Expanding the field of view: station design for the AAMID SKA radio telescope
Date
2019-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The discovery of radio astronomy dates back to 1928, when Karl Jansky made the first detection of cosmic noise static. Radio astronomy is therefore a relatively young science and its development is completely in parallel with the radio technology enhancements, including the modern information technology. Radio astronomy has been often at the forefront; the first adopters of new technologies and capabilities. Very often radio astronomy triggered inventions that have been of direct use for other sciences and society. With the advent of digital signal processing, faster and smaller computers, radio astronomy has progressed at a very high pace. Arrays are being designed and built that contain thousands of individual antennas, connected and processed with digital signal processing, enabling very high performance.
The conception of the Square Kilometre Array can be directly linked to the potential of Aperture Arrays (AA). As early as 1994 first sketches of the Square Kilometre Array consisted of flat electronically steerable panels. This AA telescope, briefly called the HI telescope, after the HI resonant line at 1421 MHz, would run from 150 to 1450 MHz. Although AAs are technically feasible, SKA1 will use dishes for the frequencies above 350MHz. This dissertation addresses the requirements, system design and possible implementation of an AA system for the SKA2, the second phase of the square kilometre array project. Aperture Arrays have the potential of instantaneous all-sky observations, creating a very powerful telescope. However, the realization of this telescope is not without challenges in cost, power consumption and operational performance. The research in this dissertation explores the potential of the sparse-regular array concept. Sparse-regular arrays are in use for lower frequency telescopes but implementation of this concept has not been considered for higher frequencies; up to the HI line at 1421 MHz. It will be argued with a new proposed figure of merit, average sensitivity divided by system cost, that a sparse-regular design can be superior to a dense or sparse-random system.
This dissertation therefore provides an alternative solution for aperture arrays for the SKA and in particular focusses on a possible realization. A realization which takes signal processing into account that goes a step further than ‘just’ build a telescope that can do the same as dishes, but a bit better. For this it is proposed to use Fast Fourier Transform signal processing, enabled by a regular antenna placement structure. FFT signal processing will reduce the processing load significantly and fully utilizes the potential of AA’s. Therefore, regular arrays, sparse or dense, will be lower in cost and power consumption and superior in performance when compared to random arrays. This dissertation concludes that the sparse-regular concept, although technically feasible, has a number of significant drawbacks and therefore might not be the design of choice for SKA2.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ontdekking van radiosterrekunde dateer terug na 1928 toe Karl Jansky die eerste waarneming van kosmiese ruis gedoen het. Radiosterrekunde is derhalwe ʼn relatiewe jong wetenskap, en sy ontwikkeling verloop volledig in parallel met die van radio tegnologie, insluitend moderne informasie tegnologie. Radiosterrekunde loop dikwels op die voor front van ontwikkel met die dat die gemeenskap graag nuwe tegnologie vroeg opneem in hulle stelsels. Dikwels het radiosterrekunde ook tot gevolg die ontwikkeling van nuwe innoverende tegnologie met meer direkte toepassing in die breër wetenskappe en samelewing. Met