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

Sintesi Tecnica: Misurazione del Fascio Primario dell'Antenna Cilindrica Tianlai mediante un Veicolo Aereo a Pilotaggio Remoto

Definizione del Problema
Il Tianlai Cylinder Pathfinder Array (TCPA) è un interferometro radio progettato per la mappatura dell'intensità a 21 cm, composto da tre riflettori parabolici cilindrici fissi orientati lungo l'asse Nord-Sud (N-S). Una sfida critica nella calibrazione di tali antenne a azimut fisso è la determinazione del pattern del fascio primario. Mentre il profilo del fascio Est-Ovest (E-W) può essere misurato tramite il transito di sorgenti radio astronomiche brillanti, il profilo N-S rimane difficile da caratterizzare a causa della scarsità di sorgenti puntiformi adatte a diverse declinazioni e dell'impossibilità di collocare la grande struttura in una camera anecoica. Il precedente affidamento a modelli analitici adattati a simulazioni mancava di una validazione empirica, in particolare per quanto riguarda la direzione N-S e le potenziali asimmetrie causate dall'ambiente locale.

Metodologia
Gli autori presentano una misurazione preliminare del profilo del fascio del TCPA nell'intervallo di frequenza 700–800 MHz utilizzando un Veicolo Aereo a Pilotaggio Remoto (UAV) come sorgente di calibrazione mobile. La metodologia prevede i seguenti passaggi:

1. Configurazione Sperimentale: Un drone DJI M300 RTK trasporta una sorgente di rumore calibrata (un generatore di rumore a banda larga con filtraggio passa-banda e amplificazione) e un'antenna a dipolo. Il drone opera nella zona di campo lontano dell'array di antenne, definita come $d = 2D^2/\lambda$. Per l'apertura E-W di 15 m del TCPA, ciò richiede una distanza di circa 1050–1200 m; il drone ha volato a un'altezza di 1220 m.
2. Piano di Volo: Il drone ha eseguito traiettorie di volo circolari centrate su un feed specifico con un raggio di 1220 m. Sono stati impiegati due distinti modi di volo:
   • Volo N-S: Il drone ha attraversato angoli zenitali ($\theta_{NS}$) da $-70^\circ$ a $+70^\circ$ con passi compresi tra $5^\circ$ e $15^\circ$.
   • Volo E-W: Il drone ha attraversato angoli zenitali ($\theta_{EW}$) da $-3^\circ$ a $+3^\circ$ con passi di $0,3^\circ$ per risolvere il stretto fascio E-W.
   • I voli sono stati condotti di notte per minimizzare l'interferenza solare e garantire la stabilità del guadagno del sistema.
3. Elaborazione dei Dati: Il correlatore del TCPA ha registrato segnali di auto-correlazione. Per isolare il segnale del drone ($V_{dns}$) dal fondo cielo ($V_0$), gli autori hanno utilizzato i dati di un giorno adiacente (senza il drone) come linea di base. È stato applicato un modello di guadagno lineare dipendente dal tempo per correggere la deriva del ricevitore tra i giorni di linea di base e di misurazione.
4. Calibrazione dell'Emettitore del Drone: Un passaggio cruciale è consistito nella caratterizzazione del pattern del fascio del dipolo montato sul drone ($B_{dns}$), che è distorto dallo scafo del drone stesso. Ciò è stato ottenuto facendo volare il drone in un arco sopra un'antenna a dipolo a terra. Il pattern del dipolo a terra ($B_{ground}$) è stato simulato con il software elettromagnetico FEKO utilizzando i parametri del suolo misurati. Il pattern reale del drone è stato derivato deconvolvendo il pattern noto del dipolo a terra dal segnale ricevuto.
5. Ricostruzione del Fascio: Il fascio finale del cilindro ($B_{cyl}$) è stato calcolato dividendo la visibilità misurata (dopo la sottrazione del cielo) per il pattern del fascio del drone calibrato: $B_{cyl} \propto \hat{V}_{dns} / B_{dns}$.

Risultati Chiave

• Profilo del Fascio N-S: Il profilo del fascio N-S misurato presenta un picco a $\theta_{NS} = 0^\circ$ con una distinta struttura a "spalla" intorno a $\pm 30^\circ$, seguita da un declino ripido vicino a $\pm 60^\circ$. Il profilo è leggermente asimmetrico, con la spalla più pronunciata sul lato nord ($\theta_{NS} < 0$). Questa asimmetria contrasta con le simulazioni elettromagnetiche, che mostrano un declino simmetrico e monotono. Gli autori attribuiscono questa discrepanza probabilmente alle riflessioni del terreno da colline vicine, che non erano incluse nella simulazione.
• Profilo del Fascio E-W: Le misurazioni E-W si allineano generalmente con le simulazioni e con le misurazioni di transito di sorgenti brillanti (ad esempio, Cyg A). Tuttavia, i fasci misurati sono leggermente più larghi ed esibiscono lobi secondari più elevati rispetto alle simulazioni. Le misurazioni con il drone mostrano un accordo leggermente migliore con le simulazioni rispetto alle misurazioni di transito, probabilmente dovuto al rapporto segnale-rumore più elevato della sorgente attiva, che riduce gli artefatti del livello di rumore.
• Consistenza: Le misurazioni su diversi feed (ad esempio, A18, A22, A24, A25) e i voli ripetuti (separati fino a 24 ore) dimostrano una robusta consistenza, con variazioni tra i voli comparabili alle variazioni tra i feed.
• Polarizzazione: Sono stati ottenuti risultati per entrambe le polarizzazioni XX (N-S) e YY (E-W). La polarizzazione YY ha mostrato un piccolo avvallamento vicino al centro, possibilmente dovuto a effetti di accoppiamento incrociato.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che la misurazione in campo lontano tramite UAV è una tecnica fattibile ed efficiente per caratterizzare i pattern dei fasci di grandi array di radiotelescopi fissi, affrontando specificamente la difficoltà di lunga data nel misurare il profilo N-S. Lo studio valida il metodo UAV incrociando i risultati E-W con i dati di transito astronomico e le simulazioni.

Gli autori sottolineano che, sebbene i profili misurati siano generalmente simili alle simulazioni elettromagnetiche, esistono discrepanze nelle regioni delle "spalle", nei lobi secondari e nelle larghezze dei fasci. Concludono che queste differenze derivano probabilmente dalle assunzioni semplificative nelle simulazioni, come l'omissione delle riflessioni del terreno locale, delle imperfezioni superficiali e del rumore di accoppiamento incrociato. L'articolo pone questo approccio UAV come una necessaria correzione empirica ai modelli di simulazione, migliorando così l'accuratezza della calibrazione necessaria per la mappatura dell'intensità a 21 cm e le misurazioni dell'equazione di stato dell'energia oscura.