[科普中國]-19波束接收機(jī)：FAST的分身術(shù)

近日，F(xiàn)AST望遠(yuǎn)鏡主戰(zhàn)裝備之一的19波束接收機(jī)完成了地面實(shí)驗(yàn)室測試，已經(jīng)安裝到望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行下一步調(diào)試。比起傳統(tǒng)的單波束接收機(jī)，多波束接收機(jī)的使用能夠大大提高射電望遠(yuǎn)鏡的觀測效率。

那什么是單波束接收機(jī)？什么又是多波束接收機(jī)？它們又有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？

圖1：左圖為FAST 19波束接收機(jī)系統(tǒng)整體；右圖為其內(nèi)部的19個喇叭接收單元。

（圖片來源：https://ieeexplore.ieee.org/document/8251424/）

單波束接收機(jī)

大家對射電望遠(yuǎn)鏡想必都不陌生，畢竟已經(jīng)被FAST刷屏好幾次了，不就是一個大鍋嘛~然而，“大鍋”只是望遠(yuǎn)鏡的一部分，它只相當(dāng)于照相機(jī)的鏡頭，負(fù)責(zé)將電磁波匯聚到焦平面處。但要把匯聚到焦平面的電磁波進(jìn)一步接收下來并轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┓治龅男盘枺€需要在焦平面處放置接收機(jī)。

對于照相機(jī)我們知道，其焦平面處會有一塊含有多個感光元件的芯片。而對于射電望遠(yuǎn)鏡來說，接收機(jī)就是其所使用的感光元件。接收機(jī)的尺寸往往很大，以至于望遠(yuǎn)鏡焦平面處只能放置少數(shù)甚至只能放置一套接收機(jī)。而即使放置了多個接收機(jī)，使用的時候往往也只能使用其中一個。這種單次單個使用的接收機(jī)，使得望遠(yuǎn)鏡每次觀測只有一個波束對準(zhǔn)天空，也就是只能拍攝到天空上一個像素點(diǎn)的信息，因此我們稱之為“單波束接收機(jī)”。

圖2：新疆天文臺南山觀測基地26米射電望遠(yuǎn)鏡。圖片放大部分是其焦平面上放置的多套接收機(jī)，每次觀測只用其中一套接收機(jī)。

接收機(jī)的尺寸和觀測波長一般成正比關(guān)系，也就是說觀測波長越長，所使用的接收機(jī)尺寸就會越大。一個接收機(jī)能有多大？來張照片你們體會一下。

圖3：筆者之一在上海天文臺天馬65米射電望遠(yuǎn)鏡焦平面處與某兩個接收機(jī)局部（左側(cè)白色錐體，專業(yè)上叫喇叭天線）的合影。注意這只是接收機(jī)露在艙體外面的一部分而已。

多波束接收機(jī)

多波束接收機(jī)，顧名思義就是由同時工作的多個接收機(jī)組成的接收機(jī)套裝，它可以在一次觀測中產(chǎn)生多個波束對準(zhǔn)天空，從而可以得到多個像素點(diǎn)上面提到，接收機(jī)的大小和觀測波長成正比，因此射電天文的接收機(jī)有可能會很大。這就帶來一個問題，望遠(yuǎn)鏡焦平面的空間是有限的，為了放置更多的接收機(jī)，必須將每個單元盡量做小，而且在放置的時候需要更加緊湊。

為什么多波束接收機(jī)必須緊湊排布呢？我們用小孔成像來做一個簡單示意。

圖4：小孔成像示意圖

相信很多人都知道，當(dāng)一個光源發(fā)出的光穿過一個小孔后，可以在白屏上看到光源的成像。我們用多根點(diǎn)燃的蠟燭模擬多顆星星，它們的光穿過小孔（相當(dāng)于射電望遠(yuǎn)鏡的“大鍋”）之后，會在白屏（相當(dāng)于我們前面說的焦平面）上成像。我們會發(fā)現(xiàn)，白屏中間成像是最明亮的（即中間那顆蠟燭S3所成的像M3）。

