 22-ой Всесоюзной конференции "Гадиотодсекопи и радиометры" (Ереван, 1990), на 23-еЯ Всесоюзной конференцій; "Галактическая и внегалактическая радиоастрономия" (Ашхабад. 1991), но коллоквиуме МАС 140 (Япония, 1992), да конкурсах и радиоастрономических сежаюраг. CAO FAIL Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введення, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературу из 1П0 наименований и нрилехеннк; содержит 192 стрячицч, в тем ч;:е.ге .:7 рисунков и 20 таблиц.

Во введении дан обзор работ, связанных с синтезом -изображіил на РАЇАН-600, идоолощей и копструктивішми особенностями РАТАН-600, а так;::е электродинамическими характеристика,,;:; АПП в решме ОКОЛО30Щ1ТН0ГО синтеза -

Сформулированы задачи диссертационной роботы и приведено краткое ее содержание.

В пэрвой главе формулируются астрофизические задачи и молоды их решения для реззма "Зенит".

Коротко можно выделить еледукацке астрофизические задачи:

1) построение радиоизоердаений отдэльшх раднонсточникои:

2. двумерные обзоры неба с целью поиска нових вне:'.'.!.::,':;: тическта источников;

3. исследование Галактики вдоль спираль: ах рукавов л ее топкой структуры на высоких галактических широтах;

4) радиоспектроскопия мелкзездной среды; картогрзфпрпг-.чіг.ю в
линиях;

5) различные задачи солнечной радпоастсонсил. Например,
ро;сет радпогелпографа, предложенный Г.Б.Гельфр-.'Яхом [21.

Рассматриваются пути реиэвия первых двух задач. Этс, с одно", стороны, синтез и построено одномерного І№". Дї'уМОРИЧГО ПЮПу.Ы.СУЛС

источника н,с другой сгсрош, обнаружение объектов и измерение их парада проз. Ё общем случае решение обеих задач мо^ет заключаться в ч-дборе соотг:РТОТЕу:о!двго оптимального фильтра. Обо задачи ставились и резались па РАТАН-6С0. В переем случае группой Фридмана били синтезирована изображения радкогалактнк Лебедь-А и Е'зрсэй-А (2С34) [31Д43, зо ьторсм случае с участком авторг Сил проведен двуюрнып обзор Had а на склонении около 4Т [5"j,

При синтезе пзобрзкзнпя радискстечника ЗСв4 фактически o-.r-i'a

скатэскроЕгка реальная диаграмма направленности в ре: ;о

кольцовой апорт ура. Позднее по источнику ЗС84 скла оценена точность наведення на объект о реглпте кольцевой апертура, которая составила 0".6 по прямому восхождению и 1".5 по склонению.

Во вговои главо описывается методика проведения и обработки Зенитного обзора 1988 г. [53. Оо'зор проводился в феврале-апреле 1938г. с кольцевой апертурой в диапазоне прямых восхождений от 8 до 14^;' и склонений от А'ҐОб'Лв" до 4707'45".

Калибровка радиотелескопа по плотности потока и координатам проводилась со опорному источнику KGC 7027. Антенная температура

ПО ИСТОЧНИКУ СОСТЛВИЛа 5.22К, ЧТО СООТВеТС'ГЕуОТ О^ЗКТИВНОЙ

плоаади антенны на высоте обзора 3400 и².

При наблюдениях попользовался приемник, разработанный В.Я.Гольновкм' [б], со слодукщк.ш характеристикам!: центральная частота Х₀=3.75 ГГц, шлжна полоси АГ = 450 МГц, шумовая температура системы Т_, ,. = 93К, реализованная чувствительность в данном обзоре при постоянной времени т = 1 с ДЇ -- 7 гК.

для обработки обзора автором бил предложен алгоритм, сочета-слип в себе достоинства корреляционной обработки сигналов, диенэрснонпого анализа и процедуры CLEAV.

Первоначально исходивз зйшіси на каздом сечении осреднялнсь с прн'.'.екекпе.'.': робастних алгоритмов, т.е. устойчивых к аномальным одеуентам выборки. После этого производилась свертка данных с аппаратной Функцией с ц&льы улучшения отношения сигнал/шум. Далее кгз;г.:.л фалл разбивался но- площадка размером по 8-10 диаграмм направленности >дп) по прямому восхождению, и в кэздой площадке пропг;г-оди.тл анализ днеп-эрспн. Зс.та дисперсия больше некоторой (в г.;.;'.;-'.'. случае 1.5-j), :о делался, лквод, что на площадке вероятно сть источник, и для его обнаружения, а также первичной оценки льраяйтрег запускалась процедура CLE,IN. Уточнение гарадатров

производилось вписыванием в область около максимального значения кривой свертки параболи.

