LOIS ger mer
Det är inte Lois Lane vi talar om utan Lofar Outrigger In Scandinavia. Bo Thidé fortsätter:
– 2001 blev jag kontaktad av Astron. Jag hade under slutet av 1980-talet och början av 1990-talet lett en internationell studie av ett liknande projekt som skulle läggas i norra Sverige. Astron avsåg att använda sig av små antenner, digitalt samplade, som vi redan hade tänkt ut. Jag höll ett anförande, de blev eld och lågor och jag menade att man kunde utvidga det med rymdfysik. De var sugna på rymdfysik eftersom de trodde det skulle bli svårt att få anslag till något så esoteriskt som radioastronomi, men betydligt lättare till ämnen som solstormar som slår ut radiokommunikation. I början av 2002 gjorde jag en studie i möjligheterna att använda LOFAR-likande teknik för att göra studier av den nära rymden, Solen osv, inom ett par AU, och kom fram till ett antal förutsättningar: Man måste ned i frekvens och systemet måste ha högre dynamik.
– Det huvudsakliga problemet vid 10 MHz torde väl vara alla kortvågssändare, som måste filtreras bort? inflikar vi.
– Javisst, vi behövde kunna känna igen mycket svaga signaler och mycket starka. Det visste holländarna inget om, men vi hade erfarenhet av det. Dessutom var IRF specialister på digitala mottagare, sk Software Defined Radio, eftersom vi byggde vår första redan 1981.
En antenn från IRF som kan mäta tre riktningar på en gång, loopantennen.
En tysk grupp hade också varit med. De ville använda LOFAR-teknik till att testa de fundamentala naturlagarna genom att detektera ultrasnabba kosmiska partiklar som slår in i atmosfären och därvid orsakar skurar av radiovågor på 20 km höjd. Med antennarrayer kunde man testa en mängd olika förutsägelser om universums uppkomst. Tyskarna kallar observatoriet i fråga LOPES. IRF skulle inte vara sämre, utan vi utvecklade vår spjutspets i södra Sverige, där för övrigt centrum för LOFAR ursprungligen skulle ha legat. Nu hamnade LOFAR i Holland istället, och genom massiva bidrag från regeringen fick landet utöver själva anläggningen ett fantastisk infrastruktur av höghastighetsnät på fiber. En utmärkt blandning av regionalpolitik, forskningspolitik och kommunikationsintressen.
Från en linje mellan Visby och Göteborg och söderut är det optimalt för antennfarmer. Radiostörningarna varierar erfarenhetsmässigt linjärt med luftens medeltemperatur, vilket betyder att det är mera störningar nere i centrala Europa eftersom det är mera tättbefolkat där. Sen sjunker det norrut, upp till 57:e breddgraden. Där börjar störningarna från norrsken att öka. Vid 56,9 grader ligger Växjö.
Vi tog kontakt med Växjö Universitet och sade att vi skulle vilja bygga en demoanläggning i stil med LOFAR, men lyfta det ett steg och få med ytterligare en komponent i den elektriska fältverktorn, bättre sampling, högre dynamik osv och bidra med vår erfarenhet av att jobba med låga frekvenser där störningsproblemen är formidabla och mycket svåra att bemästra. LOIS skulle bli en testbänk för att ta fram nya metoder att optimera LOFAR för studier av den nära rymden. Växjö Universitet, Kronobergs Län, Saab Aerotech och Vinnova var inte sena att haka på.
En LOIS-station i Växjö. Bilden visar fem tripoler med mottagarna i mitten, anslutna med Ethernet till en understation i det lilla huset. GPS-antennen sticker rätt upp.
Vi kunde snabbt få ihop ett antal digitala mottagare, som dock var väldigt långsamma. De första enskilda tripolantennerna kom upp i oktober 2003 och vi hade åtta stycken uppe 2004. Det systemet använde vi fram till förra året. Vi fick då anslag från amerikanska National Science Foundation och från Vinnova vilket räckte till att utveckla den nya mottagaren, som var hundra gånger bättre än den gamla. De levererades under sommaren och ska placeras ut och sen ska vi försöka visa vad vi kan. Vår plan är att en del av antennmattorna i Europa ska vara av LOIS-typ så vi kan utvinna mer data än vad LOFAR kan.
Ett labbexempel på loopantennen, rockringsantennen (hula hoop antenna) som sannolikt blir den modell som placeras ut på Månen när man bygger ett radioteleskop där.
