Semua sisi matriks

Semua sisi matriks

Marat Musin
"Mekanik Popular" №5, 2016

Ahli astronomi di Balai Cerap Kitt-Peak cuba memperkenalkan alternatif kepada optik penyesuaian – CCD dengan pemindahan caj ortogonal.

Terhadap latar belakang teleskop legenda Mayall dan spektrograp terbesar di dunia, yang bekerja di Balai Cerap Kitt Peak, teleskop WIYN tidak begitu hebat dan boleh hilang. Walau bagaimanapun, teknologi terkini yang digunakan pada ia meletakkannya setanding dengan alat astronomi terestrial yang paling bercita-cita tinggi.

Nama teleskop WIYN hanyalah pengumpulan surat-surat awal dari empat ahlinya: Universiti Wisconsin di Madison (W), Indiana University di Bloomington (I), Universiti Yale (Y) dan Balai Cerap Astronomi Optik Nasional (N). Sejak 2014, Yale meninggalkan konsortium itu, dan tempatnya diambil oleh Universiti Missouri, tetapi nama itu kekal

Pasir dan batu

Di seluruh planet terdapat banyak tempat di mana keadaan geografi dan iklim telah dibangunkan untuk para pengamat astronomi dengan cara terbaik. Ini adalah padang pasir Gurun di Atacama yang gersang, di mana terdapat empat gergasi 8.2 meter dari klinik VLT dan pelbagai teleskop milimeter ALMA.Ini adalah Gunung Mauna Kea di Hawaii, di mana terdapat lebih banyak teleskop daripada mana-mana bahagian lain planet ini, dan dataran tinggi Antartika, di mana 10 meter Teleskop tiang selatan. Gurun Sonoran di sempadan Amerika Syarikat dan Mexico juga terletak di baris yang sama: Balai Cerap Negara Kitt Peak beroperasi di sini.

Sonora, salah satu padang pasir terbesar dan kering di Amerika Utara, menduduki wilayah beberapa negeri. Di sini tinggal orang India kaum Papago – "Tohono-Oodham", "orang-orang padang pasir", dekat dengan penduduk Pima. Gunung Kitt-Peak yang menjulang tinggi di atas medan (dalam bahasa tempatan Oodham – Loligam) masih suci bagi mereka, tetapi tidak seperti puncak Babokvivari terletak sedikit jauh. Oleh itu, tidak seperti orang asli Hawaii, yang baru-baru ini menyekat pembinaan teleskop 30 meter baru di Mauna Kea, kaum India menyewa tanah di Kitt Peak lebih daripada setengah abad yang lalu dengan harga yang agak berpatutan seperempat dolar satu ekar. Perjanjian baru, yang ditandatangani pada awal abad XXI, meninggalkan syarat-syarat ini dan membuat kemungkinan pemodenan teleskop. Pekerja-pekerja klinik itu boleh merancang dengan selamat kerja mereka selama beberapa dekad yang akan datang, tanpa rasa takut akan masalah dengan kaum India.

Ketiadaan bandar-bandar berdekatan mengurangkan pencemaran cahaya langit, ketinggian 2000 m di atas paras laut mengurangkan ketebalan atmosfera di atas pemerhatian, dan iklim kering menyediakan kira-kira 260 "bersih", malam tanpa awan setiap tahun (72%). Hari ini, di lereng Kitt Peak, seperti "cendawan" pada tunggul, "tudung" 26 teleskop terletak dengan ketat. Gunung ini terbuka kepada pelawat, dan sesiapa sahaja, tidak semestinya seorang ahli astronomi, boleh memintas wilayah ini. Perkara utama bukanlah untuk membuat bunyi, kerana inskripsi penyayang mengingatkan: "Tolong berdiam diri: ahli astronomi sedang tidur siang hari."

Pengaruh lapisan yang berbeza dari atmosfera pada imej bintang

Antena dan cermin

Teleskop siklopik MayallDinamakan selepas pengarah kedua pemerhati, Nicholas Meiola, adalah teleskop optik terbesar di Kitt Peak dan salah satu daripada 20 terbesar di dunia. Cermin utamanya 4 meter dan 15-ton, walaupun bekerja bersama-sama dengan bukan peralatan yang paling moden, masih membolehkan untuk melakukan pemerhatian tambahan kelas. Teleskop telah bekerja sejak awal tahun 1970-an dan pada waktunya telah membantu untuk mengkaji pergerakan galaksi jauh, mendedahkan peranan masalah gelap dalam pengembangan Universe.

Berdekatan adalah teleskop solar. McMath – Pierce – coronraf terbesar di dunia. Cerminnya dipasang di bawah menara 30 meter, di "sumur", meninggalkan 60 meter jauh ke dalam gunung. Reka bentuk "saya" itu menghilangkan cermin sekunder dan menghilangkan masalah melindungi sebahagian dari fluks cahaya, menyembunyikan teleskop dari angin kencang dan suhu jatuh. Tidak tanpa sebab, lebih dari 60 tahun operasi, alat ini membolehkan kita untuk melihat garis spektrum boron, helium, fluorin, dan air di Matahari.