die onlangse vooruitgang van syferseinverwerking, en kleiner en vinniger rekenaars, het radiosterrekunde teen ʼn uiters hoë tempo ontwikkel. Antenna samestellings word ontwerp en gebou met duisende individuele elemente, almal verbind en die afvoer data verwerk deur syferseinverwerking, wat baie hoë werkverrigting stelsels tot gevolg het. Die idee van die “Square Kilometre Array” (SKA) teleskoop hou direk verband met die potensiaal van stralingsvlak samestellings (AA). So vroeg soos 1994 het die eerste sketse van die SKA plat elektronies stuurbare antennas voorgestel. Hierdie AA teleskoop, tydelik bekend as die Waterstof teleskoop, na die Waterstof resonante lyn by 1421 MHz, sou ʼn bandwydte van 150 tot 1450 MHz hê. Alhoewel AAs tegnies lewensvatbaar is, sal die SKA1 teleskoop weerkaatser antennas gebruik vir frekwensies bo 350 MHz. Hierdie proefskrif spreek die behoeftes, stelsel ontwerp en moontlike implementering van ʼn AA stelsel vir SKA2, die tweede fase van die SKA teleskoop projek, aan. Stralingsvlak samestellings het die potensiaal vir oombliklike vol hemelruim waarnemings, en skep so ʼn uiters kragtige teleskoop. Die praktiese uitvoerbaarheid van so ʼn teleskoop is egter nie sonder sy uitdagings nie – spesifiek in koste, kraggebruik en operasionele werkverrigting. Die navorsing in hierdie proefskrif ondersoek die potensiaal van die yl-reëlmatige samestelling konsep. Yl-reëlmatige samestellings word vir laer frekwensie teleskope gebruik, maar die implementering van hierdie konsep is nog nie ondersoek vir hoër frekwensies, tot by die Waterstof lyn by 1421 MHz, nie. Daar sal geargumenteer word dat met ʼn nuwe voorgestelde werkverrigtingsmaatstaf, gemiddelde sensitiwiteit gedeel deur stelsel koste, dat ʼn yl-reëlmatige ontwerp kan verbeter op ʼn digte-reëlmatige of yl-lukrake stelsel. Hierdie proefskrif bied dus ʼn alternatiewe oplossing vir die stralingsvlak samestellings vir die SKA, en fokus spesifiek op ʼn moontlike relaisering daarvan. Die realisering neem syferseinverwerking behoeftes in ag, en gaan ʼn stap verder as om net ʼn teleskoop te ontwikkel wat dieselfde as ʼn ekwivalente weerkaatser antenna gebaseerde teleskoop kan doen. Hiervoor word daar voorgestel dat vinnige Fourier transvorm (FFT) seinverwerking ingespan word, wat moontlik gemaak word deur die reëlmatige verspreiding van die antenna elemente. FFT seinverwerking sal die bewerkingslas van die stelsel dramaties verlaag, en sodoende die volle potensiaal van stralingsvlak samestellings kan uitbyt. Daarom sal die reëlmatige samestelling konsep, yl of dig, laer koste in terme van verwerkingslas en kraggebruik hê, en beter werkverrigting bied, as ekwivalente lukrake samestellings. Hierdie proefskrif kom tot die gevolgtrekking dat die yl-reëlmatige konsep, al is dit tegnies lewensvatbaar, steeds ʼn aantal beduidende nadele inhou, en daarvoor nie noodwendig die ontwerpkeuse vir die SKA2 behoort te wees nie.
SAMENVATTING: Astronomie is waarschijnlijk zo oud als de mensheid, de eerste waarnemingen van radiogolven zijn echter van relatief recente datum. In 1928 werkte de jonge radio-ingenieur Karl Jansky aan ontvangers voor Bell Labs in de Verenigde Staten en ontdekte dat de storende ruis op de lijn, die de intercontinentale verbinding praktisch onmogelijk maakte, uit het heelal kwam: kosmische ruis. Land- en tijdgenoot Grote Reber lokaliseerde zes jaar later met een zelfgebouwde radiotelescoop de radiogolven expliciet in de Melkweg. Toen de Leidse sterrenkundige prof. Jan Hendrik Oort in de vroege oorlogsjaren Rebers’ artikel in de Astrophysical Journal had gelezen tekenden zich de eerste contouren van een nieuwe wetenschap af. Hoewel student Henk van de Hulst al in 1944 tijdens een geheime bijeenkomst in de donkere kamer van de Leidse Sterrewacht voorspelde