Использование данных процедур позволило быстро и надемю обнаруживать источники при обработке обзоров, а такке определять их параметры. Одно из основных достоинств этого алгоритма состоит в том, что он позволил произвести обработку первичных данных "вслепую", т.е. без вмешательства пользователя.

Параллельно обработка производилась стандартными программами Гаусс-анализа.

В результате был получен каталог из семидесяти объектов с глубиной до 14 мЯн.

Полнота каталога для источников до 17 мЯн (3-3.5а) порядка 0.5, для источников 17-22 мЯн (4-4150) - 1.8, для источников от 22-30 - порядка единицы, для источников сильнее 30 мЯн меньше единицы. Превышение 1 значением полноты для источников 17-22 мЯп объясняется перекачкой в распределении источников из области более слабых потоков в область более сильных за счет сложения с шумами записей [7].

По данным обзора построена зависимость log II - log S и показано, что распределение источников соответствует полученным ранее на РАТАН-бОО [31.

В третьей главе приводится схема построения гибкой системы обработки астрономических данных (ГСОАД) под ОС UNIX.

В - связи с переходом в нашей стране на новое поколение компьютеров естественно встал вопрос о переводе старых систем обработки данных на новый технический уровень, и у пользователей, привыкших к старым методам обработки, закономерно возникает желание сохранить доказавшие свою надежность старые алгоритмы обработки данных, а также и принципы их построения в новых для пользователя операционных системах.

Однако при создании новой системы обработки [91 стояла задача реализовать с наибольшей эффективностью такие возможности новой техники, как большая оперативная память и быстродействие. Наиболее удобной на взгляд автора операционной системой для реализации представившася возможностей яшыется система UNIX. Эта система позволяет работать в мно/юпроцессовом, г.іюгосконном и многопользовательском режиме, имоэт развитый графический интерфейс и позволяет выполнять операции с порождением нових процессов, что,

- a -

ь свою очередь, позволяет создавать развитую конвейерную систему обработки данных.

Создание новой системы обработки данных также било инициировано необходимостью обработки Зенитного обзора 1988 г. и обзора "Холод-90" [101.

Свой подход к созданию системы обработки данных автор называет модульным, а саму систему обработки - гибкой системой обработки астрономических, данных.

Основные принципы работы с программами обработки при этом подходе совпадают с правилами работы операционной системы UNIX, командные языки которой shell и cshell являются командными языками ГСОАД. Сам нроцесс обработки представляет из себя последовательное применение тех или других операторов (команд) к данным пользователя, которые записаны в виде последовательности равноотстоящих измерений к хранятся в отдельных файлах.

Особый вопрос при создании ГСОАД - рабочий формат записи данных. Автором совместно с лабораторией информатики САО РАН был разработан и внедрен так называемый F-формат [111, близкий по своим характеристикам к PITS формату [121. Р-формат представляет из себя файл с двоичными данными, которым предшествует символьная шапочка. В заголовке хранится описание данных и наблюдений: размерности, 'единицы измерения, параметры телескопа и режима наблюдений - в виде ключевых слов и их значений. Для базовых ключевых, слов (размерности, единицы измерения и т.п.) используются стандартные имена для PITS формата, для параметров РАТАН-600 автором были предлотаны и внедрены новые (но в стандарте FITS) ключевые слова. Одно из важных достоинств F-формата и отличие от FITS - редактируемость стандартными программами-редакторами символьной шапочки.

Друг.ім вахным звеном при создании ГСОАД является реализация удобно;! визуализации данных. При создании программ визуализации автор использовал библиотеку CGI системы XENIX, но таким образом, чтони ч дальнейшем произвести безболезненный переход е стандартную графическую оболочку X-vtr,dcw системы UNIX. Автором была также пр-эд^гю:;:она система описания графопостроителей - файл PLOTCAP, nostc^Jufl'^iit выводить данное на различные типы графопостроителей без изменения программ обработки, а лишь переименованием логических UMSI! СреДЫ.

Система порождения процессов была- использована при создают многоуровневой программ fgr интерактивной обработки в графическом режиме одномерных данных, облучателя 111 РЛТЛі{-&00, а также других данных, записанных в Р-фэрмате. Эта программа является графической оболочкой ГООЛД и позволяет производить скалярные и Еекторше операции над массивам! данных, производить удаление помех и оценивание дисперсии записи, вычитание фона, аппроксимацию гауссиэной и вписывание стандартных диаграмм в массивы данных с использованием программ ГСОЛД и многие другие операции.

