望远镜技术的射电望远镜阵列

◎文图 中国科学院国家天文台 郭红锋天文动手做/天文望远镜系列科迷街建设中的平方公里射电望远镜阵——SKA 平方公里射电阵的概念酝酿于20世纪90年代初。

1993年，日本京都举行了国际无线电科学联合会大会，参加了射电天文学委员会的中国、澳大利亚、加拿大、法国、德国、印度、荷兰、俄罗斯、英国、美国等10国的天文学家代表出席了大会。

时值世纪之交，与会代表分析了射电望远镜未来的发展，提出了建造下一代大射电望远镜（Large Radio Telescope，简称LT）的倡议。

LT当时还只是一个概念，科学家们想要建造一个总接收面积相当于1平方公里的大型射电望远镜。

这样大的接收面积，已经不可能做成一整块镜面了，应该由多面小射电望远镜组成阵列。

但究竟由多少面、多大口径的小望远镜组成什么样的阵列，在哪里布局阵列等一系列问题都有待科学家们在此后数年里共同合作和努力推进。

科学家们希望用这样一个既有大口径又有大面积的射电望远镜阵列，观测遥远的宇宙深处，能够获得宇宙更早期，甚至初始时期的信息，从而弄清楚现今的宇宙是怎样从初始状态演化过来的。

射电天文学诞生后的短短几十年间，人类就发现了3万多个射电源，看到了100亿光年之遥的星系。

著名的20世纪60年代天文学四大发现：类星体、脉冲星、星际有机分子和宇宙微波背景辐射，都是用射电望远镜观测得到的，被誉为继哥白尼“日心说”之后天文学的“第二次革命”。

大型射电望远镜阵概念的提出. All Rights Reserved.SKA天文台公约在罗马正式签署（中国是核心成员）中国是SKA组织的创始国中国科学家一直在LT的国际合作和概念推进过程中发挥着积极作用，并在此过程中逐渐发展出中国的先导项目——500米口径球面射电望远镜（FAST，又称中国天眼）。

与此同时，国际上各国天文学家也在积极推进LT 的概念，并逐渐发展为平方公里阵（Square Kilometre Array，简称SKA）的概念，1999年正式将LT更名为SKA。

望远镜技术的射电射电射电天文学射电天文学是通过利用射电望远镜观测宇宙，研究宇宙中射电信号的科学。

随着技术的发展，射电望远镜逐渐成为天文学研究中不可或缺的工具。

本文将介绍望远镜技术在射电天文学中的应用和其对研究的重要作用。

一、射电望远镜技术的发展历程射电望远镜技术的发展可以追溯到20世纪的早期，当时人们开始意识到利用射电波段观测宇宙的重要性。

随着技术的不断进步，射电望远镜的灵敏度和分辨率大大提高，使得我们能够探测到更远更微弱的射电信号。

二、射电望远镜的主要类型目前，射电望远镜主要分为单口径望远镜和干涉阵列望远镜两种类型。

单口径望远镜是利用一个大的射电碟状天线接收射电信号，通过改变接收机的指向来观测不同的天体。

而干涉阵列望远镜则是由多个小的射电天线组成，通过将它们的信号进行相干合成来实现更高的分辨率。

三、射电望远镜在宇宙研究中的重要应用1. 宇宙微波背景辐射探测：射电望远镜可以探测到宇宙微波背景辐射的微弱信号，这是宇宙大爆炸之后形成的，对研究宇宙早期的演化过程具有重要意义。

2. 银河系结构研究：通过射电望远镜，我们可以观测到银河系中的射电源，如脉冲星、超新星遗迹等，以及银河系中的星际介质分布情况，对研究银河系的结构和演化提供了重要数据。

3. 外星生命搜索：射电望远镜可以用来搜索外星文明的存在，通过寻找宇宙中的射电信号差异和规律，探索宇宙中是否存在其他文明。

4. 天体物理学研究：射电望远镜可以观测到各种天体，如星系、星团、星际物质等。

通过研究它们的射电信号，我们可以了解宇宙中的演化规律和天体物理过程。

四、射电望远镜技术面临的挑战与前景展望尽管射电望远镜技术已经取得了巨大的进步，但仍然面临许多挑战。

例如，射电望远镜需要更大的灵敏度和更高的分辨率来观测更微弱的信号和更详细的结构，因此需要更先进的技术和更大的投资。

此外，射电望远镜的数据处理和分析也是一个重要的挑战。

然而，随着科技的不断进步，射电望远镜技术也将迎来更广阔的发展前景。

中国射电望远镜的发展米立功【摘要】中国射电天文技术经过58年的发展,已经有了长足的进步,它的重要标志就是射电望远镜.目前,中国已经建设完成了一批具有世界知名度的大型射电望远镜,它们在天文学研究中发挥着越来越重要的作用.回顾了中国射电望远镜长期的发展历程,重点介绍了不同发展时期最具代表性的射电望远镜及其阵列,也对未来射电天文发展作了展望.【期刊名称】《黔南民族师范学院学报》【年(卷),期】2016(036)006【总页数】4页(P107-110)【关键词】天文技术—仪器:射电望远镜;天文学;射电阵【作者】米立功【作者单位】黔南民族师范学院物理与电子科学学院,贵州都匀558000【正文语种】中文【中图分类】P1-092在20世纪30年代之前，人类主要借助肉眼和光学望远镜对宇宙空间进行观察，尽管在19世纪末，一批天文学家，包括Johannes Wilsing和Julius Scheiner等，曾多次尝试探测太阳的射电辐射，但由于受当时天文仪器技术的限制，并没有探测到任何来自宇宙天体的射电信号，直到1930s，Karl Jansky首次在20.5MHz的波段上记录了来自银河系的无线电波，标志着射电天文学的诞生[1]。

1937年，Grote Reber受Jansky开拓性工作的激励，建造了一个口径9米的射电望远镜，他重复了Jansky的工作并在射电波段开展了第一次巡天[2]。

1940s， James Stanley Hey， George Clark Southworth等人先后探测到了来自太阳的射电辐射，随后，天文学家陆续探测了其他天体的射电辐射，取得了巨大的成果，尤其是在1960s，天文学家通过射电观测先后发现了类星体(1960年)、星际分子(1963年)、微波背景辐射(1964年)、脉冲星(1967年)等，使人们对宇宙的认识发生了根本性的变化。