dat de radiogolven afkomstig moesten zijn van waterstofatomen, duurde het nog tot 1951 voor Lex Muller in Kootwijk met een afgedankte Würzburg radarschotel de waterstoflijn waarnam. Met dit tastbare bewijs werd de weg vrijgemaakt voor de bouw van de Dwingeloo Radio Telescoop en de stichting van de Nederlandse Radiosterrenwacht (ASTRON). Radioastronomie is daarmee een relatief jonge wetenschap waarvan de ontwikkeling vaak parallel loopt met de voortgang van de technologie. Radioastronomie is zelfs vaak de trigger geweest voor nieuwe ontdekkingen in de techniek, onze wifi communicatiestandaarden bijvoorbeeld hebben hun oorsprong in toenemende kennis over radiogolven. De ontwikkeling in de computerindustrie van steeds snellere en kleinere systemen heeft de radioastronomie een belangrijke impuls gegeven: grote reeksen (arrays) van duizenden individuele antennes (dit betreft zowel de traditionele schotels als innovatieve ontwerpen) worden met elkaar verbonden door middel van digitale signaal processors, waardoor grote gevoeligheden worden bereikt en het heelal steeds nauwkeuriger bestudeerd kan worden. In Nederland werd met de veertien traditionele schotelantennes van de Westerbork Synthese Radiotelescoop (1971) onder andere het bestaan van Dark Matter aangetoond. In de zoektocht naar diepere kennis van ons universum werd begin jaren '90 het plan voorgesteld om een telescoop te realiseren met een honderd keer hogere gevoeligheid dan bestaande instrumenten. Dit zou mogelijk moeten zijn met een ontwerp ter grote van een vierkante kilometer, de Square Kilometre Array (SKA). Het concept van de SKA radiotelescoop is direct gerelateerd aan de potentie van Aperture Arrays (AA): vele duizenden en mogelijk miljoenen kleine antennes. De eerste schetsen van SKA uit 1994 gaven een beeld van platte elektronisch bestuurbare antennes. Het ontwerp was gericht op het waarnemen van dezelfde waterstoflijn die door Lex Muller al werd waargenomen: de spectrale lijn uitgestraald door het waterstofatoom op 1421 MHz. Nu, 25 jaar later, wordt in de Murchison in West Australië en in de Zuid-Afrikaanse Karoo de eerste fase van SKA gebouwd: SKA1. In SKA1 worden ~100,000 antennes in een AA gerealiseerd voor het lagere frequentiespectrum tot 350 MHz. Voor de hogere frequenties zullen in SKA1 meer traditionele telescopen, de bekende schotels, worden gebruikt. Dit proefschrift richt zich daarom op de eisen, het systeemontwerp en mogelijke implementatie van AA's in de tweede fase van SKA en dan met name voor de hogere frequenties tot 1421 MHz. AA's hebben de mogelijkheid om de gehele zichtbare hemel tegelijkertijd te observeren omdat het blikveld van de individuele antennes niet begrensd is. Een dergelijke telescoop met miljoenen antennes blijkt met de bestaande technologie niet kosteneffectief te realiseren. Het onderzoek is toegespitst op de mogelijkheid om een kostenbesparende uitvoering van een AA te bouwen en richt zich voornamelijk op het systeemontwerp van de antenne arrays. Een zogenaamd sparse-regular array concept waarbij in het ontwerp minder antennes worden gebruikt door ze ver uit elkaar te plaatsen (sparse). Indien de besparing regelmatig (regular) gedaan wordt uit een regelmatige antenne array dan kan, ook na het uitdunnen, een kosteneffectieve signaalprocessing techniek worden toegepast, de zogenaamde Fast Fourier Transform (FFT). Met FFT bundelvorming kan de volledige capaciteit van AA's worden benut, namelijk een volledige complete hemelobservatie. Voor de vergelijking van de verschillende array opties wordt een evaluatiecriterium voorgesteld: gemiddelde systeemgevoeligheid gedeeld door systeemkosten. Dit criterium is doorgerekend voor een aantal besparende ontwerpen en verschillende verhoudingen van antenne- en signaalprocessingkosten. De toepassing van dit criterium levert een interessante conclusie op, namelijk dat een uitgedund array weliswaar een optie is voor SKA2, echter ook dat het sparse-regular concept mogelijk niet de beste keuze is voor SKA2.