偏置相位天线极化性能研究：FARSIDE月球射电阵列的偏振泄漏分析与校正

《Publications of the Astronomical Society of Australia》：Polarisation Performance of Offset Phase Antennas: A Study for FARSIDE

本文针对FARSIDE月球射电阵列因机器人部署导致的偶极子相位中心偏移问题，通过建立穆勒矩阵模型和电磁仿真，首次量化分析了偏移对偏振测量的影响。研究发现50米相位偏移会使斯托克斯V的泄漏增加两个数量级（V/I从0.05%升至2.5%），并提出基于琼斯矩阵的校正方法，为未来月球射电望远镜的高精度偏振测量奠定理论基础。

　　

在探索宇宙奥秘的征程中，低频射电天文学正迎来革命性突破。低于30MHz的电磁频谱蕴藏着两个重大天体物理问题的关键信息：宇宙黑暗时代的中性氢21厘米信号，以及系外行星的磁层辐射特征。然而，这个频段至今仍是观测的空白区——地球电离层的吸收和散射、人为射频干扰，使得地面观测站难以获得有效数据。月球远侧以其独特的无线电静默环境和无电离层干扰的优势，成为部署低频射电阵列的理想选址。在此背景下，NASA支持的FARSIDE（Farside Array for Radio Science Investigations of the Dark Ages and Exoplanets）任务计划在月球远侧部署128个双极化天线节点，构建覆盖12×12公里区域的射电干涉阵列。

与传统地面射电望远镜不同，FARSIDE采用机器人部署策略带来前所未有的技术挑战：每个天线节点的两个正交偶极子需要沿缆绳顺序布置，通过机器人90度转弯实现正交极化，这导致两个偶极子的相位中心产生50米的空间偏移。这种“非共位”部署方式可能引发偏振信号的交叉混合，严重影响科学目标的实现——系外行星磁层的电子回旋脉泽（ECM）辐射需要高保真度的圆偏振测量，而黑暗时代的21厘米信号检测则要求精确分离非偏振的宇宙信号与偏振的前景辐射。

为解决这一关键问题，加州理工学院和亚利桑那州立大学的研究团队在《Publications of the Astronomical Society of Australia》上发表论文，系统分析了偏置相位天线对FARSIDE阵列偏振性能的影响。研究团队通过建立完整的理论模型和数值模拟管道，首次量化了相位偏移导致的偏振泄漏效应，并提出了有效的校正方案。

关键技术方法包括：1）使用FEKO电磁仿真软件建立100米偶极子在月壤上的方向依赖型波束模型；2）基于琼斯-穆勒矩阵形式体系构建偏振泄漏理论框架；3）开发自定义干涉测量模拟管道，集成GLEAM（GaLactic and Extragalactic All-sky MWA）天空模型与阵列UV覆盖；4）通过本征交叉偏振比（IXR_M）量化仪器性能。

阵列设计与偏移效应可视化

FARSIDE采用四臂螺旋阵列布局，每个天线节点包含两个正交偶极子。相位中心偏移使得XY/YX基线在UV空间的分布与XX/YY基线产生显著差异。模拟显示，在2MHz频率下，偏移配置虽然改善了XY基线的点扩散函数（PSF），但未考虑方向依赖的波束效应可能带来的偏振测量误差。

偏振泄漏的理论框架

研究采用无线电干涉测量测量方程（RIME）的穆勒矩阵形式体系，量化天空斯托克斯参数（I、Q、U、V）与仪器伪斯托克斯参数（??^I、??^Q、??^U、??^V）之间的耦合效应。对于相位偏移情况，偏移琼斯矩阵引入的附加相位项导致穆勒矩阵中M₂₂、M₂₃、M₃₂和M₃₃元素产生方向依赖的变化，主要表现为斯托克斯U和V分量之间的相互泄漏。

频率依赖的泄漏分析

电磁仿真显示，偶极子波束模式随频率变化显著：低于2MHz时偶极子呈电短特性，增益较低；接近共振频率2MHz时波束最优化；高于2MHz时出现多瓣结构，波束色度效应增强。偏移效应也呈现频率依赖性，在0.6MHz、2MHz和10MHz三个特征频率下，相位偏移使斯托克斯V的泄漏分别增加2000倍、100倍和10倍。

模拟观测验证

通过自定义管道处理纯斯托克斯I的GLEAM点源模型，研究发现相位偏移使最大V/I通量比从共位情况下的0.05%增加到2.5%。对系外行星科学目标而言，这种泄漏水平将严重干扰电子回旋脉泽（ECM）辐射的检测，因为ECM发射预期为100%圆偏振，且通量密度较低。

偏移校正方法

研究提出基于偏移琼斯矩阵逆运算的校正方案。由于偏移琼斯矩阵是对角酉矩阵，校正因子可简化为J_offset^-1?J_offset。应用该校正后，斯托克斯U和V图像的泄漏水平可恢复至接近共位情况，残余误差主要来自PSF旁瓣效应。理想UV覆盖下的测试验证了校正方法的有效性。

本研究系统分析了FARSIDE阵列非共位偶极子部署对偏振性能的影响，建立了完整的理论框架和模拟管道。研究结果表明，50米相位偏移会显著增加斯托克斯V的泄漏水平，但对斯托克斯I的影响可忽略不计。这意味着偏移效应主要影响系外行星磁层辐射探测，而对黑暗时代21厘米信号测量影响较小。提出的校正方案能有效补偿偏移效应，为未来月球射电望远镜的工程设计提供了重要参考。研究还指出，通过优化阵列布局（如四臂采用不同偏移方向）可能进一步降低偏振泄漏，这为后续研究指明了方向。该工作不仅对FARSIDE任务具有直接指导意义，也为其他采用类似部署策略的月球射电阵列提供了理论依据和技术支撑。