随着射电天文技术，特别是甚长基线干涉技术(VLBI)的进步，射电天文得到了突飞猛进的发展，射电天文观测将人们的视野从太阳系一直延伸到宇宙的边缘，射电天文学也成了天文学领域最富生命力的学科之一。

太空望远镜的成就与发现太空望远镜，作为人类观测宇宙的窗口，已经取得了许多惊人的成就和重大的科学发现。

它的启用不仅加深了我们对宇宙的认识，也为天文学与宇宙物理学领域注入了新的活力和发展机遇。

本文将介绍太空望远镜的重要成就和科学发现，并展望其未来的潜力。

一、哈勃众所周知，哈勃太空望远镜是迄今为止最为著名的太空望远镜之一。

它于1990年发射并投入使用，至今已经运行了超过30年。

哈勃望远镜以其高分辨率和无大气干扰的观测能力成为了众多科学突破的推动者。

1. 银河系的结构和形成哈勃太空望远镜对银河系的研究作出了杰出的贡献。

通过测量恒星的亮度和颜色，哈勃望远镜帮助我们确定了银河系的结构，揭示了其中众多的星云、恒星簇和行星系统等。

此外，哈勃还观测到了许多恒星的形成与演化过程，为我们理解银河系的演化提供了珍贵的数据。

2. 宇宙的膨胀与暗能量哈勃太空望远镜观测到的遥远星系的红移现象，为宇宙膨胀理论提供了强有力的证据。

通过测量星系的红移速度，科学家们发现宇宙的膨胀速度正在加快，这表明存在一种神秘的力量，即暗能量，推动着宇宙的加速膨胀。

这一发现对于宇宙学的研究具有深远的意义，也为后续的科学研究提供了新的方向。

3. 太阳系行星与卫星的探测哈勃太空望远镜并非只局限于观测遥远的星系和星云，它也为太阳系的研究做出了重要贡献。

通过仔细观测太阳系中的行星和卫星，哈勃提供了大量珍贵的数据和图像，帮助科学家揭示了这些天体的特征和演化历史。

其中最著名的例子是哈勃望远镜观测到的冥王星系统的图像，以及土卫六上盐水喷射现象的发现。

二、其他太空望远镜的重要成就与发现除了哈勃太空望远镜，还存在着许多其他同样重要的太空望远镜。

它们各自在不同的波段和研究目标上取得了惊人的成就和科学发现。

1. 查克拉太空望远镜查克拉太空望远镜是我国自主研制并于2019年发射的空间科学卫星，它携带了多个科学载荷，包括X射线、紫外线和γ射线望远镜等。

查克拉通过对宇宙黑洞、脉冲星等紧凑星体的观测，揭示了宇宙中极端物理过程的奥秘，为我们理解宇宙宏观和微观世界提供了新的线索。

编者按：“中国天眼”（FAST）作为目前世界上最大的单口径射电望远镜，能洞穿“光年之外”，获悉宇宙“前世”……它在开放运行的第一年，成果即入选《自然》十大科学发现。

它有望在哪些科学领域取得突破？将向全球科学界开放的它，为何受到热切关注？本期“锐·聚焦”栏目将解读FAST的超能力，并据此了解它对全球科学家探寻宇宙奥秘的重要意义。

如今，提起“中国天眼”，可谓是家喻户晓了。

它的正式名称是“500米口径球面射电望远镜”，英文名为Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Tele⁃scope（简称FAST）。

FAST是目前世界上最大的单口径射电望远镜。

射电望远镜的口径越大，通常意味着用以接收电磁波的面积越大，望远镜的空间分辨率和灵敏度也就越高，能观测更小、更暗的天体。

那么，我国天文学家为什么要建这么一个望远镜呢？难道就只是为了争一个“世界之最”？当然不是。

FAST的起源，远比一般人想象中的复杂。

事情要从1993年说起。

那年，第24届国际无线电科学联盟大会在日本东京举行。

会上，包括中国在内的10个国家的天文学家共同倡议，想要在人类科技将地球的电磁环境彻底污染之前，建造一个接收面积达到1平方千米的射电望远镜阵列。

这个计划刚提出来时称作“大望远镜”，后来更名为“平方千米阵列（Square Ki⁃lometer Array，简称SKA）”。

对于“平方千米阵列要如何建设”的疑问，不同的国家提出了诸多的设计方案。

这些设计方案大致可以分为两大类：一类是以荷兰、美国方案为代表的“大量小望远镜”方案；另一类是以我国、加拿大方案为代表的“少量大望远镜”方案。

其中，在1994年，我国提出的方案KARST（Ki⁃文喻业钊逸黔南民族师范学院炼成的怎样·锐04科学24小时Science in24hours2021年第4期lometer-square Area Radio Synthesis Telescope，即平方千米面积射电综合望远镜）计划在贵州南部大片的喀斯特地貌中寻找大小合适的洼地，利用这些洼地建造大约30个有效口径200米的大射电望远镜组成的望远镜阵列，以实现SKA设计目标。