Vår mottagare har tre antenningångar för att vi ska kunna ta emot alla tre axlarna (X, Y, Z) för att kunna få hela vektorn. En radiovåg är en vektor. Den varierar inte bara upp och ned i amplitud utan det elektriska fältet har dessutom en instantan riktning och denna riktning är också information. Det har inte andra observatorier tagit hänsyn till, annat än att denna riktning ibland bara är en simpel rotation med- eller moturs, alltså cirkulär polarisation, ett spinn. Men det visar sig att vektorn kan tumla hur som helst.
Tumlandet kallas inom mekaniken för rörelsemängdsmoment vilket på engelska blir Angular Momentum. Detta rörelsmängdsmoment består av två delar, dels spinn-/polarisationsdelen nämnd ovan (Spin Angular Momentum, SAM) och dels banimpulsdelen (Orbital Angular Momentum, OAM). Se nedan. Alla data som LOFAR kan producera kan även LOIS producera, men vi kan dessutom få fram vektorinformationen, alltså vektorns instantana riktning. LOIS blir sålunda ett superset till LOFAR. Det är dessutom bara vi som kan detektera distorsion i OAM-komponenten och kan därför kalibrera denna. Det hade vi tänkt bidra till hela LOFAR med. Det är troligt att när LOFAR ska uppgradera sina mottagare nästa år kommer de att ta vårt koncept.
Signalbehandlingen
Antennerna till LOIS är inte särskilt avancerade. Man använder ofta tre korsade ortogonala elektriska dipoler X, Y, Z (tripol) men även magnetiska dipoler och mer avancerade, icke-ortogonala antenner. Finessen ligger i hur man använder antennsignalerna och vad de motsvarar fysikaliskt hos det inkommande (eller utstrålade) radiofältet.
– IRFs nya radiomottagare är något i hästväg. D/A-omvandlarna är det häftigaste som fanns på marknaden för 8 månader sedan, med 130 megasample per sekund och 16 bitars upplösning. Framåt jul börjar det komma 250 Msps och kanske vi byter ut våra omvandlare. Om några år kanske vi får 24 bitars omvandlare också.
Blockschema över LOIS-mottagaren. Antennen är en relativt enkel trekorsad dipol (tripol). Varje dipol ansluts till mottagarens ingångssteg. Det finns egentligen fyra ingångssteg, varav ett i framtiden kan tänkas användas till triggsignal. Ingångssteget är synnerligen bredbandigt, 0-500 MHz, men ett ställbart bandpassfilter väljer ut ett band på 60 MHz. Den 60 MHz breda signalen går vidare till D/A-omvandlare som tar 130 megasample per sekund. Tillsammans med tidsstämpeln från en GPS-mottagare går 16-bitarsdatat in i en FPGA som gör en matematisk analys av signalen och matar ut ett korrelerat, tidsstämplat resultat. Den råa bithastigheten hade varit 6 Gbps, men med matematisk knådning får man ned det till 1 Gbps så det passar på en GbE-ledning. LOFAR-mottagaren är betydligt enklare. Framför allt används bara två dipoler i LOFAR-fallet.
– En array kommer att bestå av 48 mottagare. Det krävs stora bandbredder även om vi klämmer ihop utdata från varje mottagare till 1 Gbps. För närvarande har vi 12 enheter och data ska in till en central dator, synkat, tidsstämplat ner på nanosekunden när och positionerat.
Två likadana mottagarkort hos IRF. Till höger på det övre kortet syns de fyra ingångsförstärkarna. Undersidan visar de digitala komponenterna. På det fyrkantiga kortet i mitten sitter de fyra D/A-omvandlarna och till vänster om dessa den metallkapslade FPGA:n som gör de matematiska konverteringarna. Alltihop slutar i en Ethernet-kontakt längst till vänster.
Radion är inte avstämd till någon särskild frekvens utan samplar bredbandigt i ett frekvensintervall som är 60 megahertz brett, som kan placeras godtyckligt inom frekvensbandet 0-500 megahertz. Alla inkomna vågformer (i princip brus, för ett otränat öga) tidsstämplas på nanosekundnivå med hjälp av tidssignaler från GPS-mottagare.
Alla mottagar- och antennegenskaper får därefter byggas upp i programvara. Varje forskare kan använda data så som han eller hon önskar. Vill man bygga upp en smal stråle riktad mot Vega, så gör man det, vill man svepa av himlavalvet efter radiostjärnor, så gör man det. Data finns alltid kvar och hände något intressant kan man bara gå tillbaka och prova nya algoritmer på samma radiogalax.
IBM-superdatorn, en bladserver av typen System S med 28 noder, som ska bearbeta LOIS-data i Ronneby.
IRF fick en superdator av IBM, en System S med 28 serverblad, som ställts upp invid den nya arrayen som byggts i Ronneby. Den har kapacitet att ta hand om de 48 gigabit per sekund som kommer att strömma in från mottagarna när anläggningen blir färdig.