Важную роль при создании ГСОЛД сыграл разработанный автором пакет rtnsp для расчета мгновенных спектров радиоисточіоков на РАТАН-600 [13], включающий в себя программы работы с базами данных радиоисточников, расчета диаграмм направленности PWAH-600, оценки параметров источников и расчета эффективных площадей антенны по наблюдениям калибровочных источников на различных длинах волн, построения мгновенных сгектров источников я аппрогсимацки спектров набором кривых. Пакет позволяет работать как. в диалоговом, так и в автоматическом режимах.

В четвертой глаге описываются результаты дополнительных исследований, проведенных в ГСОАД, объектов Зенитного обзора 1988г.

После проведения дополнительной обработки дгнных обзора (комбинированное вычитание фона) автором получен! оценки для некоторых вынесенных по высоте из зоны обзора радионсто'пшкои. Автором были также произведены отождествления этого каталога л данными каталогов 8TGB, 6СІІ, 5С5, UTRAO и MASTER. LIST. (\МЗ). Одиннадцать объектов своого каталога автор отоздеотвил с объекта.:/ этих каталогов. Для данных радаоксточниксв построены спектры и оценено распределение спектрального индекса.

По результатам этих отождествлений спектральный жиекс на длин* волны 8 см оказался распределен равномерно от -0.1 до -2.?:. Подобное равномерное распределение объясняется малочисленной

выборкой объектов И ВОЗМОЖНЫМИ О'ЛИбОЧНЫМИ ОТОВДСТЬЛОНИЛМИ.

Для осталышх объектов каталога опредолона верхняя граница спектрального индекса по данньл Техасского каталога. ;.!одпэнноч значение верхней границы спектрального индекса составляет --(.1.

Для ряда раднепсточликев каталога произведено о;::ическсе

отождествление с предельно слабыми объектами Паломарского Атласа. Отождествление производилось с помощью пакета программ "ОТО" для полуавтоматического отождествления радиоисточников [14J.

Излагается также программа дальнейших исследований объектов отого каталога: наблюдения на WSRT к, возможно, на БТА - для получения дополнительных данных в радиоконтинууме, радиокарт и 0CD снимков с целью выяснения природы и классификация этих объектов.

Подчеркивается, что в настоящее время наиболее результативным является многостороннее комплексное изучение объектов, проводимое на различных телескопах, работающих в различных диапазонах.

В пятой главе описываются возможные варианты использования РАТАН-600 в режиме околозенитного синтеза. Рассматривается вариант наблюдений по списку [3,4]. Описываются выигрышные моменты, связанные с наблюдениями по "списку", перед двумерными обзорами неба в основном проектном варианте. При этом происходит как экономия времени, так и экономия материальных затрат. При работе ''по списку" легко может быть реализован режим сопровождения объектов в течение 43 с на облучателе VI типа. При этом за счет увеличения времени накопления для длины волны 8.0 см чувствительность возрастет в 4.8 раза.

Выводятся основные формулы, связанные с моделированием движения каретки облучателя VI типа [4,153. Особенностью (и отличием от облучателей других типов) является то, что в этом случав кврегка движется по дуговым рельсам. .Также очень, большое значение им-ет вынос рупора приемника из фокуса при наблюдениях в околозенитнои области. В результате этого время нахождения к зоне видимости без коррекции положения облучателя по радиальным рельсам в центре телескопа сокращается до 43 с Приводятся модельные кривые прохождения радиоисточника через диаграмму направленности РАТАН-600 в режиме околозенитного синтеза.

Рассматривается резким работы РАТАН-600 как фазированной антенной решетки [16,171. При этом рассматривается работа элементов РАТАН-600 как независимых антенн диаметром 10 м в количестве 21 и 174. Рассчитывается заполнение uV-плоскости для случая 2-MHH.VTHoro и часового алежэния для обоих случаев. Вычисляется синтезированная диаграмма направленности РАТАН-600 для этих случаев как для естественного, так и для равномерного взрегнв&кия. Рассчитывается чувствительность системы для точечных

- 11 -и протяженных радиоисточников и уровень боковых лепестков. Показывается, что в этом режиме работа РАТАН-600 может конкурировать с современными проектами НРАО [18].

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.

В приложениях приводятся каталог обнаруженных радиоисточников, примеры организации шапочек F-формата, список команд (утилит) системы обработки и результаты отождествлений объектов каталога с другими радиокаталогами и оптическими объектами Паломарсксго Атласа.