Calibración de un arreglo de antenas de onda larga utilizando radiofuentes para observaciones de aeronomía y radioastronomía

El Long Wavelength Array Perú (LWA-Perú) es un sistema de radio multiestático que consta de dos arreglos independientes de antenas dipolo ubicados en locaciones cercanas al Radio Observatorio de Jicamarca (JRO). Las capacidades técnicas de cada arreglo de antenas van a ampliar la cobertura de las observaciones y van a generar datos más completos, tanto en el dominio de las frecuencias como de la resolución angular de las observaciones. En ese sentido, este proyecto postdoctoral propone el desarrollo de una serie de técnicas para la calibración general de los elementos del arreglo de antenas LWA-Perú, utilizando radiofuentes observadas en el hemisferio sur. El plan elaborado tiene como objetivo proporcionar los parámetros de calibración más óptimos para cada arreglo de antenas, considerando las distintas frecuencias de observación de los arreglos, que abarcan un rango entre 10 y 88 MHz. Como resultado, los parámetros de calibración estimados permitirán el desarrollo de un algoritmo automatizado para la auto calibración del sistema y para la producción de imágenes en alta resolución orientadas a estudios del espacio cercano y en radioastronomía.

El plan elaborado tiene como objetivo proporcionar los parámetros de calibración más óptimos para cada arreglo de antenas, considerando las distintas frecuencias de observación de los arreglos, que abarcan un rango entre 10 y 88 MHz.

Las capacidades técnicas mejoradas de cada arreglo de antenas del LWA-Perú permiten una observación más amplia y precisa. La posibilidad de captar un rango de frecuencias entre 10 y 88 MHz contribuye a obtener una visión más completa del espacio cercano y de fenómenos astronómicos, proporcionando un conjunto de datos más rico y variado para el análisis científico. El proyecto presentado se enfoca en el desarrollo de técnicas avanzadas para la calibración, en específico de amplitud y fase, de los elementos del arreglo de antenas. Utilizando radiofuentes puntuales observadas en el cielo del hemisferio sur, se presenta un plan detallado para determinar los parámetros de calibración más óptimos para cada uno de los arreglos multiestáticos. La precisión en la calibración es un paso importante para asegurar la calidad y exactitud de las observaciones que se llevarán a cabo en colaboración con el radio observatorio de Jicamarca. El proceso de calibración de los arreglos de antenas de cada estación del LWA-Perú (que se describe a detalle en la metodología) tiene como finalidad estimar parámetros específicos que nos permitan implementar técnicas de formación de imágenes para producción científica. Para la producción de estas imágenes, se emplearán técnicas de procesamiento de señales y algoritmos iterativos que permitan producir imágenes de alta resolución dentro de las parámetros asociados al rango de frecuencias entre 10 y 88 MHz. Para este fin, se desarrollarán técnicas iterativas que permitirán la estimacion de los parametros de calibracion, así como de los errores causados por variaciones en la respuesta del sistema y las condiciones atmosféricas variables. Proponemos utilizar la técnica conocida como self-calibration (auto-calibración), que ajusta los parámetros de calibración (las ganancias) de manera iterativa, tomando como modelo las observaciones iniciales. Para ello, también consideramos la calibración de flujo, mediante la cual se calibran los voltajes de las señales medidas por los receptores, utilizando fuentes con densidades de flujo y tamaños angulares conocidos. Esto permitirá obtener mediciones en unidades de Jansky o Kelvin. Asimismo, con estas fuentes también se aplicarán calibraciones de ancho de banda, para corregir variaciones de fase o amplitud originadas por las diferencias entre las frecuencias que corresponden al ancho de banda del receptor. El proceso de formación de imágenes se basa en transformar las visibilidades calibradas en representaciones visuales del cielo. Para ello, utilizamos técnicas de producción de imágenes basadas en la aplicación de la transformada de Fourier inversa a las visibilidades y una posterior deconvolución. Para ello, se utilizan algoritmos conocidos para la producción de datos en radioastronomía, como es el algoritmo "tclean". Esta etapa es importante para eliminar los efectos de la respuestas del haz (o PSF), lo que resulta en una mejora notable en la resolución y claridad de la imagen final.

