絞り合成

開口合成または合成画像は、望遠鏡の集合からの信号を混合して、集合全体の大きさの機器と同じ角度解像度を持つ画像を生成する干渉法の一種です。 ^{[1] [2] [3]}それぞれの分離と方向で、干渉計のローブパターンは、観測対象の明るさの空間分布のフーリエ変換の1つの要素である出力を生成します。ソースの画像（または「マップ」）は、これらの測定値から生成されます。天文干渉計は、高解像度の光学、赤外線、サブミリ波、電波天文学の観測によく使用されます。たとえば、イベントホライズンテレスコーププロジェクトは、開口合成を使用してブラックホールの最初の画像を導き出しました。^[4]

開口合成は、各望遠鏡で入力信号の振幅と位相の両方が測定される場合にのみ可能です。無線周波数の場合、これは電子工学で可能ですが、光周波数の場合、電磁場を直接測定してソフトウェアで相関させることはできず、感度の高い光学系で伝播させて光学的に干渉させる必要があります。正確な光学遅延と大気波面収差補正が必要ですが、これは 1990 年代になってようやく可能になった非常に要求の厳しい技術です。これが、開口合成による画像化が電波天文学では 1950 年代から、光/赤外線天文学では 2000 年以降にようやく使用されてきた理由です。詳細については、 天文干渉計を参照してください。

高品質の画像を生成するには、異なる望遠鏡間の多数の異なる間隔が必要です (電波源から見た任意の 2 つの望遠鏡間の投影された間隔は基線と呼ばれます)。高品質の画像を得るためには、できるだけ多くの異なる基線が必要です。n台の望遠鏡のアレイの基線数 ( n _{b ) は、} n _b =( n ²  −  n )/2で与えられます。(これはⁿ C ₂です)。たとえば、Very Large Array には 27 台の望遠鏡があり、一度に 351 の独立した基線が得られ、高品質の画像を生成することができます。 ${\displaystyle {\binom {n}{2}}}$

電波アレイとは対照的に、最大の光学アレイには現在 6 台の望遠鏡しかなく、望遠鏡間の 15 基線からの画像品質は低下します。

ほとんどの無線周波数開口合成干渉計は、地球の自転を利用して、観測に含まれる異なるベースラインの数を増やします (右の図を参照)。異なる時間にデータを取得すると、望遠鏡を追加したり、望遠鏡を手動で移動したりすることなく、異なる望遠鏡の間隔と角度で測定を行うことができます。これは、地球の自転によって望遠鏡が新しいベースラインに移動するためです。

地球の自転の利用については、1950年の論文「北半球の電波星の予備調査」で詳しく議論されている。^[5]開口マスキング干渉法など、一部の機器では、地球の自転の代わりに干渉計アレイの人工的な回転を使用している。

開口合成の概念は、1946年にオーストラリアの電波天文学者 ルビー・ペイン・スコットとジョセフ・ポージーによって初めて考案されました。シドニーのドーバーハイツで活動していたペイン・スコットは、1946年1月26日にオーストラリア陸軍のレーダーを電波望遠鏡として使用し、電波天文学における最古の干渉計観測を実施しました。^[6]

開口合成画像は、後にケンブリッジ大学の電波天文学グループのマーティン・ライルと同僚によって電波波長で開発されました。マーティン・ライルとトニー・ヒューイッシュは、この技術と電波干渉計の開発に対するその他の貢献により、ノーベル賞を共同で受賞しました。

ケンブリッジの電波天文学グループは、1950 年代にケンブリッジ近郊にムラード電波天文台を設立しました。1960 年代後半から 1970 年代前半にかけて、コンピューター (タイタンなど) が、必要とされる計算集約的なフーリエ変換反転を処理できるようになったため、彼らは開口合成を使用して、それぞれワンマイル望遠鏡とライル望遠鏡を使用して「1 マイル」、後に「5 km」の有効開口を作成しました。

この技術はその後、数千キロメートルの基線を得るための超長基線干渉計や光学望遠鏡にまで発展した。開口合成という用語は、合成開口レーダーと呼ばれるタイプのレーダーシステムを指すこともあるが、これは電波天文学の方法とは技術的に無関係であり、独立して開発されたものである。

もともと、ある最大値まで、基本的にすべてのベースラインの長さと方向で測定を行う必要があると考えられていました。このような完全にサンプリングされたフーリエ変換には、最大ベースラインに等しい開口部の直径を持つ従来の望遠鏡からの画像と正確に同等の情報が正式に含まれているため、開口部合成と呼ばれます。

多くの場合、特に最大エントロピー法などの非線形デコンボリューションアルゴリズムの助けを借りて、比較的まばらで不規則なベースラインのセットで有用な画像を作成できることがすぐに発見されました。合成イメージングという別名は、完全な開口部を合成しようとすること（フーリエ変換による画像再構成を可能にする）から、強力だが計算コストの高いアルゴリズムを使用して、利用可能なデータから画像を合成しようとすることへの重点の移行を認めています。

開口合成は、 1950年代初頭にカール・A・ワイリーによって開発されたドップラー技術である合成開口レーダーとは技術的にも歴史的にも独立していることに注意する必要がある。動作原理は無関係である。^[7]

• ビームフォーミング
• 干渉合成開口レーダー（IfSAR または InSAR）
• ライトフィールド
• 光ヘテロダイン検波（SAHD）
• 合成開口磁気測定
• 合成開口ソナー
• 合成開口レーダー（SAR）と逆合成開口レーダー（ISAR）
• ファン・チッタート・ゼルニケの定理#開口合成

• 電波干渉法の開発、ボブ・タブス著『天文光学干渉法、文献レビュー』、ケンブリッジ、2002年より
• ケンブリッジ光学開口合成望遠鏡
• Aperture SYNthesis SIMulator (Aperture Synthesis の概念を学習するためのインタラクティブ ツール)