天文科学中的射电望远镜技术随着时间的推移，人们对宇宙的研究越来越深入。

天文学家们使用各种仪器来研究宇宙，其中之一就是射电望远镜。

通过射电望远镜，天文学家可以收集宇宙中的射电信号，并解析这些信号中携带的信息。

虽然射电望远镜的工作原理与普通光学望远镜不同，但其在宇宙学，天体物理学，射电天体物理学和其他领域中都具有重要的应用价值。

本文将介绍射电望远镜的技术原理、种类、发展历程以及未来的前景。

一、射电望远镜的技术原理射电望远镜是一种用于接收和处理宇宙中的低频射电波的仪器。

这些信号常常被宇宙中的磁场，电离的气体和行星的磁场所产生。

在射电波段中，电磁波的波长比光波长长得多，可达数米之长。

因此，射电望远镜需要使用特殊的技术来接收和处理这些波长。

射电望远镜通常有两种工作原理：单天线技术和干涉技术。

1.单天线技术单天线技术是射电望远镜中最常用的技术之一。

在单天线技术中，接收器将信号转换为电流，并传送到接收器上，通过谐振器去除噪声和低频扰动，然后将信号放大并进行数字化处理。

因此，单天线技术适用于接收强信号和背景噪声相对较少的传输模式。

但是，这种技术是否能够接收足够强的信号取决于接收器的参数，如天线直径、角分辨率和灵敏度。

此外，单个天线不能确定接收方向，因此无法确定信号源的精确位置。

2.干涉技术干涉技术是另一种常用的射电望远镜技术。

与单天线技术不同，干涉技术通过将多个天线组合在一起来形成一个复合的接收器。

这个接收器会同时接收多个天线的信号，并利用干涉仪将它们合并在一起。

干涉技术使得望远镜能够得到更高分辨率的图像，因为信号源的方向可以通过使用多个接收器来确定。

此外，干涉技术还能够通过使用更多天线来提高信号的灵敏度和掩盖噪声。

二、射电望远镜的种类射电望远镜的种类非常多，每种望远镜都有适用于不同应用的特定功能。

以下是目前最常使用的几种望远镜。

1.单口径望远镜单口径望远镜是一种使用单个天线（称为开口）的望远镜。

它可以接收广泛的频率范围，通常在1.4至10米之间。

大国重器千眼天珠——环视苍穹的大阵文图 / 袁懋（中国科学院国家空间科学中心） 2023年9月27日，我国又一个大国重器——稻城太阳射电望远镜正式建成，开始履行国家赋予它的光荣使命。

“千眼天珠”——稻城太阳射电望远镜鸟瞰图稻城太阳射电望远镜（Daocheng Solar Radio Telescope，简称DSRT）是国家重大科技基础设施“空间环境地基综合监测网”——子午工程二期的主要支撑设备之一，由中国科学院国家空间科学中心运行管理。

这座射电望远镜有“千眼天珠”的雅号，这个名字是科学设备和民族文化的完美结合。

稻城太阳射电望远镜由313座口径为6米的小型望远镜组成。

这些小型单元分布在直径1000米的圆环上，组成了一个观测苍穹的大阵，浪漫的科学家将它们称为“千眼”。

稻城太阳射电望远镜位于四川省甘孜州稻城县海拔约3800米的金珠镇，那里是我国藏族聚居区之一。

天珠是高原藏区的一种宝石，又称天眼珠。

在藏族文化里，天珠被认为是珍贵的“天降石”，寓意着吉祥美好、健康财运。

加之高原上的天线阵俯瞰起来像是一颗颗宝石，因此也有了“天珠”的美丽名称。

由数百个小“锅”组成的望远镜“千眼天珠”——稻城太阳射电望远镜本质上是一座天文望远镜，观测的电磁波是射电波段。

这是一种波长比可见光更长的“光”，我们常见的手机通信、无线网络通信技术（WIFI）工作的频段就是射电波段。

大多数射电天文望远镜是单口径的，也就是只有一个“锅”，例如“中国天眼”FAST（全称为500米口径球面射电望远镜）。

但稻城太阳射电望远镜不一样，它是由数百个小“锅”组成的一个观测阵。

这种阵列望远镜，天文学上叫作综合孔径望远镜。

下图展示了大阵上的部分组成单元——口径6米的小望远镜，它们每一个都可以独立接收宇宙信号。

除了数百个小望远镜单元，大阵的中央还有一个高高的塔，被称为信号定标塔。

它的作用是什么呢？其实，它有点像交响乐队演奏前，用双簧管给整个乐队确定基准音。

热词摘录平方公里阵列射电望远镜(SKA)在中国天眼(500米口径球面射电望远镜,FAST)仍在领跑射电天文望远镜,为世界天文探测做重要贡献之时,科学家们已经在着手研制下一代超级射电天文望远镜 平方公里阵列射电望远镜(square kilometre array,SKA)㊂SKA是多国合作㊁共同出资的国际大科学工程,中国为SKA项目的主要参与国之一㊂SKA选址在澳大利亚㊁南非及非洲南部8个国家的无线电宁静区域,设计的频率范围在50MHz~ 15GHz,由低频阵列(130万只对数周期天线)㊁中频阵列(250个致密孔径阵列)和高频阵列(2500只15米蝶形天线)组成,最长基线为3000千米,计划于2030年建成㊂SKA将探索 宇宙第一缕曙光”㊁搜索脉冲星㊁探测引力波㊁检验暗物质和暗能量特性㊁寻找地外文明和适合人类居住的星球●SKA是人类迄今为止计划建造的最宏伟的天文观测设备,汇集了天文学㊁无线电㊁信息㊁通信㊁计算机㊁机械制造等领域的最新科技成果,将对自然科学和人类文明做出划时代的重要贡献㊂SKA将承载射电天文学未来50年的发展命脉,有望克服包括FAST在内的单口径射电望远镜的缺陷和不足,同时希望获得更高的灵敏度㊁更大的视场㊁更高的频率㊁更高的空间分辨率㊁更高效的巡天能力等㊂‘从FAST到SKA科学家揭秘下一代超级射电天文望远镜“(新华网,2018年5月30日)●2018年2月6日,由中国主导研制的国际大科学工程 平方公里阵列射电望远镜”(SKA)首台天线,在中国电子科技集团公司第54研究所启动㊂它的成功研制,标志着中国在SKA核心设备研发中发挥引领和主导作用,在国际大科学工程中,为世界成功提供 天线解决方案”㊂SKA始于20世纪九十年代初,是国际天文界计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜,也是人类有史以来建造的最庞大天文设备㊂‘世界最庞大天文设备SKA首台天线在华诞生“(人民网,2018年2月6日)●SKA是下一代最先进的射电望远镜,是宏伟科学目标驱动的望远镜㊂它的科学目标是要在宇宙中寻找致密天体,检验引力理论㊁探测引力波,宇宙中的第一缕曙光,生命摇篮计划(寻找地外文明),星系演化,宇宙结构(暗物质和暗能量性质),宇宙磁场起源,探测未知世界等㊂‘射电天文望远镜:FAST与SKA“(搜狐科技,2018年5月29日)高温超导体2018年3月5日,‘自然“(Nature)期刊连发两篇文章:将两层只有原子厚的石墨烯以特别的角度(1.1度,被称为 魔角”)偏移时,材料就能在零电阻下导电㊂尽管该系统仍然需要被冷却至1.7K(1.7开尔文,约零下271摄氏度),但结果表明了它或许可以像已知的高温超导体那样导电㊂一旦该结果被确认,此次的发现对于理解高温超导电性至关重要㊂这一发现引起物理学界的热烈反响,而文章的第一作者为年仅21岁的中国人 留学美国麻省理工学院的博士生曹原 这也令国人颇为关注与振奋㊂说到高温超导体,需要先解释什么是超导体㊂超导体指的是在一定条件下(临界温度㊁临界磁场和临界电流密度构成的临界曲面所包围区域内),直流电阻突然为零,且成为完全抗磁性的物质㊂自1911年第一个超导体 金属汞被发现存在4.2K的超导电性以来,大量单质和合金超导体被发现,但它们的超导临界温度都很低,成本十分昂贵㊂高温超导体是超导临界温度一般高于25K(-248℃)的一类超导体,可见 高温”只是相对而言㊂已发现的高温超导材料有铜氧化物和铁基超导体等㊂2015年,德国科学家宣称在97。

