王 君，伍 洋，金乘進(jìn)，陳世國(guó)

(1.貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025；2.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái),北京 100012)

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FAST靈敏度優(yōu)化及“回照”方式分析

王 君1,2，伍 洋2，金乘進(jìn)2，陳世國(guó)1

(1.貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025；2.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái),北京 100012)

針對(duì)500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡的靈敏度優(yōu)化和天頂角超過(guò)26.4°時(shí)溢損增大引起系統(tǒng)噪聲溫度上升的問(wèn)題。文中采用調(diào)整饋源照明進(jìn)行靈敏度優(yōu)化，提出"回照"方式降低系統(tǒng)噪聲管溫度的方法。當(dāng)饋源為高斯照明時(shí)，邊緣照明約為-12～-14 dB時(shí)點(diǎn)源觀測(cè)的靈敏度達(dá)到極大值。在天頂角為30°、35°和40°時(shí)，分別選取最佳回照角為15°、21°和26°時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的靈敏度分別提高了19%、48%和100%。

FAST;遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖;靈敏度;系統(tǒng)噪聲溫度;“回照”

500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five hundred meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST)采用主動(dòng)反射面，其中性面是半徑為300 m、口面直徑為500 m的球面[1]。FAST的觀測(cè)天頂角范圍是0°～40°。觀測(cè)天體射電源時(shí)，部分球面主動(dòng)變形為口徑300 m、焦徑比為0.461 1的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)拋物面，饋源支撐系統(tǒng)將饋源放置在此瞬時(shí)拋物面的焦點(diǎn)上[2]。與通常的拋物面射電望遠(yuǎn)鏡不同[3-7]，F(xiàn)AST拋物面之外的大面積金屬面板有效地屏蔽了地面熱輻射，使得在觀測(cè)靈敏度優(yōu)化過(guò)程中可以在一定程度上放寬饋源在拋物面邊緣的照明電平[8]。這部分球面反射面對(duì)FAST的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖也有一定的影響。 本文利用物理光學(xué)方法對(duì)FAST的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖和靈敏度進(jìn)行了計(jì)算和分析[9]。通過(guò)調(diào)整饋源在拋物面邊緣的照射電平優(yōu)化觀測(cè)靈敏度。當(dāng)天頂角超過(guò)26.4°時(shí)，拋物面部分會(huì)超出500 m口徑主反射面的邊緣，饋源照明的溢損一方面會(huì)降低望遠(yuǎn)鏡的軸向增益，另一方面也會(huì)引起系統(tǒng)溫度的升高。在反射面邊緣建造金屬防噪墻可屏蔽溢損引起的地面熱輻射，但需要建造高度為40～50 m的耗費(fèi)巨資的防噪墻。

本文提出將饋源繞其相位中心向反射面中心“回照”的照明方式以減少地面熱輻射對(duì)系統(tǒng)噪聲溫度的影響，回避了耗費(fèi)巨資建造防噪墻，提高了FAST在天頂角26.4°～40°時(shí)的觀測(cè)靈敏度。

1 FAST遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖及靈敏度優(yōu)化

1.1 FAST遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

FAST的頻率覆蓋范圍在140 MHz～3 GHz。圖 1為望遠(yuǎn)鏡在天頂角0°、20°和40°，望遠(yuǎn)鏡的頻率為1.5 GHz的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，其中當(dāng)天頂角為40°時(shí)采用了“回照”方式，饋源的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖采用波紋喇叭的仿真計(jì)算結(jié)果。FAST望遠(yuǎn)鏡電尺寸巨大，難以進(jìn)行全波算法分析[10]。本文采用物理光學(xué)方法，使用了TICRA公司的GRASP軟件[11]。與主反射面僅為300 m拋物面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖對(duì)比，遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的近旁瓣在0°～30°升高約20 dB，外圍的球面反射面對(duì)地面熱噪聲因溢損的減小而有顯著的蔽作用，如圖2所示。除了天頂角為0°的情況，天頂角為20°和40°時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的旁瓣不對(duì)稱。望遠(yuǎn)鏡的軸向增益與反射面為300 m拋物面的基本相同。

圖1 FAST在1.5 GHz時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

圖2 僅300 m拋物面與FAST的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

1.2 靈敏度優(yōu)化

通常用望遠(yuǎn)鏡的有效接收面積和系統(tǒng)噪聲溫度的比值(Aeff/Tsys)來(lái)表征其觀測(cè)靈敏度[12-13]。提高饋源在反射面邊緣的照射電平，將提高望遠(yuǎn)鏡的口徑效率，但同時(shí)也會(huì)造成溢損的增加。溢損的增加一方面將因能量泄漏而導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡增益下降，同時(shí)也會(huì)使饋源接收到的地面熱噪聲增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲溫度的上升[14-15]。

在1.4 GHz的觀測(cè)頻率下，使用高斯照明的饋源，計(jì)算了在不同天頂角和不同邊緣照明情況下，F(xiàn)AST望遠(yuǎn)鏡的有效接收面積和系統(tǒng)噪聲溫度。其中望遠(yuǎn)鏡的有效接收面積通過(guò)軸向增益得到。系統(tǒng)噪聲溫度包括天線噪聲溫度和接收機(jī)噪聲溫度兩部分。系統(tǒng)噪聲溫度的計(jì)算方法是將饋源照明被反射面截取的部分賦值為天空噪聲溫度，溢損中高出反射面邊緣約100 m的范圍賦值為300 K(這部分為望遠(yuǎn)鏡周邊的山體)，高于反射面邊緣100 m的部分賦值為天空噪聲溫度。接收機(jī)噪聲溫度約為10 K。因?yàn)閽佄锩嬷獾慕饘俜瓷涿娴拇嬖?，使得FAST望遠(yuǎn)鏡的系統(tǒng)溫度與通常射電望遠(yuǎn)鏡相比低約5 K。圖3為上述FAST采用高斯照明，在不同天頂角下，取不同邊緣照明時(shí)的有效接收面積、系統(tǒng)噪聲溫度和靈敏度的計(jì)算值。

圖3 FAST在不同照明電平下的靈敏度

根據(jù)圖3所示的計(jì)算結(jié)果，在天頂角<26.4°時(shí)，F(xiàn)AST的有效面積在饋源邊緣照明-9～-10 dB時(shí)取得最大值。當(dāng)天頂角<26.4°時(shí)，部分拋物面移至反射面500 m口徑的圈梁之上而缺失，F(xiàn)AST的有效面積在饋源邊緣照明約-12 dB時(shí)取得極大值。系統(tǒng)噪聲溫度隨饋源在拋物面邊緣照明升高而增加，但因外圍球面反射面的存在，使得系統(tǒng)溫度比反射面僅為300 m口徑拋物面時(shí)為低。綜合考慮各天頂角的靈敏度計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)于高斯照明的饋源，選擇饋源的邊緣照射電平為-12～-14 dB之間來(lái)優(yōu)化FAST觀測(cè)靈敏度。

2 FAST“回照”方式的靈敏度分析

當(dāng)天頂角超過(guò)26.4°時(shí)，300 m拋物面的邊緣超出了500 m口徑的邊界，如圖4所示。圖中虛線表示拋物面邊緣對(duì)應(yīng)的饋源照明范圍，實(shí)線為“回照”時(shí)饋源的照明范圍。如果饋源遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的對(duì)稱軸指向拋物面中心，那么溢損的增加會(huì)使望遠(yuǎn)鏡的噪聲溫度升高。使用相位陣饋源(Phased Array Feed,PAF)將有可能動(dòng)態(tài)地合成僅對(duì)拋物面照明的遠(yuǎn)場(chǎng)波束[16-19]。在目前的點(diǎn)焦饋源情況下，可在FAST反射面邊緣加一個(gè)金屬防噪墻以屏蔽地面熱輻射。當(dāng)天頂角達(dá)到約40°時(shí)，防噪墻將高約50 m。

表1和表2分別為在未采用回照方式、未加防噪墻和加50 m高防噪墻時(shí)FAST在天頂角30°、35°和40°時(shí)的增益、系統(tǒng)噪聲溫度和靈敏度。加50 m防噪墻后，F(xiàn)AST的增益基本不變，但系統(tǒng)噪聲溫度因防噪墻對(duì)地面熱輻射的屏蔽作用而下降，使得靈敏度在天頂角30°、35°和40°時(shí)分別上升38%、67%和113%。

表1 FAST未“回照”未加防噪墻的靈敏度

表2 FAST加50 m防噪墻后的靈敏度

當(dāng)天頂角超過(guò)26.4°時(shí)，若將饋源繞其相位中心向主反射面內(nèi)部?jī)A斜(稱此照明方式為“回照”方式 )，將降低上述因溢損增加而造成的系統(tǒng)溫度的上升。

圖5為使用高斯照明饋源，天頂角為30°、35°、40°時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的有效接收面積、系統(tǒng)噪聲溫度和靈敏度隨回照角度的變化。當(dāng)饋源的“回照”角度在一定范圍內(nèi)，望遠(yuǎn)鏡沿拋物面主軸軸向的變化不大，但降低系統(tǒng)噪聲溫度因溢損減少而降低。根據(jù)圖5的計(jì)算結(jié)果，得到天頂角30°、35°和40°時(shí)的使靈敏度極大的最優(yōu)回照角分別為約15°、21°和26°。在最佳回照角的情況下，當(dāng)天頂角為30°、35°和40°時(shí)，靈敏度與不采取“回照”和未加防噪墻時(shí)相比提高19%、48%和100%。與表 2中加防噪墻時(shí)相比，在天頂角為30°、35°和40°時(shí)，靈敏度分別下降了12%、10%和2%。根據(jù)上述分析結(jié)果，“回照”方式是FAST在高天頂角時(shí)提高觀測(cè)靈敏度的有效方式。但在FAST的500 m口徑邊緣加一定高度的金屬防噪墻，仍對(duì)優(yōu)化靈敏度有顯著作用。今后可根據(jù)進(jìn)一步的計(jì)算分析和工程實(shí)現(xiàn)的可能性建設(shè)合適高度的防噪墻。

圖4 天頂角為40°時(shí)，F(xiàn)AST的“回照”示意圖

圖5 FAST靈敏度隨回照角的變化

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在使用高斯照明饋源的情況下，進(jìn)行FAST望遠(yuǎn)鏡的靈敏度優(yōu)化分析。當(dāng)天頂角>26.4°后，提出饋源“回照”方式，通過(guò)降低系統(tǒng)噪聲溫度從而提高望遠(yuǎn)鏡的靈敏度。本文的計(jì)算分析結(jié)果和方法可為今后的FAST饋源設(shè)計(jì)，饋源回照角選擇及防噪墻建設(shè)提供參考。

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Optimization of Sensitivity and Back-illumination Technique for the FAST Telescope

WANG Jun1,2,WU Yang2,JIN Chengjin2,CHEN Shiguo1

(1.School of Physics and Electronic Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550025, China;2.National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China)

An optimization of the sensitivity of FAST telescope is carried out by adjusting the edge taper of a feed with Gaussian illumination. An edge taper of -12～ -14 dB gives the maximum sensitivity. While the zenith angle is beyond 26.4 degrees, a "back-illumination" technique is proposed to reduce the system noise temperature and optimize the sensitivity. The sensitivity is increased by 19%, 48% and 100% if a back-illumination angle of 15, 21 and 26 degrees is chosen for zenith angle of 30, 35 and 40 degrees, respectively.

FAST; far-field pattern; sensitivity; system noise temperature; "back-illumination"

2016- 02- 27

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2012CB821800)

王君(1990-)，女，碩士研究生。研究方向：射電天文接收機(jī)技術(shù)。伍洋(1984-)，男，博士，高級(jí)工程師。研究方向：射電望遠(yuǎn)鏡天線技術(shù)等。金乘進(jìn)(1972-)，男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師。研究方向：天體物理等。陳世國(guó)(1967-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：信號(hào)處理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.004

TN822+.4

A

1007-7820(2017)06-013-04