Di samping itu, Kitt-Peak mempunyai dua teleskop radio, salah satunya termasuk dalam rangkaian Array Baseline yang sangat panjang (VLBA). Menggabungkan sedozen alat sedemikian terletak di Amerika Utara dan Selatan, Hawaii dan Jerman, rangkaian beroperasi sebagai interferometer radio tunggal dengan asas yang lebih tinggi – lebih daripada 8,000 km – dan resolusi yang besar. Teleskop VLBA juga terlibat dalam kerja interferometer radio yang lebih besar daripada program radio antarabangsa Radioastron, salah satu tangannya ialah Spektr-R satelit Rusia, yang berada di orbit hingga 350,000 km.

WIYN bukanlah yang paling kelihatan pada teleskop pandangan pertama di gunung, tetapi yang paling muda: dia melihat "cahaya pertama" pada tahun 1994. Cerminnya mempunyai diameter 3.5 m, tetapi dari segi kualiti imej, ia dengan mudah berhujah dengan 6 meter Mayall. WIYN boleh dipanggil mutiara Kitt-Peak, dan mutiara teleskop itu sendiri adalah matriks CCD yang luar biasa, yang membolehkan anda secara drastik meningkatkan kualiti imej.

Bintang pelarian

Pada satu masa, ahli astronomi menggunakan plat fotografi untuk menembak bintang dan badan angkasa. Penampilan matriks CCD dalam pemerhatian astronomi (seperti dalam gambar) membuat revolusi sebenar, tetapi masalah utama tidak berubah secara mendasar. Faktanya ialah objek astronomi membosankan, sehingga, walaupun diameter besar cermin teleskop, pendedahan panjang diperlukan untuk fotografi mereka. Dan mereka mudah alih, yang hanya menjadi masalah dengan penembakan seperti itu.

Gerakan diurnal bintang-bintang di langit boleh diberi pampasan untuk menggunakan sistem panduan yang memutarkan teleskop selari dengan putaran Bumi. Walau bagaimanapun, terdapat gangguan yang tidak dapat dikompensasi dengan cara ini. Semua teleskop optik berasaskan darat mempunyai kelemahan yang sama: atmosfera yang berubah-ubah di planet kita tidak teratur dan tidak dapat diduga membiasakan gelombang cahaya yang datang dari objek astronomi yang jauh, mengaburkan dan mengganggu imej yang dihasilkan.

Untuk menyelesaikan masalah ini, teleskop mesti dibawa keluar dari atmosfera atau dilengkapi dengan sistem optik adaptif (AO). Menggunakan cermin deformable yang mengubah geometri isyarat sistem kawalan, AO membolehkan anda mengimbangi sebahagiannya untuk gangguan yang diperkenalkan oleh pergolakan atmosfer bumi. Sebagai maklum balas, AO menggunakan imej bintang rujukan – nyata atau buatan, "dinyalakan" oleh pancaran laser di pinggir atmosfera, pada ketinggian kira-kira 90 km. Teknologi ini agak mahal walaupun dengan standard pemerhatian, yang kadang-kadang membelanjakan berbilion-bilion dolar. Ya, dan pampasan ini mempunyai keterbatasannya: khususnya, ini jauh dari ideal di seluruh bidang pandangan. Oleh itu keinginan para astronom untuk menangani degradasi imej dengan bantuan alternatif dan penambahbaikan yang lebih murah dapat difahami.

CMOS vs CCD

Dalam gambar konvensional, CCD hampir digantikan oleh matriks berdasarkan teknologi teknologi oksida-oksida-semikonduktor-CMOS yang saling melengkapi. Teknologi ini membolehkan mengintegrasikan kedua-dua matriks pengesan fotografi dan elektronik digital pada cip tunggal untuk memproses isyarat yang diterima daripadanya.Dalam matrik CMOS, penyingkiran isyarat berlaku dari satu set piksel selari dan serentak. Hal ini membolehkan, khususnya, untuk tidak menunggu akhir pendedahan dan untuk menerima data dalam masa nyata. Walau bagaimanapun, untuk astronomi profesional dalam beberapa kes masih lebih mudah dan lebih menguntungkan untuk menggunakan CCD lama yang baik – terutamanya kerana tahap bunyi yang sangat rendah pada tahap kepekaan yang tinggi.