射电望远镜的组成概述说明以及解释1. 引言1.1 概述射电望远镜是一种用于接收和分析来自宇宙空间的射电波的科学仪器。

随着现代天文学的发展，射电望远镜在探索宇宙起着至关重要的作用。

本文将介绍射电望远镜的组成、概述说明以及解释。

1.2 文章结构本文主要分为五个部分进行论述。

引言部分将简要介绍射电望远镜的概况，并对文章结构进行说明。

其后是“射电望远镜的组成”部分，详细解释了射电望远镜由天线系统、接收机系统和数据处理与分析系统三大组成部分构成。

然后是“射电望远镜的概述说明”部分，介绍射电望远镜的历史背景与发展、工作原理与技术特点，以及应用领域与前沿研究。

接下来是“射电望远镜的解释”部分，对各个组成部分进行详细解释，并阐明其功能与作用。

最后是结论部分，对全文内容进行总结回顾，并展望了射电望远镜的未来发展并提出相关建议。

1.3 目的本文旨在全面介绍射电望远镜的组成、概述说明以及解释。

通过阅读本文，读者将了解到射电望远镜的构成、工作原理、技术特点，以及射电望远镜在科学研究中的应用领域和前沿研究方向。

同时，通过对各个组成部分的详细解释，读者能够更加深入地了解射电望远镜在接收和处理宇宙射电波方面的重要性和作用。

最后，结论部分将对文章内容进行总结，并对射电望远镜未来发展进行展望和提出建议，以促进该领域的进一步研究与发展。

2. 射电望远镜的组成2.1 天线系统天线系统是射电望远镜的核心组成部分之一。

它主要由一个或多个反射面或接收元件构成，用来收集和聚焦来自天空的射电信号。

天线通常采用抛物面、平面、球面或阵列等形式，其设计与具体应用需求有关。

在天线系统中，还可能包括支撑结构、驱动机构和跟踪控制系统等辅助设备。

2.2 接收机系统接收机系统是射电望远镜的另一个重要组成部分。

该系统主要负责将从天线接收到的微弱射电信号进行放大、频率转换和滤波等处理，使信号达到适合进行后续处理和分析的水平。

接收机系统通常包括低噪声放大器、混频器、滤波器和稳定频率源等基本模块。

望远镜阵列探宇宙奥秘作者：暂无来源：《科学之友》 2013年第4期2013年3月中旬，人类有史以来最大的地面天文学观测装置-ALMA(阿塔卡马毫米／次毫米波望远镜阵列)在智利北部阿塔卡马沙漠正式投入使用。

这是目前世界上最大、最昂贵的地面天文台项目。

借助这个大型射电望远镜，天文学家可更清晰地探视宇宙深空的奥秘。

国际协作，“视力”超群ALMA是一个大型的国际天文合作项目。

欧洲南方天文台、美国国家自然科学基金、加拿大国家研究委员会、中国台湾“中央研究院”、日本国家自然科学研究所等机构共同参与了该项国际科学设施的建设工作。

之所以将这一大型科学设备建设在智利境内，是因为这里是全世界仅存的几处海拔很高、大气湿度很低，同时没有受到人类光污染影响的观测地点之一。

AL-MA设备对于干燥空气的要求尤其敏感，因为潮湿的大气会吸收这一设备观测波段的无线电波。

项目所在的阿塔卡马沙漠是地球上降水量最少的地区之一，而ALMA的台址位于其中的查赫南多尔高原，海拔高达5 km，年均降水量只有10 cm，是进行天文观测的圣地。

高海拔和远离人烟的位置使得这一超级观测设备具有惊人的分辨率。

ALMA包括由50座直径12 m天线组成的主数组电波远望镜（由北美和欧洲主导建造），以及4座12 m和12座7m天线组成的辅数组电波望远镜（由日本主导建造）。

66个重约120 t、直径为7~12 m不等的高精度抛物面天线组成一架直径16 km的大型射电望远镜，分辨率可达0.01角秒，相当于能看清500 km外的一分钱硬币，“视力”超出“哈勃”望远镜10倍。

ALMA目前已经建成的天线有57台，其他9台将在2013年10月底前投入运行。

它们两两之间的距离可以相互移动，最远间隔可以达到16 km。

这些天线将会独立接收天空中的信号，随后将这些信号通过超级计算机进行综合并判断这个信号来自哪个位置。

这样做的原理有点像是我们通过两个耳朵接收声音并判断声音的来源一样，所不同的是我们判断身边声音的方向，而这个观测阵列所观测的则是整个宇宙。

[单口径射电望远镜]世界最大单口径射电天文望远镜——500米口径球面射电望远镜篇一: 世界最大单口径射电天文望远镜——500米口径球面射电望远镜500米口径球面射电望远镜——世界最大单口径射电天文望远镜工程投资额：6.27亿工程期限：2007年——2014年上图为目前全球最大的射电望远镜——位于美国波多里格的Arecibo305米口径天线，天顶扫描角20°。