單波束接收機(jī)相當(dāng)于被放在焦平面中間，只去接收那個最亮的信號；而多波束接收機(jī)相當(dāng)于在焦平面中間附近再放置幾個接收機(jī)單元，把稍微暗弱點(diǎn)的信號也同時接收了。這就出現(xiàn)一個問題，如果離焦平面中心太遠(yuǎn)的話，信號會變得過于弱。工程上通常認(rèn)為，光的強(qiáng)度下降超過20%就不可用了。所以多波束接收機(jī)的多個單元必須緊湊排布。

由此我們可以知道，對于多波束而言，比如FAST的19波束，其中間波束的“感光能力”是最好的。而越靠外圍的波束，“感光能力”必然就越差。注意，這并不是說19波束越靠外的接收單元質(zhì)量越差，而應(yīng)該理解為是光在焦平面上的分布不均勻?qū)е碌摹?/p>

圖5：以顏色深淺表示亮度，并假設(shè)本來天空為均勻的大紅色。當(dāng)我們用19波束去看天空時卻會得到這樣一個觀測結(jié)果：中間是最亮的（即，大紅色），離中間越遠(yuǎn)的天空越暗（逐漸淡化至粉色）。這是外圍的接收單元“感光能力”下降帶來的假象，可以通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄐ拚?/p>

然而，縮小每個接收單元的橫向尺寸，使單元之間更為緊密，這對工程師們來說是個不小的挑戰(zhàn)。要知道，射電波段電磁波的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光波波長，所以射電波段的接收機(jī)尺寸普遍要做得較大，才能較好地將射電信號“收入囊中”。工程師們往往需要借助特殊材料才能略微縮小接收單元的橫向尺寸，甚至還要犧牲部分性能。

由于這種技術(shù)上的難度，目前國際上用于射電天文觀測的多波束系統(tǒng)很有限。圖6中展示了幾個比較有名的國外多波束接收機(jī)。其中，澳大利亞Parkes望遠(yuǎn)鏡上的多波束接收機(jī)和美國300米口徑Arecibo望遠(yuǎn)鏡所用的7波束接收機(jī)都由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）制造。我們也有國產(chǎn)多波束接收機(jī)，比如紫金山天文臺在毫米波段研制的9波束接收機(jī)，目前正裝備在青海德令哈13.7米毫米波望遠(yuǎn)鏡上使用；還有上海天文臺為天馬射電望遠(yuǎn)鏡研制的1.3厘米波段和0.7厘米波段的雙波束接收機(jī)。

圖6：世界各個望遠(yuǎn)鏡使用的部分多波束接收機(jī)。從上到下，從左到右，依次是：英國lovell望遠(yuǎn)鏡4波束接收機(jī)、德國Effelsberg望遠(yuǎn)鏡7波束接收機(jī)、美國Arecibo望遠(yuǎn)鏡7波束接收機(jī)、意大利Sardinia望遠(yuǎn)鏡7波束接收機(jī)、澳大利亞Parkes望遠(yuǎn)鏡7波束和13波束接收機(jī)、上海天文臺天馬望遠(yuǎn)鏡1.3厘米波段雙波束接收機(jī)，和紫金山天文臺9波束接收機(jī)。（圖片由公開信息匯總制作而成）

目前調(diào)試中的FAST 19波束接收機(jī)，也是出自澳大利亞CSIRO之手。這套接收機(jī)觀測波長大約為24厘米，整體直徑超過1.5米，總重量達(dá)到1.2噸，可謂是個大家伙了。

圖7：FAST 19波束接收機(jī)及其研制團(tuán)隊(duì)。（圖片來源：https://www.atnf.csiro.au/technology/receivers/index.html/）

19波束接收機(jī)：影分身之術(shù)

前面我們做過比喻，說單波束接收機(jī)相當(dāng)于照相機(jī)底片上的一個感光元件。這意味著，如果望遠(yuǎn)鏡用單波束接收機(jī)對天空進(jìn)行“拍照”，一次只能得到一個像素點(diǎn)的信息。如果要觀測一整片天空，那就只能移動望遠(yuǎn)鏡，一個像素點(diǎn)一個像素點(diǎn)地慢慢觀測。那裝備了19波束接收機(jī)之后，我們是不是就能像照相一樣，觀測一次就能得到一張連續(xù)的照片呢？

