Detectores Espectrales y de Continuo

Generalidades sobre back-ends

Se denomina back-end al conjunto de subsistemas situados al final de la cadena receptora, encargados del tratamiento de la señal recibida previamente detectada y convertida a frecuencia intermedia en el front-end (que llamaremos señal de FI). Existen distintos tipos de back-end:

  • Los que sólo registran la señal de FI con un determinado formato e información adicional de la observación para su posterior tratamiento y análisis, como es el caso de los backend de VLBI (por ejemplo, el Mark IV).
  • Los que la detectan y procesan. Estos últimos se dividen a su vez en dos tipos, Continuo y Espectral, según la forma de detección de la señal de FI:
    • El detector de continuo estima la potencia recibida en toda la banda de paso del receptor.
    • El detector espectral, también llamado espectrómetro, estima la densidad espectral de potencia, DEP, de la señal de FI dividiendo la banda de paso del receptor en tramos adyacentes y midiendo la potencia recibida en cada tramo. Esto permite, por ejemplo, estudiar las líneas de emisión de los átomos y moléculas del medio interestelar.

El espectrómetro es probablemente el back-end de propósito general más importante en un radiotelescopio. Sus características más importantes son:

  • El ancho de banda de la señal de FI que puede analizar.
  • La resolución espectral de la DEP (esto es, el grado de detalle de los espectros obtenidos).
  • La flexibilidad para elegir los parámetros anteriores.

Hay tres tipos fundamentales de espectrómetros radio: el banco de filtros, el espectrómetro acusto-óptico y el autocorrelador digital.

Banco de filtros

Divide la banda de FI en N subbandas consecutivas, con un banco de N filtros de frecuencias de corte adyacentes de forma que, a la salida de cada filtro, se detecta la potencia que llega en esa subbanda usando un detector cuadrático.

Para que funcione correctamente la función de transferencia de los N filtros debe ser idéntica. Además será necesario realizar ciclos de calibración periódicos para eliminar las variaciones de ganancia entre subbandas debido a que es imposible que los componentes electrónicos de cada subbanda tengan exactamente el mismo comportamiento.

En este espectrómetro el coste por canal es elevado aunque su inconveniente fundamental es que no permite variar la resolución. La resolución máxima es la anchura del filtro y para modificarla habría que cambiar los filtros. Por esta razón, este tipo de espectrómetro es poco utilizado en la actualidad.

Espectrómetro acusto-óptico

Se basa en la difracción que experimenta un haz de luz monocromática al atravesar un líquido sometido a una onda ultrasónica, efecto predicho en 1921 por Brillouin. La señal de FI se convierte en una onda ultrasónica (haciendo uso de un transductor piezoeléctrico) que atraviesa un medio (habitualmente un líquido transparente). Esa onda produce variaciones periódicas de la densidad de dicho medio, lo que a su vez causa variaciones del índice de refracción del medio, a un ritmo mucho menor que la velocidad de la luz por lo que pueden considerarse estacionarias. En estas condiciones, un haz de luz monocromática que atraviese dicho medio será difractado en una dirección que depende de la distancia entre puntos de máxima densidad, lo que significa que el ángulo de difracción del haz depende de la frecuencia de la señal de FI. La cantidad de luz difractada en cada ángulo está directamente relacionada con la potencia de cada frecuencia de la señal de FI.

Las ventajas de este espectrómetro es que permite analizar grandes anchos de banda, con un gran número de canales por banda y un bajo coste por canal. Sin embargo, mecánicamente son delicados, la máxima resolución alcanzable es menor que la del autocorrelador digital, no permite variar la resolución y hay que someterlo a calibraciones periódicas.

Back-ends en el CAY

Radiotelescopio de 14 m

Existen cuatro tipos de back-end actualmente en funcionamiento:

  • Detector de continuo: 50MHz - 1500MHz
  • Banco de filtros:
    Número de canales 256
    Resolución 50 kHz
  • Espectrómetro acusto-óptico:
    Número de canales 576
    Resolución 108 kHz
  • Back-end para VLBI

    Terminal VLBA 4 (VLBA DAR y formateador Mark 4)

    Dos registradores:

    • En cinta magnética de alta densidad (estándar Mark4).
    • En paquetes de discos duros (estándar Mark 5).

Radiotelescopio de 40 m

Actualmente se está desarrollando en el CAY un espectrómetro autocorrelador digital de 2 bit/muestra y arquitectura XF para el Radiotelescopio de 40m. A continuación se muestra un esquema general y un resumen de sus parámetros principales:

Ancho de banda (MHz) Resolución (kHz)
1024 2000
512 500
256 125
128 62.5
Back End