Arecibo天文台和它巨大的望远镜系统始建于1963年，由美国国防部投资建设，它是目前世界上灵敏度最高的宇宙监听系统，能够接受和分辨出来自数百万光年以外的宇宙电磁信息。

Arecibo望远镜自建成以来可谓出尽风头，1974年该望远镜在宇宙深处发现了1个双生中子星系统，两名科学家利用这一发现成功验证了爱因斯坦著名的重力波理论，并借此研究成果获得了1993年的诺贝尔奖。

当Arecibo望远镜巨大的天线系统作为外景出现在影片《接触未来》和007系列影片《黄金眼》后，它壮美的景观至今还让全世界的观众记忆犹新。

不过与影片中所做的描述不同，Arecibo望远镜真正用于外星生命研究项目所占用的探测时间其实还不到整个系统工作时间的1%。

五年后，在贵州省平塘县克度镇一片名叫大窝凼的喀斯特洼地中，将架起能够探寻和接受可能存在“地外文明”信息的目前世界上最大单口径射电天文望远镜—500米口径球面射电望远镜。

500米口径球面射电望远镜是国家科教领导小组审议确定的国家9大科技基础设施之一，此项目将采用中国科学家独创设计，利用贵州独特喀斯特地形条件和极端安静的电波环境，建造1个500米口径球面射电天文望远镜。

500米口径的反射面由约1800个15米的六边形球面单元拼合而成。

此方案改正了球差，简化了馈源，克服了球反射面线焦造成的窄带效应。

利用贵州南部独特的天然喀斯特洼坑可大大降低望远镜工程造价。

FAST项目具有3项自主创新：利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址；洼坑内铺设数千块单元组成500米球冠状主动反射面；采用轻型索拖动机构和并联机器人，实现望远镜接收机的高精度定位。

射电望远镜工作原理
射电望远镜是一种用于观测天体的仪器，其工作原理基于接收、放大和分析来自宇宙的射电波。

首先，射电望远镜通过一个大型的碟形或抛物面的反射镜或抛物面反射器，将射入的射电波聚焦到焦点上。

该反射器通常由金属网格或金属板构成，可以将射电波聚集到一个点上。

接着，这些聚焦的射电波经过一个叫做“接收器”的装置。

接收器中包含着一个或多个射频接收器，它们能够将射电波转换成电信号。

这些电信号会被放大，并通过电缆传输到一台电子设备中进行进一步处理。

在电子设备中，接收到的射电信号会经过一系列的滤波、放大和调制处理。

这些处理可以提取出射电信号中包含的有关源天体的信息，例如其频率、强度和极化等特征。

最后，经过处理的射电信号会被转换成可视化的图像或数据，并通过计算机进行分析和解释。

科学家们可以利用这些数据来研究源天体的性质，如恒星的形成、行星的分布以及银河系的结构等。

总的来说，射电望远镜的工作原理是通过接收、放大和分析来自宇宙的射电波，从而获取有关源天体的信息。

这种技术能够帮助科学家们更好地了解宇宙的奥秘。

天文观测的最新技术手段随着科技的不断进步，天文学研究得以获得了前所未有的突破。

新的技术手段不仅提供了更加精确的观测方法，也推动了我们对宇宙的认知。

本文将介绍几种天文观测的最新技术手段。

一、光学望远镜技术光学望远镜一直是天文学研究的重要工具。

近年来，光学望远镜的技术得到了巨大的提升。

最先进的光学望远镜采用了自适应光学技术，可以对大气湍流进行实时校正，提高观测的精确度。

此外，全息成像技术的发展也使得光学望远镜获得了更高的清晰度。

全息成像技术能够在较大的视场范围内捕捉到更多的细节，并提供更高的空间分辨率。

二、射电望远镜技术射电望远镜通过探测天体发出的射电波来观测宇宙。

最新的射电望远镜利用了多孔镜面和超导体技术，使得其接收和处理信号的效率大大提高。

这些技术的应用使得射电望远镜能够接收到更弱的信号，从而观测到更远的天体，进一步拓宽了我们对宇宙的认知范围。

同时，新一代的射电望远镜采用了差分式阵列技术。

这种技术利用了多个接收天线组成的阵列，可以实现高角分辨率和高灵敏度的观测。

通过差分式阵列技术，射电望远镜能够更准确地测量天体的位置和强度，进一步推动了天文学研究的进展。

三、空间望远镜技术空间望远镜由于不受大气干扰，可以获得更高的观测质量。

最著名的空间望远镜是哈勃望远镜，它通过空间站的轨道观测到了许多惊人的发现。

然而，除了哈勃望远镜，还有其他一些新的空间望远镜使我们能够更深入地探索宇宙。

例如，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）是目前正在建造中的一款空间望远镜，预计将在未来几年发射升空。

JWST将具有比哈勃望远镜更大的主镜，并且搭载了一系列的科学仪器，能够捕捉到波长范围更广的红外线信号。

这将使得JWST能够观测到远处的星系和行星，并探索生命存在的可能性。

四、射线望远镜技术射线望远镜可以观测到宇宙中的高能现象，例如伽马射线暴和宇宙射线。

最新的射线望远镜采用了高能粒子探测器和各种探测技术，使得它们能够探测到更高能的射线，并获取更高的能量分辨率。

综合孔径望远镜阵列作者：郭红锋来源：《军事文摘·科学少年》2021年第12期射电望远镜的结构与光学反射式望远镜的结构类似，具有主镜面（或称反射面）和接收器。

只是光学望远镜一般都要通过副镜（或转角平面镜）将光线转出来到目镜或接收装置，而射电望远镜一般是将接收装置直接安放在焦点处（称为馈源）。

所以，射电望远镜也遵循口径越大，分辨率和灵敏度越高的规律。

射电望远镜的发展也遇到了与光学望远镜同样的问题，就是反射面天线不能无限做大，这给射电天文学的迅速发展拖了后腿。

综合孔径技术就是为扩大射电望远镜口径而发展起来的创新技术，其原理是把多个子孔径接收的信号综合到一起，经计算机处理后，模拟出一个等效大孔径望远镜的效果。

运用综合孔径技术，可以把一批小口径射电望远镜的天线排列成一定的阵型，操作天线阵共同指向天空的同一块区域。

阵列中所有望远镜接收到的信息，经计算机综合处理后，产生出对应天区的综合成像，这个像就是这个阵列等效的虚拟大口径望远镜成像的效果。

用综合孔径技术实现射电望远镜扩大口径的尝试是成功的，也给其他波段望远镜的发展提供了借鉴。

这项技术还获得了1974年的诺贝尔奖。

完整单口径望远镜的分辨率与口径直接有关，而灵敏度与主镜的面积有关（对于完整口径而言，也就是与口径有关）。

一个阵列望远镜的口径是不完整的，其等效口径等于基线长度（即阵列中各个望远镜之间的最大距离），而阵列望远镜的面积取决于阵列中所有子望远镜的合成面积（与等效口径无关）。