事情并沒有那么簡單！

19波束接收機(jī)的使用，確實(shí)讓FAST可以同時觀測得到多個像素點(diǎn)的信息。但與照相機(jī)不同，射電接收機(jī)單元受限于尺寸和相互之間的影響沒法靠得太近，因此其觀測到的多個“像素點(diǎn)”是不連續(xù)的！盡管如此，工程師巧妙地設(shè)計(jì)，使相鄰波束間（中心點(diǎn)之間的距離）剛好差兩個波束的距離（注意，這里的是說波束，而不是接收單元），這樣只要使用19波束接收機(jī)進(jìn)行4次觀測，F(xiàn)AST就能得到一小塊天區(qū)的連續(xù)“照片”。這樣一張照片，若使用同樣性能參數(shù)的單波束接收機(jī)來拍攝，需要觀測19×4=76次！來一張動圖了解下19波束如何通過4次觀測實(shí)現(xiàn)“拍照”功能：

圖8：帶顏色的小圓表示19波束接收機(jī)觀測的19個天空位置（波束）。不同顏色表示不同時間的觀測。依次通過“紅-橙-黃-綠”四次觀測，便能得到連續(xù)的圖像了。

除了移動望遠(yuǎn)鏡，還有一種巧妙的方式。只要調(diào)整好19個波束對準(zhǔn)的天空位置，然后固定望遠(yuǎn)鏡不動，讓天體隨著東升西落自己掃過望遠(yuǎn)鏡的19個波束，就實(shí)現(xiàn)了對一片特定區(qū)域的連續(xù)觀測。當(dāng)然，嫌棄天體東升西落速度太快或太慢，也可以自己控制望遠(yuǎn)鏡做類似的掃描移動。這是什么感覺？就像大家用手機(jī)全景模式拍照有沒有？！再來張動圖感受一下。

圖9：紅色小圓表示19波束當(dāng)前觀測的天空位置，黃色區(qū)域表示已經(jīng)觀測過的。隨著19波束和天空相對位置的移動，黃色區(qū)域最終連成片。

細(xì)心的讀者也許已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，19波束接收機(jī)這兩種“拍照”方式，其得到的“照片”分辨率是不一樣的。使用第二種方式的話，相鄰像素點(diǎn)會有一半的區(qū)域重疊，這對天文學(xué)家來說是一種更好的像素分布情況。

多波束接收機(jī)一定比單波束好嗎？尺有所短，寸有所短

它們各有優(yōu)劣，適合的觀測場景不同。

比如FAST之前使用的單波束接收機(jī)，這位幫助FAST找到多顆脈沖星的功臣，能接收波長20厘米到1米之間的電磁波，是一臺“超寬帶接收機(jī)”。這樣的一個單波束接收機(jī)，尺寸就已經(jīng)和整套19波束接收機(jī)相仿了，無法做成多波束。而超寬帶接收機(jī)的優(yōu)勢在于，它能夠同時接收更寬波長范圍的天體信號，這將有利于天文學(xué)家了解更多的天體物理信息。因此，有些時候，天文學(xué)家會更喜歡使用這個超寬帶單波束接收機(jī)。

然而19波束并不在乎，它的優(yōu)勢在于可使FAST的“拍照”速度大大加快，提高望遠(yuǎn)鏡“巡視”一片天區(qū)的速度。假設(shè)未知的脈沖星在天空中是均勻分布的，那多波束就能成倍地提高FAST查找未知脈沖星的效率。這種快速拍照的功能，在其他諸如中性氫譜線觀測中，也是比單波束要厲害到不知道哪里去的。

19波束的影分身之術(shù)能給我們帶來多少驚喜呢？讓我們拭目以待吧！

（本文中標(biāo)明來源的圖片均已獲得授權(quán)）