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ontdekking van radiosterrekunde dateer terug na 1928 toe Karl Jansky die eerste waarneming van kosmiese ruis gedoen het. Radiosterrekunde is derhalwe ʼn relatiewe jong wetenskap, en sy ontwikkeling verloop volledig in parallel met die van radio tegnologie, insluitend moderne informasie tegnologie. Radiosterrekunde loop dikwels op die voor front van ontwikkel met die dat die gemeenskap graag nuwe tegnologie vroeg opneem in hulle stelsels. Dikwels het radiosterrekunde ook tot gevolg die ontwikkeling van nuwe innoverende tegnologie met meer direkte toepassing in die breër wetenskappe en samelewing. Met die onlangse vooruitgang van syferseinverwerking, en kleiner en vinniger rekenaars, het radiosterrekunde teen ʼn uiters hoë tempo ontwikkel. Antenna samestellings word ontwerp en gebou met duisende individuele elemente, almal verbind en die afvoer data verwerk deur syferseinverwerking, wat baie hoë werkverrigting stelsels tot gevolg het. Die idee van die “Square Kilometre Array” (SKA) teleskoop hou direk verband met die potensiaal van stralingsvlak samestellings (AA). So vroeg soos 1994 het die eerste sketse van die SKA plat elektronies stuurbare antennas voorgestel. Hierdie AA teleskoop, tydelik bekend as die Waterstof teleskoop, na die Waterstof resonante lyn by 1421 MHz, sou ʼn bandwydte van 150 tot 1450 MHz hê. Alhoewel AAs tegnies lewensvatbaar is, sal die SKA1 teleskoop weerkaatser antennas gebruik vir frekwensies bo 350 MHz. Hierdie proefskrif spreek die behoeftes, stelsel ontwerp en moontlike implementering van ʼn AA stelsel vir SKA2, die tweede fase van die SKA teleskoop projek, aan. Stralingsvlak samestellings het die potensiaal vir oombliklike vol hemelruim waarnemings, en skep so ʼn uiters kragtige teleskoop. Die praktiese uitvoerbaarheid van so ʼn teleskoop is egter nie sonder sy uitdagings nie – spesifiek in koste, kraggebruik en operasionele werkverrigting. Die navorsing in hierdie proefskrif ondersoek die potensiaal van die yl-reëlmatige samestelling konsep. Yl-reëlmatige samestellings word vir laer frekwensie teleskope gebruik, maar die implementering van hierdie konsep is nog nie ondersoek vir hoër frekwensies, tot by die Waterstof lyn by 1421 MHz, nie. Daar sal geargumenteer word dat met ʼn nuwe voorgestelde werkverrigtingsmaatstaf, gemiddelde sensitiwiteit gedeel deur stelsel koste, dat ʼn yl-reëlmatige ontwerp kan verbeter op ʼn digte-reëlmatige of yl-lukrake stelsel. Hierdie proefskrif bied dus ʼn alternatiewe oplossing vir die stralingsvlak samestellings vir die SKA, en fokus spesifiek op ʼn moontlike relaisering daarvan. Die realisering neem syferseinverwerking behoeftes in ag, en gaan ʼn stap verder as om net ʼn teleskoop te ontwikkel wat dieselfde as ʼn ekwivalente weerkaatser antenna gebaseerde teleskoop kan doen. Hiervoor word daar voorgestel dat vinnige Fourier transvorm (FFT) seinverwerking ingespan word, wat moontlik gemaak word deur die reëlmatige verspreiding van die antenna elemente. FFT seinverwerking sal die bewerkingslas van die stelsel dramaties verlaag, en sodoende die volle potensiaal van stralingsvlak samestellings kan uitbyt. Daarom sal die reëlmatige samestelling konsep, yl of dig, laer koste in terme van verwerkingslas en kraggebruik hê, en beter werkverrigting bied, as ekwivalente lukrake samestellings. Hierdie proefskrif kom tot die gevolgtrekking dat die yl-reëlmatige konsep, al is dit tegnies lewensvatbaar, steeds ʼn aantal beduidende nadele inhou, en daarvoor nie noodwendig die ontwerpkeuse vir die SKA2 behoort te wees nie.
SAMENVATTING: Astronomie is waarschijnlijk zo oud als de mensheid, de eerste waarnemingen van radiogolven zijn echter van relatief recente datum. In 1928 werkte de jonge radio-ingenieur Karl Jansky aan ontvangers voor Bell Labs in de Verenigde Staten en ontdekte dat de storende ruis op de lijn, die de intercontinentale verbinding praktisch onmogelijk maakte, uit het heelal kwam: kosmische ruis. Land- en tijdgenoot Grote Reber lokaliseerde zes jaar later met een zelfgebouwde radiotelescoop de radiogolven expliciet in de Melkweg. Toen de Leidse sterrenkundige prof. Jan Hendrik Oort in de vroege oorlogsjaren Rebers’ artikel in de Astrophysical Journal had gelezen tekenden zich de eerste contouren van een nieuwe wetenschap af. Hoewel student Henk van de Hulst al in 1944 tijdens een geheime bijeenkomst in de donkere kamer van de Leidse Sterrewacht voorspelde dat de radiogolven afkomstig moesten zijn van waterstofatomen, duurde het nog tot 1951 voor Lex Muller in Kootwijk met een afgedankte Würzburg radarschotel de waterstoflijn waarnam. Met dit tastbare bewijs werd de weg vrijgemaakt voor de bouw van de Dwingeloo Radio Telescoop en de stichting van de Nederlandse Radiosterrenwacht (ASTRON). Radioastronomie is daarmee een relatief jonge wetenschap waarvan de ontwikkeling vaak parallel loopt met de voortgang van de technologie. Radioastronomie is zelfs vaak de trigger geweest voor nieuwe ontdekkingen in de techniek, onze wifi communicatiestandaarden bijvoorbeeld hebben hun oorsprong in toenemende kennis over radiogolven. De ontwikkeling in de computerindustrie van steeds snellere en kleinere systemen heeft de radioastronomie een belangrijke impuls gegeven: grote reeksen (arrays) van duizenden individuele antennes (dit betreft zowel de traditionele schotels als innovatieve ontwerpen) worden met elkaar verbonden door middel van digitale signaal processors, waardoor grote gevoeligheden worden bereikt en het heelal steeds nauwkeuriger bestudeerd kan worden. In Nederland werd met de veertien traditionele schotelantennes van de Westerbork Synthese Radiotelescoop (1971) onder andere het bestaan van Dark Matter aangetoond. In de zoektocht naar diepere kennis van ons universum werd begin jaren '90 het plan voorgesteld om een telescoop te realiseren met een honderd keer hogere gevoeligheid dan bestaande instrumenten. Dit zou mogelijk moeten zijn met een ontwerp ter grote van een vierkante kilometer, de Square Kilometre Array (SKA). Het concept van de SKA radiotelescoop is direct gerelateerd aan de potentie van Aperture Arrays (AA): vele duizenden en mogelijk miljoenen kleine antennes. De eerste schetsen van SKA uit 1994 gaven een beeld van platte elektronisch bestuurbare antennes. Het ontwerp was gericht op het waarnemen van dezelfde waterstoflijn die door Lex Muller al werd waargenomen: de spectrale lijn uitgestraald door het waterstofatoom op 1421 MHz. Nu, 25 jaar later, wordt in de Murchison in West Australië en in de Zuid-Afrikaanse Karoo de eerste fase van SKA gebouwd: SKA1. In SKA1 worden ~100,000 antennes in een AA gerealiseerd voor het lagere frequentiespectrum tot 350 MHz. Voor de hogere frequenties zullen in SKA1 meer traditionele telescopen, de bekende schotels, worden gebruikt. Dit proefschrift richt zich daarom op de eisen, het systeemontwerp en mogelijke implementatie van AA's in de tweede fase van SKA en dan met name voor de hogere frequenties tot 1421 MHz. AA's hebben de mogelijkheid om de gehele zichtbare hemel tegelijkertijd te observeren omdat het blikveld van de individuele antennes niet begrensd is. Een dergelijke telescoop met miljoenen antennes blijkt met de bestaande technologie niet kosteneffectief te realiseren. Het onderzoek is toegespitst op de mogelijkheid om een kostenbesparende uitvoering van een AA te bouwen en richt zich voornamelijk op het systeemontwerp van de antenne arrays. Een zogenaamd sparse-regular array concept waarbij in het ontwerp minder antennes worden gebruikt door ze ver uit elkaar te plaatsen (sparse). Indien de besparing regelmatig (regular) gedaan wordt uit een regelmatige antenne array dan kan, ook na het uitdunnen, een kosteneffectieve signaalprocessing techniek worden toegepast, de zogenaamde Fast Fourier Transform (FFT). Met FFT bundelvorming kan de volledige capaciteit van AA's worden benut, namelijk een volledige complete hemelobservatie. Voor de vergelijking van de verschillende array opties wordt een evaluatiecriterium voorgesteld: gemiddelde systeemgevoeligheid gedeeld door systeemkosten. Dit criterium is doorgerekend voor een aantal besparende ontwerpen en verschillende verhoudingen van antenne- en signaalprocessingkosten. De toepassing van dit criterium levert een interessante conclusie op, namelijk dat een uitgedund array weliswaar een optie is voor SKA2, echter ook dat het sparse-regular concept mogelijk niet de beste keuze is voor SKA2.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2019.
Keywords
Radio astronomy, UCTD, Radio telescopes, Antenna arrays, Radar -- Antennas