FAST靈敏度優(yōu)化及“回照”方式分析

王 君，伍 洋，金乘進，陳世國

(1.貴州師范大學 物理與電子科學學院,貴州 貴陽 550025；2.中國科學院 國家天文臺,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2，陳世國1

(1.貴州師范大學 物理與電子科學學院,貴州 貴陽 550025；2.中國科學院 國家天文臺,北京 100012)

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

FAST;遠場方向圖;靈敏度;系統(tǒng)噪聲溫度;“回照”

500 m口徑球面射電望遠鏡(Five hundred meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST)采用主動反射面，其中性面是半徑為300 m、口面直徑為500 m的球面[1]。FAST的觀測天頂角范圍是0°～40°。觀測天體射電源時，部分球面主動變形為口徑300 m、焦徑比為0.461 1的瞬時旋轉(zhuǎn)拋物面，饋源支撐系統(tǒng)將饋源放置在此瞬時拋物面的焦點上[2]。與通常的拋物面射電望遠鏡不同[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，使得在觀測靈敏度優(yōu)化過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FAST的遠場方向圖也有一定的影響。 本文利用物理光學方法對FAST的遠場方向圖和靈敏度進行了計算和分析[9]。通過調(diào)整饋源在拋物面邊緣的照射電平優(yōu)化觀測靈敏度。當天頂角超過26.4°時，拋物面部分會超出500 m口徑主反射面的邊緣，饋源照明的溢損一方面會降低望遠鏡的軸向增益，另一方面也會引起系統(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系統(tǒng)噪聲溫度的影響，回避了耗費巨資建造防噪墻，提高了FAST在天頂角26.4°～40°時的觀測靈敏度。

1 FAST遠場方向圖及靈敏度優(yōu)化

1.1 FAST遠場方向圖

FAST的頻率覆蓋范圍在140 MHz～3 GHz。圖 1為望遠鏡在天頂角0°、20°和40°，望遠鏡的頻率為1.5 GHz的遠場方向圖，其中當天頂角為40°時采用了“回照”方式，饋源的遠場方向圖采用波紋喇叭的仿真計算結(jié)果。FAST望遠鏡電尺寸巨大，難以進行全波算法分析[10]。本文采用物理光學方法，使用了TICRA公司的GRASP軟件[11]。與主反射面僅為300 m拋物面的遠場方向圖對比，遠場方向圖的近旁瓣在0°～30°升高約20 dB，外圍的球面反射面對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，遠場方向圖的旁瓣不對稱。望遠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時的遠場方向圖

圖2 僅300 m拋物面與FAST的遠場方向圖

1.2 靈敏度優(yōu)化

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

在1.4 GHz的觀測頻率下，使用高斯照明的饋源，計算了在不同天頂角和不同邊緣照明情況下，F(xiàn)AST望遠鏡的有效接收面積和系統(tǒng)噪聲溫度。其中望遠鏡的有效接收面積通過軸向增益得到。系統(tǒng)噪聲溫度包括天線噪聲溫度和接收機噪聲溫度兩部分。系統(tǒng)噪聲溫度的計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。接收機噪聲溫度約為10 K。因為拋物面之外的金屬反射面的存在，使得FAST望遠鏡的系統(tǒng)溫度與通常射電望遠鏡相比低約5 K。圖3為上述FAST采用高斯照明，在不同天頂角下，取不同邊緣照明時的有效接收面積、系統(tǒng)噪聲溫度和靈敏度的計算值。

圖3 FAST在不同照明電平下的靈敏度

根據(jù)圖3所示的計算結(jié)果，在天頂角<26.4°時，F(xiàn)AST的有效面積在饋源邊緣照明-9～-10 dB時取得最大值。當天頂角<26.4°時，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口徑拋物面時為低。綜合考慮各天頂角的靈敏度計算數(shù)據(jù)，對于高斯照明的饋源，選擇饋源的邊緣照射電平為-12～-14 dB之間來優(yōu)化FAST觀測靈敏度。

2 FAST“回照”方式的靈敏度分析

當天頂角超過26.4°時，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應的饋源照明范圍，實線為“回照”時饋源的照明范圍。如果饋源遠場方向圖的對稱軸指向拋物面中心，那么溢損的增加會使望遠鏡的噪聲溫度升高。使用相位陣饋源(Phased Array Feed,PAF)將有可能動態(tài)地合成僅對拋物面照明的遠場波束[16-19]。在目前的點焦饋源情況下，可在FAST反射面邊緣加一個金屬防噪墻以屏蔽地面熱輻射。當天頂角達到約40°時，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FAST在天頂角30°、35°和40°時的增益、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

當天頂角超過26.4°時，若將饋源繞其相位中心向主反射面內(nèi)部傾斜(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，望遠鏡的有效接收面積、系統(tǒng)噪聲溫度和靈敏度隨回照角度的變化。當饋源的“回照”角度在一定范圍內(nèi)，望遠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的計算結(jié)果，得到天頂角30°、35°和40°時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，當天頂角為30°、35°和40°時，靈敏度與不采取“回照”和未加防噪墻時相比提高19%、48%和100%。與表 2中加防噪墻時相比，在天頂角為30°、35°和40°時，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在高天頂角時提高觀測靈敏度的有效方式。但在FAST的500 m口徑邊緣加一定高度的金屬防噪墻，仍對優(yōu)化靈敏度有顯著作用。今后可根據(jù)進一步的計算分析和工程實現(xiàn)的可能性建設合適高度的防噪墻。

圖4 天頂角為40°時，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

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

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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

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(2012CB821800)

王君(1990-)，女，碩士研究生。研究方向：射電天文接收機技術。伍洋(1984-)，男，博士，高級工程師。研究方向：射電望遠鏡天線技術等。金乘進(1972-)，男，博士，研究員，博士生導師。研究方向：天體物理等。陳世國(1967-)，男，博士，教授，碩士生導師。研究方向：信號處理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.004

TN822+.4

A

1007-7820(2017)06-013-04