阵列望远镜的分辨率与等效口径有关，等效口径越大，分辨率越高，因此，只用几个面积较小的望远镜，拉开距离（基线）同步工作，也能获得高分辨率。

但是，望远镜要探测到微弱的信息（高灵敏度），就需要大面积来集聚能量。

阵列射电望远镜想要增大面积，就需要摆放尽可能多个小口径望远镜，也就是更多地填充一个虚拟大口径的面积。

因此，只要求提高分辨率，在等效大口径里放很少的小口径望远镜即可;而要提高望远镜灵敏度（观测到暗弱的目标），则需要在等效大口径的范围内放很多小口径望远镜，或者每一个子望远镜的口径更大，效率才更高。

望远镜技术的射电射电干涉阵列望远镜技术的射电干涉阵列射电干涉阵列是一种利用多个单元组成的大型望远镜技术，用于接收和处理射电波信号。

它具有高灵敏度、高分辨率和大视场等优点，被广泛应用于射电天文学、射电地球物理学等领域。

本文将就射电干涉阵列的原理、应用以及未来发展方向进行探讨。

一、射电干涉阵列的原理射电干涉阵列由多个单元组成，每个单元都是一个独立的射电望远镜。

这些单元之间通过精确的时空校准实现相位叠加，从而形成一个虚拟的大型射电望远镜。

通过对射电波信号的叠加和相位测量，可以实现高分辨率的射电观测。

二、射电干涉阵列的应用1. 射电天文学射电干涉阵列在射电天文学中发挥着重要作用。

它可以提供高分辨率和高灵敏度的观测数据，帮助天文学家研究宇宙起源、星系演化、星际介质等重要问题。

例如，欧洲南方天文台的“亚洲方程望远镜”是一个由数千个天线组成的射电干涉阵列，它被用于观测遥远银河系和星系团等天体。

2. 射电地球物理学射电干涉阵列在射电地球物理学中也有广泛的应用。

它可以用来研究地球内部结构、大气层电离层和地磁场等现象。

通过分析射电波在地球大气中的传播特性，我们可以了解到地球内部的物理特征和环境变化情况。

三、射电干涉阵列的未来发展1. 高频干涉阵列射电干涉阵列的发展不仅局限于低频段，也在逐渐向高频段延伸。

在高频段，例如毫米波和亚毫米波，射电干涉阵列可以提供更高的分辨率和更丰富的天体物理信息。

未来，我们可以期待更多高频干涉阵列的建设和研究。

2. 多波段观测多波段观测是射电干涉阵列的重要发展方向之一。

通过同时观测不同频段的射电波信号，我们可以更全面地了解天体的性质和变化。

例如，可以同时观测可见光和射电信号，从而获得更精准的天体参数和更深入的科学发现。

3. 国际合作射电干涉阵列的建设和运营成本较高，需要大量的资源和专业知识。

因此，国际合作是推动射电干涉阵列发展的关键。

各国天文学机构和科研机构应加强合作，共同研究和开发射电干涉阵列，促进射电天文学等领域的发展。

射电望远镜相控阵馈源技术伍洋;杜彪;金乘进;朱凯;龚书喜【摘要】相位阵馈源是作为多波束馈源使用的小型二维相控阵天线,用以产生多个紧密交叠的波束,扩大射电望远镜的视场,提高巡天效率.文章分析了焦面场匹配与天线效率之间的联系,在单波束和多波束应用方面对相控阵馈源与传统的波导馈源进行了细致的比较,并介绍了相控阵馈源馈电的射电望远镜信噪比模型.作为一种新的馈源技术,相控阵馈源展现出更大的灵活性和更为优异的性能.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2013(028)002【总页数】6页(P348-353)【关键词】射电望远镜;馈源;焦面场;多波束【作者】伍洋;杜彪;金乘进;朱凯;龚书喜【作者单位】西安电子科技大学,陕西西安710071;射电天文技术联合实验室,河北石家庄050081;射电天文技术联合实验室,河北石家庄050081;射电天文技术联合实验室,河北石家庄050081;射电天文技术联合实验室,河北石家庄050081;西安电子科技大学,陕西西安710071【正文语种】中文【中图分类】TN823引言射电天文学是通过接收和处理来自天体的无线电辐射研究天文现象的一门学科.20世纪30年代，央斯基发现了来自银河的无线电波，标志着人类打开了在传统光学以外观测天体的第一个窗口，此后越来越多的学者进入这一研究领域，产生了一系列重大的发现.射电望远镜是射电天文学最主要的研究工具，尽管各个望远镜口径不同，形式各异，但喇叭天线以其良好的性能，在天线馈源中一直占据着主要地位［1－2］.由于射电望远镜天线口径大，波束窄，完成一次巡天所需的时间极长，为提高巡天速度，常采用多个波束进行观测.近年来，许多国家开始在大中型射电望远镜天线上进行以小型相控阵天线作为多波束馈源的尝试，以形成数个相互交叠的瞬时波束，称为相控阵馈源（Phased Array Feed，PAF）技术.其中最具代表性的是荷兰ASTRON安装在韦斯特伯格综合孔径射电望远镜（WesterborkSynthesis Radio Telescope，WSRT）上的 Apertif［3］，澳大利亚CSIRO为ASKAP研制的Checqureboad形式的PAF［4］，加拿大DRAO 的PhAD［5］，以及美国BYU/NRAO联合研制的 L－band PAF［6］.我国在相关领域也开展过一些研究［7－8］.图1以前馈抛物面天线为例，给出了相控阵馈电的天线系统模型：来自不同角度的入射波经天线面反射后，汇聚于焦点附近.位于焦平面的天线阵列接收到的入射信号，经低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）放大、接收机变频和采样后送入波束合成网络，赋权合成后输出.