A parte de los obligatorios. El LWA-Perú representa un avance significativo en la capacidad de observación en radioastronomía. Este sistema multiestático, compuesto por dos arreglos independientes de antenas ubicados cerca del JRO, permite una ampliación sustancial en la cobertura de observaciones. Esta configuración avanzada facilita la recolección de datos más completos y detallados, tanto en términos de frecuencia como de resolución angular. Las mejoras técnicas de cada arreglo de antenas del LWA-Perú permiten una observación más amplia y precisa. La capacidad de captar un rango de frecuencias entre 10 y 88 MHz contribuye a obtener una visión más exhaustiva del espacio cercano y de fenómenos astronómicos, proporcionando un conjunto de datos más completo y variado para el análisis científico. Los parámetros de calibración estimados en este proyecto permitirán mejorar significativamente la calidad de los datos obtenidos por el LWA-Perú. La implementación de un algoritmo automatizado para la auto calibración del sistema garantizará una operación más eficiente y la producción de imágenes de alta resolución. Las técnicas desarrolladas y los avances obtenidos en este proyecto tienen un gran potencial para futuras aplicaciones en radioastronomía y estudios del espacio cercano. El aumento en la resolución y la precisión de las imágenes producirá una mayor comprensión de fenómenos astronómicos y contribuirá al progreso científico en el campo de la radioastronomía. Las técnicas desarrolladas y los avances obtenidos en este proyecto implican un gran potencial para futuras aplicaciones en radioastronomía y estudios del espacio cercano. Este proyecto postdoctoral tiene como objetivo establecer una base sólida para mejorar las observaciones en aeronomía y radioastronomía mediante técnicas específicas de calibración. Los resultados obtenidos no solo optimizarán el rendimiento del sistema actual, sino que también abrirán nuevas oportunidades para investigaciones futuras en este campo.

El desarrollo de este sistema multi-estático de radar va a incrementar las capacidades de observación de la ionósfera ecuatorial y el geoespacio desde el Perú. El primer impacto corresponde a la realización de nuevos experimentos y observaciones (no posibles de realizar con las capacidades actuales) que fomentarán el desarrollo de nuevos estudios científicos en las siguientes temáticas: a) Mesósfera y baja termósfera, b) Meteoros, c) Irregularidades ionosféricas, d) Resplandores de radio y e) observaciones de radar de dispersión incoherente. Estos nuevos estudios representarán un avance importante en nuestra comprensión de la dinámica de la ionósfera y la alta atmósfera y su interacción con el Sol y el clima espacial. Además, la instrumentación propuesta atenderá demandas observacionales en áreas de investigación relacionadas a las ciencias espaciales y la aeronomía. Por ejemplo, las estaciones de radio receptores a instalar en Santa María y Huancayo se podrán utilizar de forma independiente como sistemas pasivos (radiotelescopios) para investigaciones de radioastronomía en el hemisferio sur. Así, podremos realizar la búsqueda y análisis de pulsares y FRBs (Fast Radio Burst) a bajas frecuencias de radio, complementando las observaciones llevadas a cabo por las estaciones de los proyectos Long Wavelength Array (LWA) y LOw Frequency ARray (LOFAR) ubicados en América del Norte y Europa, respectivamente. Adicionalmente, el presente proyecto base tendrá un impacto más amplio en diferentes aspectos relacionados al desarrollo de la ciencia en nuestro país. Primero, la implementación del sistema propuesto significará una mejora significativa en cuanto a la capacidad de contar con infraestructura de última generación para la realización de proyectos de investigación en las áreas de las ciencias espaciales. Dicha infraestructura al estar relacionada con una universidad como la PUCP, además, impactará en la formación de jóvenes estudiantes de diversas ramas de la ingeniería, física y otras carreras afines. Dicha infraestructura podrá ser usada para la realización de tesis de pregrado, maestría y doctorado lo cual además tendrá un impacto en el desarrollo profesional de los estudiantes que realicen dichos trabajos. Estos estudiantes podrán orientar sus carreras en temas de desarrollo tecnológico e investigación en ciencias del espacio. Por otro lado, el presente proyecto fomentará la creación de nuevas asociaciones nacionales e internacionales, ya que las observaciones que generará el sistema a desarrollar serán de interés de la comunidad científica internacional. Además, se espera un incremento de la participación de grupos subrepresentados en ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas (STEM), lo cual tendrá un impacto positivo en la comunidad científica peruana. Finalmente, el avance en las investigaciones propuestas, promoverá la formación de investigadores postdoctorales quienes potenciarán el inicio de su carrera profesional mediante el uso de instrumentación científica de última generación.

Investigacion postdoctoral

Disciplinario

ADMINISTRADO

LIMA - LIMA - SAN MIGUEL

• 12 — Ciencias de la tierra, medio ambiente y sostenibilidad

Ciencias naturales - Física y Astronomía - Astronomía

PROGRAMA NACIONAL DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y ESTUDIOS AVANZADOS