Kiri kanan dan ke bawah

Salah satu alternatif ini adalah CCD dengan pemindahan imej ortogon (CCD Pemindahan Orthogonal, OTCCD), idea yang dicadangkan kira-kira 20 tahun yang lalu oleh Paul Schechter dan rakan-rakannya di Massachusetts Institute of Technology (MIT). Ingat bahawa matriks CCD tradisional (CCD) terdiri daripada pelbagai sel fotosensitif yang mengumpul caj dengan mendaftarkan foton yang jatuh ke atasnya. Apabila pendedahan selesai (dan hanya kemudian), caj tersebut secara berurutan, satu demi satu, dibaca. Sel oleh sel setiap baris dihantar ke pembaca, yang menukarkan isyarat analog kepada digital. Jika sumber radiasi dalam proses penangkapan dan pengumpulan matriks cas CCD telah beralih, maka imejnya akan "dihiris" dalam beberapa sel. Mengembalikan borang asalnya akan hampir mustahil.

Sebaliknya, caj semasa pendedahan matriks OTCCD tidak hanya terkumpul di dalam sel-sel mereka, tetapi juga boleh dipindahkan ke kiri dan kanan ke bawah. Ini dilakukan oleh arahan sistem kawalan, yang dengan bantuan sensor bebas individu menjejaki lokasi beberapa bintang rujukan (seperti dalam sistem dengan AO). Sebaik sahaja sistem mendapati bahawa mercu tanda telah beralih, ia menyebarkan pergerakannya ke piksel jiran dan "memaksa" semua tuduhan dari mereka untuk kembali. Puluhan kali sesaat, imej "mengapung", caj melompat ke piksel jiran, dan sistem kawalan menangkap dan mengembalikannya ke tempat.

Di sebelah kiri – Matriks CCD klasik: piksel terdiri daripada beberapa pintu yang disusun secara linear. Apabila membaca, voltan kawalan digunakan secara bergantian (secara kitaran) ke pintu, yang menyebabkan caj terkumpul (elektron) bergerak ke arah satu (dan hanya satu), seperti dalam penghantar. Di sebelah kanan – versi matriks OTCCD dengan pemindahan ortogonal. Pixelnya sudah terdiri daripada empat gerbang geometri yang berbeza, yang membolehkan anda menggerakkan pertuduhan dalam dua arah tegak lurus.

Ini membolehkan anda mengimbangi pengaruh pergolakan atmosfera, getaran teleskop, kesilapan dalam mengesan bintang dan mencapai resolusi yang sangat baik. Matriks pertama itu terdiri daripada hanya 512 × 512 elemen, tetapi mereka telah menunjukkan hasil yang sangat baik: resolusi sudut instrumen meningkat dengan banyak, dan nisbah isyarat-ke-bunyi meningkat.

Serasi untuk kegunaan matriks pemindahan 64 ortogonal – OTA

Generasi OTCCD akan menjadi satu set keseluruhan matriks – OTA (Arahan Pemindahan Orthogonal). Setiap daripada mereka mempunyai sistem kawalan muatan bebas yang tersendiri dan boleh menggunakan bintang rujukannya sendiri, yang memungkinkan untuk mendapatkan pampasan yang sangat berkesan bagi jitter baik hampir sepanjang bidang pandangan. Pada masa yang sama, OTA tidak mengecualikan aplikasi selari dan optik penyesuaian. Teleskop WIYN yang sama juga dilengkapi dengan sistem AO, dan alat utamanya, kamera ODI (Satu Ijazah Imager), mempunyai 30 OTA-array 64 matriks 480 × 496 piksel setiap satu.

Arahan OTCCD yang dipenuhi sepasang Teleskop WIYN. Ia adalah dalam konfigurasi ini (sembilan matriks di pusat dan empat di tepi) bahawa teleskop bekerja selama dua tahun pertama. Hari ini nombor mereka telah mencapai 30

Senyap dan inspirasi

Sebagai tambahan kepada pelbagai matriks OTA pada teleskop WIYN, terdapat spektrograph dan kamera untuk pemerhatian dalam julat inframerah, jadi tidak menghairankan bahawa jadual pemerhatiannya diisi beberapa bulan ke depan. Kepentingan saintifik para astronom yang bekerja dengannya sangat luas: mencari dan mengesahkan exoplanet baru, kajian terperinci tentang supernova selepas itu, pemerhatian terhadap kelompok galaksi jauh dan ekor debu asteroid …

Tetapi bukan sahaja saintis bekerja dengan teleskop WIYN. Beberapa juruteknik sentiasa sibuk di sini, yang memantau keadaannya, mengisi dia dengan nitrogen cair, dan pengendali malam membantu membuat pemerhatian: alat itu terlalu mahal dan sukar dipercayakan kepada para astronom sepanjang malam. Kerja-kerja sedemikian tidak sesuai untuk semua orang – adalah perlu untuk berjaga sepanjang malam, setiap 20 minit mengorientasikan teleskop ke titik baru dan memandu pelajar yang terlalu bersemangat dari panel kawalan. Tetapi ada juga yang puas: semasa pemerhatian sedemikian, kami bertemu seorang pengendali, yang menulis buku fiksyen sains semasa rehat. Senyap dan padang pasir, gunung padang pasir dan ruang dekat – mereka sentiasa memberi inspirasi.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: