Measurement of the Primary Beam of the Tianlai Cylindrical Antenna Using an Unmanned Aerial Vehicle

Resumen Técnico: Medición del Haz Primario de la Antena Cilíndrica Tianlai mediante un Vehículo Aéreo No Tripulado

Planteamiento del Problema
El Tianlai Cylinder Pathfinder Array (TCPA) es un interferómetro de radio diseñado para el mapeo de intensidad de 21 cm, el cual consiste en tres reflectores parabólicos cilíndricos fijos orientados a lo largo del eje Norte-Sur (N-S). Un desafío crítico al calibrar tales antenas de azimut fijo es determinar el patrón del haz primario. Mientras que el perfil del haz Este-Oeste (E-W) puede medirse mediante el tránsito de fuentes de radio astronómicas brillantes, el perfil N-S es difícil de caracterizar debido a la escasez de fuentes puntuales adecuadas en diversas declinaciones y a la imposibilidad de colocar la gran estructura en una cámara anecoica. La dependencia previa en modelos analíticos ajustados a simulaciones carecía de validación empírica, particularmente en la dirección N-S y respecto a posibles asimetrías causadas por el entorno local.

Metodología
Los autores presentan una medición preliminar del perfil del haz del TCPA en el rango de frecuencia de 700–800 MHz utilizando un Vehículo Aéreo No Tripulado (UAV) como fuente de calibración móvil. La metodología comprende los siguientes pasos:

1. Configuración Experimental: Un dron DJI M300 RTK transporta una fuente emisora de ruido calibrada (un generador de ruido de banda ancha con filtrado de paso de banda y amplificación) y una antena dipolo. El dron opera en la zona de campo lejano de la red de antenas, definida como $d = 2D^2/\lambda$. Para la apertura E-W de 15 m del TCPA, esto requiere una distancia de aproximadamente 1050–1200 m; el dron voló a una altura de 1220 m.
2. Plan de Vuelo: El dron ejecutó trayectorias de vuelo circulares centradas en un alimentador específico con un radio de 1220 m. Se emplearon dos modos de vuelo distintos:
   • Vuelo N-S: El dron atravesó ángulos cenitales ($\theta_{NS}$) desde $-70^\circ$ hasta $+70^\circ$ en pasos de entre $5^\circ$ y $15^\circ$.
   • Vuelo E-W: El dron atravesó ángulos cenitales ($\theta_{EW}$) desde $-3^\circ$ hasta $+3^\circ$ en pasos de $0.3^\circ$ para resolver el estrecho haz E-W.
   • Los vuelos se realizaron durante la noche para minimizar la interferencia solar y asegurar la estabilidad de la ganancia del sistema.
3. Procesamiento de Datos: El correlacionador del TCPA registró señales de autocorrelación. Para aislar la señal del dron ($V_{dns}$) del fondo del cielo ($V_0$), los autores utilizaron datos de un día adyacente (sin el dron) como línea base. Se aplicó un modelo de ganancia lineal dependiente del tiempo para corregir la deriva del receptor entre los días de la línea base y de la medición.
4. Calibración del Emisor del Dron: Un paso crucial consistió en caracterizar el patrón de haz del dipolo montado en el dron ($B_{dns}$), el cual se ve distorsionado por la estructura del dron. Esto se logró volando el dron en un arco sobre una antena dipolo en tierra. El haz del dipolo terrestre ($B_{ground}$) fue simulado mediante el software electromagnético FEKO con parámetros de suelo medidos. El haz real del dron se derivó deconvolucionando el patrón conocido del dipolo terrestre de la señal recibida.
5. Reconstrucción del Haz: El haz del cilindro final ($B_{cyl}$) se calculó dividiendo la visibilidad medida (tras la sustracción del cielo) por el patrón de haz del dron calibrado: $B_{cyl} \propto \hat{V}_{dns} / B_{dns}$.

Resultados Clave

• Perfil del Haz N-S: El perfil del haz N-S medido exhibe un pico en $\theta_{NS} = 0^\circ$ con una estructura de "hombro" distintiva alrededor de $\pm 30^\circ$, seguida de un descenso pronunciado cerca de $\pm 60^\circ$. El perfil es ligeramente asimétrico, con el hombro más pronunciado en el lado norte ($\theta_{NS} < 0$). Esta asimetría contrasta con las simulaciones electromagnéticas, que muestran un descenso simétrico y monotónico. Los autores atribuyen esta discrepancia probablemente a las reflexiones del suelo de colinas cercanas, las cuales no fueron incluidas en la simulación.
• Perfil del Haz E-W: Las mediciones E-W se alinean generalmente con las simulaciones y las mediciones de tránsito de fuentes brillantes (ej. Cyg A). Sin embargo, los haces medidos son ligeramente más anchos y exhiben lóbulos laterales más altos que las simulaciones. Las mediciones con el dron muestran un mejor acuerdo con las simulaciones que las mediciones de tránsito, debido probablemente a que la mayor relación señal-ruido de la fuente activa reduce los artefactos del piso de ruido.
• Consistencia: Las mediciones a través de diferentes alimentadores (ej. A18, A22, A24, A25) y los vuelos repetidos (separados por hasta 24 horas) demuestran una consistencia robusta, con variaciones entre vuelos comparables a las variaciones entre alimentadores.
• Polarización: Se obtuvieron resultados para ambas polarizaciones XX (N-S) y YY (E-W). La polarización YY mostró un pequeño descenso cerca del centro, posiblemente debido a efectos de acoplamiento cruzado.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la medición en campo lejano basada en UAV es una técnica factible y eficiente para caracterizar los patrones de haz de grandes redes de radiotelescopios fijos, abordando específicamente la dificultad de larga data de medir el perfil N-S. El estudio valida el método UAV mediante la referencia cruzada de los resultados E-W con datos de tránsito astronómico y simulaciones.

Los autores enfatizan que, si bien los perfiles medidos son generalmente similares a las simulaciones electromagnéticas, existen discrepancias en las regiones de los "hombros", los lóbulos laterales y los anchos de haz. Concluyen que estas diferencias probablemente surgen de supuestos simplificadores en las simulaciones, tales como la omisión de reflexiones del terreno local, imperfecciones superficiales y ruido de acoplamiento cruzado. El documento postula que este enfoque basado en UAV proporciona una corrección empírica necesaria para los modelos de simulación, mejorando así la precisión de la calibración requerida para el mapeo de intensidad de 21 cm y las mediciones de la ecuación de estado de la energía oscura.