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

Résumé technique : Mesure du faisceau primaire de l'antenne cylindrique de Tianlai à l'aide d'un véhicule aérien sans pilote

Énoncé du problème
Le Tianlai Cylinder Pathfinder Array (TCPA) est un interféromètre radio conçu pour la cartographie d'intensité du signal de 21 cm, composé de trois réflecteurs paraboliques cylindriques fixes orientés selon l'axe Nord-Sud (N-S). Un défi critique lors du calibrage de telles antennes à azimut fixe consiste à déterminer le diagramme de rayonnement du faisceau primaire. Si le profil du faisceau Est-Ouest (E-W) peut être mesuré via le transit de sources radio astronomiques brillantes, le profil N-S reste difficile à caractériser en raison de la rareté des sources ponctuelles appropriées à diverses déclinaisons et de l'impossibilité de placer la structure imposante dans une chambre anéchoïque. Le recours précédent à des modèles analytiques ajustés à des simulations manquait de validation empirique, particulièrement concernant la direction N-S et les asymétries potentielles causées par l'environnement local.

Méthodologie
Les auteurs présentent une mesure préliminaire du profil du faisceau du TCPA dans la plage de fréquences 700–800 MHz en utilisant un véhicule aérien sans pilote (UAV) comme source de calibration mobile. La méthodologie comprend les étapes suivantes :

1. Configuration expérimentale : Un drone DJI M300 RTK transporte une source émettrice de bruit calibrée (un générateur de bruit à large bande avec filtrage passe-bande et amplification) et une antenne dipôle. Le drone opère dans la zone du champ lointain de l'antenne, définie par $d = 2D^2/\lambda$. Pour l'ouverture E-W de 15 m du TCPA, cela nécessite une distance d'environ 1050–1200 m ; le drone a volé à une hauteur de 1220 m.
2. Plan de vol : Le drone a exécuté des trajectoires de vol circulaires centrées sur un foyer spécifique avec un rayon de 1220 m. Deux modes de vol distincts ont été employés :
   • Vol N-S : Le drone a traversé des angles zénithaux ($\theta_{NS}$) de $-70^\circ$ à $+70^\circ$ par pas de $5^\circ$ à $15^\circ$.
   • Vol E-W : Le drone a traversé des angles zénithaux ($\theta_{EW}$) de $-3^\circ$ à $+3^\circ$ avec des pas de $0,3^\circ$ pour résoudre le faisceau étroit E-W.
   • Les vols ont été effectués de nuit pour minimiser les interférences solaires et assurer la stabilité du gain du système.
3. Traitement des données : Le corrélateur du TCPA a enregistré des signaux d'autocorrélation. Pour isoler le signal du drone ($V_{dns}$) du fond du ciel ($V_0$), les auteurs ont utilisé les données d'un jour adjacent (sans le drone) comme référence. Un modèle de gain linéaire dépendant du temps a été appliqué pour corriger la dérive du récepteur entre les jours de référence et de mesure.
4. Calibrage de l'émetteur du drone : Une étape cruciale a consisté à caractériser le diagramme de rayonnement du dipôle monté sur le drone ($B_{dns}$), qui est déformé par la structure du drone. Cela a été réalisé en faisant voler le drone en arc au-dessus d'une antenne dipôle au sol. Le faisceau du dipôle au sol ($B_{ground}$) a été simulé à l'aide du logiciel électromagnétique FEKO avec les paramètres de sol mesurés. Le faisceau réel du drone a été dérivé en déconvoluant le diagramme connu du dipôle au sol du signal reçu.
5. Reconstruction du faisceau : Le faisceau cylindrique final ($B_{cyl}$) est calculé en divisant la visibilité mesurée (après soustraction du ciel) par le diagramme de rayonnement calibré du drone : $B_{cyl} \propto \hat{V}_{dns} / B_{dns}$.

Résultats clés

• Profil du faisceau N-S : Le profil du faisceau N-S mesuré présente un pic à $\theta_{NS} = 0^\circ$ avec une structure d'« épaulement » distincte autour de $\pm 30^\circ$, suivie d'une chute abrupte près de $\pm 60^\circ$. Le profil est légèrement asymétrique, l'épaulement étant plus prononcé du côté nord ($\theta_{NS} < 0$). Cette asymétrie contraste avec les simulations électromagnétiques, qui montrent une décroissance monotone et symétrique. Les auteurs attribuent cette divergence probablement aux réflexions du sol provenant des collines proches, qui n'ont pas été incluses dans la simulation.
• Profil du faisceau E-W : Les mesures E-W s'alignent généralement avec les simulations et les mesures de transit de sources brillantes (ex. Cyg A). Cependant, les faisceaux mesurés sont légèrement plus larges et présentent des lobes secondaires plus élevés que les simulations. Les mesures par drone montrent un meilleur accord avec les simulations que les mesures de transit, probablement en raison du rapport signal sur bruit plus élevé de la source active, ce qui réduit les artefacts du plancher de bruit.
• Cohérence : Les mesures effectuées sur différents foyers (ex. A18, A22, A24, A25) et les vols répétés (séparés jusqu'à 24 heures) démontrent une cohérence robuste, les variations entre les vols étant comparables aux variations entre les foyers.
• Polarisation : Des résultats pour les deux polarisations XX (N-S) et YY (E-W) ont été obtenus. La polarisation YY a montré un léger creux près du centre, possiblement dû à des effets de couplage croisé.

Signification et affirmations
L'article affirme que la mesure en champ lointier par UAV est une technique faisable et efficace pour caractériser les diagrammes de rayonnement des grands réseaux de radiotélescopes fixes, répondant spécifiquement à la difficulté de longue date de mesurer le profil N-S. L'étude valide la méthode UAV en recoupant les résultats E-W avec les données de transit astronomique et les simulations.

Les auteurs soulignent que, bien que les profils mesurés soient généralement similaires aux simulations électromagnétiques, des divergences existent dans les régions d'« épaulement », les lobes secondaires et la largeur des faisceaux. Ils concluent que ces différences proviennent probablement des hypothèses simplificatrices des simulations, telles que la négligence des réflexions du terrain local, des imperfections de surface et du bruit de couplage croisé. L'article pose que cette approche par UAV fournit une correction empirique nécessaire aux modèles de simulation, améliorant ainsi la précision de la calibration requise pour la cartographie d'intensité du 21 cm et les mesures de l'équation d'état de l'énergie noire.