因此，相控阵馈源本质上是一种数字多波束技术.图1 相控阵馈源系统模型近些年，我国射电天文技术取得了长足的进步，相继建成密云50m、云南40m、上海65m射电望远镜，并在建设世界上最大的单口径射电望远镜（Five－hundred－meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）.这些巨型望远镜为使用相控阵馈源实现数十乃至上百个波束的同时观测提供了可能，而相控阵馈源的应用也将大大提升望远镜的观测能力，推动我国射电天文事业的发展.同时，国际合作的平方公里阵（Square Kilometre Array，SKA）项目也在研究使用相控阵馈源技术扩大望远镜的视场.作为SKA的发起国和参与国，发展相控阵馈源技术也将为国际天文事业的进步做出贡献.本文研究了相控阵馈源在FAST上的应用.为了深刻理解相控阵馈源的特点，首先将其作为单波束馈源与波纹喇叭进行了分析和比较.研究了多波束相控阵馈源与馈源组的性能优劣.通过建立信噪比模型，给出了分别使用相控阵馈源和波纹喇叭馈电时FAST的灵敏度.上述研究可指导相控阵馈电反射面天线的设计.1 焦面场匹配与天线效率1.1 功率传输因子在各种馈源中，波纹喇叭以其优良的性能，常常用作反射面天线的馈源［2］，故以下分析均以波纹喇叭为例.波纹喇叭一般从天线发射的角度（即照射天线的角度）进行设计，通过天线形式和焦径比等主要几何参数，求得馈源照射角，选定照射电平，再根据所需的方向图确定馈源的设计.焦面场分析则是从接收的角度进行馈源设计的一种方法，通过分析入射波在天线焦平面形成的场分布，确定馈源的尺寸和口面分布，由此确定馈源的各个参数.由于接收天线一般处于发射源的远场，可以将入射信号近似看作平面波.通过物理光学和绕射理论［9－10］，得到相应的焦面场分布.设馈源口面场为，对应位置的焦面场分布为，功率传输系数可以表示为式中：S是馈源口面场与焦面场耦合的区域；＊代表共轭.可以看出，当与相同时，η＝1.1.2 焦面场匹配与天线效率天线的效率ηant可以表示为式中：Ae是天线的有效接收面积；Ap是天线在接收方向的投影面积.对于接收天线，有式中：Sin是入射波的功率密度；P是天线接收到的功率.由式（1）可知，当馈源的口面场分布与天线的焦面场匹配时，P最大，天线效率最高，因此可以根据焦面场的分布来进行馈源的设计.2 单波束照射FAST是一个口径为500m的球面射电望远镜，通过促动器的实时调整，可以将直径300m的反射面调整为焦径比f/D＝0.461 1的抛物面［11］，因此可将其按照前馈抛物面天线考虑.图2给出了轴向入射的平面波在焦平面激励起的归一化场分布，入射波频率1.25GHz.如图2所示，入射波汇聚在反射面焦点附近，焦面场的主要能量分布在第一零深以内.当馈源口面位于此处时，可实现对入射能量的良好接收.图3给出了1.25GHz时单元间距为0.5λ的3×3矩形各向同性天线阵列的方向图，按照共轭场匹配激励.作为比较，图中给出了直径1.25λ（按－10dB边缘电平估算的喇叭口径）圆形区域内焦面场的共轭积分，以及由高斯函数近似表示的波纹喇叭的方向图.图3中波纹喇叭与相同口径的焦面场积分的结果接近，说明其口面场与焦面场匹配良好，而尺寸相当的相控阵馈源通过适当激励也可实现类似的照射.图2 轴向入射平面波的焦面场分布图3 相控阵馈源与波纹喇叭方向图的比较对于前馈抛物面天线，类似高斯曲线的照射并不能实现最大的增益.考虑馈源到反射面的空间衰减，当馈源的方向图满足时，天线的口面场分布均匀，天线方向性最强.式中，θs是馈源的照射角.图4给出1.25GHz时按照共轭场匹配激励的9×9矩形各向同性天线阵列方向图，单元间距0.5 λ.作为比较，图中给出了sec2（θ）函数的曲线.由图4可知，通过采用更大的阵列，相控阵馈源可在更广的范围内还原焦面场分布，在反射面边缘附近以较高的照射电平补偿空间衰减，提高天线的方向性.图5给出了1.25GHz时分别使用图4中的波纹喇叭和相控阵馈源照射FAST反射面的方向图.由于相控阵馈源实现了更为均匀的照明，天线增益比波纹喇叭照射时高0.9dB，第一旁瓣上升至－18.5dB，接近均匀口面分布时天线的方向图.不同的天文观测对于天线方向图的要求不尽相同，因此，波纹喇叭在设计时不得不进行折衷.而相控阵馈源的方向图与加权相关，不仅能够实现更高的增益，还可以根据观测要求采用不同的波束合成因子，在高增益和低旁瓣之间进行切换.3 多波束应用传统的多波束技术（馈源组）主要以增加馈源数量的方式实现［12］，天线的波束数量与馈源数量一致.通过使馈源横向偏离焦点，解决了各馈源空间上的相互干涉，也使得波束指向不同的天区.使用馈源组技术实现多波束的主要缺点在于：受物理尺寸的限制，各个馈源相位中心相距较远，而馈源的偏焦距离与波束的偏角密切相关，因此波束间隔很大，无法实现连续的天区覆盖.同时，偏离焦点的焦面场与馈源口面场失配，导致非轴向波束性能下降，限制了天线的波束数量.尽管馈源组有时也被称为‘焦平面阵’，但各馈源独立工作，并未体现出阵列天线的优点.相控阵馈源的波束数量主要取决于波束合成网络的处理能力.由于相控阵馈源的相位中心与激励有关，合成波束对应的馈源相位中心能够彼此靠近，使得波束相互交叠，实现连续的视场覆盖，简化巡天观测.