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

技術要約：無人航空機を用いた天籟円筒形アンテナの主ビーム測定

問題提起
天籟（Tianlai）円筒形パスファインダー・アレイ（TCPA）は、南北（N-S）軸に沿って配置された3つの固定放物面円筒反射鏡で構成される、21cm強度マッピングのための電波干渉計である。このような固定方位アンテナの較正における重要な課題は、主ビームパターンの決定である。東西（E-W）方向のビームプロファイルは、明るい天体電波源のトランジット（経過）を通じて測定可能であるが、南北方向のプロファイルは、様々な赤緯における適切な点源の不足や、巨大な構造物を電波暗室内に設置できないことから、特性評価が困難である。シミュレーションに適合させた解析モデルへの従来の依存は、特に南北方向および局所的な環境による非対称性に関して、経験的な検証を欠いていた。

手法
著者らは、移動校正源として無人航空機（UAV）を用いた、700–800 MHz周波数帯におけるTCPAビームプロファイルの予備的な測定結果を提示する。手法には以下のステップが含まれる：

1. 実験セットアップ： DJI M300 RTKドローンが、校正されたノイズ源エミッター（バンドパスフィルタと増幅器を備えた広帯域ノイズ発生器）およびダイポールアンテナを搭載して飛行する。ドローンは、アンテナアレイの遠方界領域 $d = 2D^2/\lambda$ 内で作動する。TCPAの15 mのE-W開口に対して、これは約1050–1200 mの距離を必要とし、ドローンは1220 mの高度で飛行した。
2. 飛行計画： ドローンは、特定のフィードを中心とした半径1220 mの円軌道を飛行した。2つの異なる飛行モードが採用された：
   • 南北（N-S）飛行： ドローンは、天頂角 $\theta_{NS}$ を$-70^\circ$から$+70^\circ$まで、$5^\circ$から$15^\circ$のステップで横断した。
   • 東西（E-W）飛行： ドローンは、狭いE-Wビームを解像するために、天頂角 $\theta_{EW}$ を$-3^\circ$から$+3^\circ$まで$0.3^\circ$刻みで横断した。
   • 太陽干渉を最小限に抑え、システムの利得安定性を確保するため、飛行は夜間に行われた。
3. データ処理： TCPA相関器は自己相関信号を記録した。ドローン信号 ($V_{dns}$) を空の背景放射 ($V_0$) から分離するために、著者らはベースラインとなる隣接する日のデータ（ドローンなし）を使用した。ベースラインの日と測定日の間の受信機ドリフトを補正するために、線形時間依存利得モデルが適用された。
4. ドローンエミッターの校正： 極めて重要なステップは、ドローンの機体によって歪むドローン搭載ダイポールのビームパターン ($B_{dns}$) を特性評価することである。これは、地上設置のダイポールアンテナの上空をドローンが弧を描いて飛行することで達成された。地上ダイポールのビーム ($B_{ground}$) は、実測された土壌パラメータを用いてFEKO電磁界シミュレーションソフトウェアを用いてシミュレートされた。実際のドローンビームは、受信信号から既知の地上ダイポールパターンをデコンボリューションすることで導出された。
5. ビーム再構成： 最終的な円筒ビーム ($B_{cyl}$) は、測定された可視度（空の減算後）を校正されたドローンビームパターンで除算することによって算出された：$B_{cyl} \propto \hat{V}_{dns} / B_{dns}$。

主な結果

• 南北（N-S）ビームプロファイル： 測定されたN-Sビームプロファイルは、$\theta_{NS} = 0^\circ$ でピークを持ち、$\pm 30^\circ$ 付近に明確な「ショルダー」構造を示し、$\pm 60^\circ$ 付近で急激に減少する。プロファイルはわずかに非対称であり、北側（$\theta_{NS} < 0$）でショルダーがより顕著である。この非対称性は、対称で単調減少を示す電磁シミュレーションとは対照的である。著者らは、この不一致の原因を、シミュレーションに含まれていない近隣の丘陵からの地面反射であると考えている。
• 東西（E-W）ビームプロファイル： E-Wの測定値は、概ねシミュレーションおよび明るい天体源のトランジット測定（例：Cyg A）と一致している。しかし、測定されたビームはシミュレーションよりもわずかに広く、サイドローブも高い。ドローンによる測定は、トランジット測定よりもシミュレーションとの一致がわずかに良く、これは能動的なソースが高いS/N比を持つことでノイズフロアのアーティファクトが低減されたためと考えられる。
• 一貫性： 異なるフィード（例：A18, A22, A24, A25）間での測定、および最大24時間の隔たりを持つ繰り返しの飛行は、堅牢な一貫性を示しており、飛行間の変動はフィード間の変動と同程度であった。
• 偏波： XX（N-S）およびYY（E-W）の両方の偏波について結果が得られた。YY偏波は中心付近で小さなディップを示したが、これは相互結合効果による可能性がある。

意義と主張
本論文は、UAVを用いた遠方界測定が、大型の固定式電波望遠鏡アレイのビームパターンを特性評価するための実現可能かつ効率的な手法であることを主張しており、特に南北プロファイルの測定における長年の困難に対処している。本研究は、E-Wの結果を天体トランジットデータおよびシミュレーションと照合することで、UAV手法の妥当性を検証している。

著者らは、測定されたプロファイルは一般に電磁シミュレーションと同様であるが、「ショルダー」領域、サイドローブ、およびビーム幅において不一致が存在することを強調している。彼らは、これらの差異は、局所的な地形反射、表面の不完全性、および相互結合ノイズの無視といった、シミュレーションにおける簡略化された仮定に起因すると結論付けている。本論文は、このUAVによるアプローチがシミュレーションモデルに対する必要な経験的補正を提供し、それによって21cm強度マッピングおよびダークエネルギー状態方程式の測定に必要な較正精度を向上させるものであると位置づけている。