此外，由于相控阵馈源接收面积较大，通过适当的加权能够较好地匹配焦面场，提高非轴向波束的性能，从而允许望远镜接收入射角更大的来波，扩大了望远镜的视场.图6给出了波纹喇叭和相控阵馈源在多波束应用时性能的比较.图中相控阵馈源采用11×11矩形各向同性天线阵列，单元间距0.5λ，按照共轭场匹配激励.其合成的各个波束3dB交叠，且一致性较好.后端处理能力允许时，相控阵馈源还可增加波束数量，进一步减小波束间隔.波纹喇叭的口径按－10 dB边缘电平估算为1.25λ，在考虑波纹槽深度的前提下，各馈源紧密排列.受馈源物理尺寸限制，各波束间隔较远，且随着偏离轴向角度的增加，波束变宽，旁瓣升高.与中心波束相比，第三个偏轴波束的增益下降了近3dB，旁瓣上升了18dB.为减小波束间隔，馈源组一般采用口径较小的多模喇叭作为馈源，但难以实现波束的连续覆盖.图6 波纹喇叭和相控阵馈源多波束的比较4 相控阵馈源天线的信噪比由于绝大多数射电源远离地球，到达地面的微弱信号往往湮没在噪声中［14］，因此射电望远镜在关注天线方向图特性的同时，也在追求尽可能低的系统噪声.一般来说，天线的增益越高，旁瓣也越高，收到的噪声也越大，为实现最佳的观测效果，往往需要在增益和旁瓣间进行折衷.灵敏度是评价射电望远镜性能最主要的指标之一，是对其能探测到的最弱的射电源的度量［14］.根据灵敏度的定义式中，Tsys是系统噪声温度.对于给定的入射波功率密度Sin，射电望远镜的灵敏度反映为天线系统的信噪比.对于一个N元阵列，其输出电压可以表示为式中：ω是发射时阵列的激励，其共轭ω＊代表了接收时所对应的波束合成因子；H表示共轭转秩；v是接收机输出电压向量，由信号vsig、噪声vnoise和干扰vint三部分组成.式中，vnoise包含天空、地面噪声、单元的损耗噪声和接收链路（包括LNA和接收机）的噪声.由于LNA的增益很高，接收链路其余部分引起的噪声与LNA放大后的噪声相比很小，接收链路的噪声主要来自LNA.实际应用中的噪声、干扰，甚至承载信息的信号都可以看作随机过程，考虑到接收机输出电压的统计特性，其相关矩阵可以使用抽样估计描述为式中H表示共轭转秩.大多数情况下，信号、噪声和干扰三者互不相关，故可以假设式中，E［＊］代表期望估计.输出电压的相关矩阵可以表示为［15］设接收机输出电压v与处于焦平面的对应单元的开路电压voc的关系为Q，即且假设各个放大器与接收机链路一致且独立，则式中：g是放大器的增益；ZA是阵列的互阻抗矩阵；ZL是单元端接负载的阻抗矩阵.则输出波束的天线信噪比对于给定的输出，RSN是ω＊的函数.式（14）对ω＊求偏导，得式中当RSN取极值时，式（15）等于零，则有式中，χ为括号内矩阵的本征值，其最大值χmax对应着RSN的最大值.由式中：χmax和VHsigω都是标量；而ω是一个相对值，故在求解ω时可以忽略，得到观测点源时最大信噪比所对应的波束合成因子图7给出了用式（14）估算的FAST在1.25 GHz时轴向波束的灵敏度.相控阵馈源采用11×11的矩形半波振子阵列，单元间距0.55λ，波纹喇叭边缘照射电平－12dB，二者的LNA均未制冷.如图7所示，采用最大信噪比加权的相控阵馈源灵敏度最高.而共轭场匹配加权对应的波束宽度最窄，但灵敏度低于波纹喇叭，说明该方式在实现最大增益的同时，引入了很高的系统噪声.图7 射电望远镜灵敏度的比较表1详细给出了图7中三种情况下FAST轴向波束灵敏度的比较.由表1可知，与波纹喇叭相比，相控阵馈源有效提高了天线的效率，同时引起了系统噪声温度的升高，其主要原因是由于阵列单元间存在互耦效应，导致单元的有源阻抗与LNA失配，引起LNA噪声升高.共轭场匹配加权在追求高增益时并未考虑噪声的影响，因此在三种情况中天线效率和系统噪声都是最高的.而最大信噪比加权则平衡了天线增益与系统噪声，使得其灵敏度最高.表1 波纹喇叭与相控阵馈源灵敏度的比较系统参数最大信噪比共轭场匹配波纹喇叭天线效率/% 86.1 91.9 61系统噪声/K 49.9 66.7 38.4灵敏度/（m2/K）2.1 7.1 0.8 LNA 43.8 55.6 33.6其他 4.0 4.0 4.0总计漏失1 220 974 1 123对于非轴向波束，相控阵馈源的性能优势更加明显，且波束的数量更多，因此能够大大提高射电望远镜的巡天效率.此外，互耦效应与单元和阵列的设计密切相关，通过精心设计，阵列单元与LNA可以实现良好的阻抗匹配，从而有效抑制LNA 乃至整个系统的噪声.5 结论相控阵馈源能够有效地补偿偏焦引起的相位误差，并且突破了馈源组各馈源物理尺寸的限制，天线各个波束的性能基本一致，实现了大视场连续覆盖，这是传统的馈源组技术无法比拟的.对于单个波束而言，相控阵馈源可以优化反射面照明，实现更高的天线效率，并根据不同的观测需求，在增益和旁瓣间进行优化处理.相控阵馈源单元间距小，互耦强，导致单元与LNA阻抗失配，噪声升高.此外，当前相控阵馈源系统大多工作于常温.这些因素使其系统温度高于制冷的波导馈源接收机，限制了射电望远镜的灵敏度.在后面的研究中，这些问题应予以重视和解决. 参考文献［1］CLARRICOATS P J B，OLIVER A D.Corrugated Horns For Microwave Antennas［M］.UK：Peter Peregrinus 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