FAST望远镜的“分身术”！19波束接收机加速天文观测

    近日，FAST望远镜主战装备之一的19波束接收机完成了地面实验室测试，已经安装到望远镜上进行下一步调试。比起传统的单波束接收机，多波束接收机的使用能够大大提高射电望远镜的观测效率。

那什么是单波束接收机？什么又是多波束接收机？它们又有什么优缺点呢？

图1：左图为FAST 19波束接收机系统整体；右图为其内部的19个喇叭接收单元。（图片来源：https://ieeexplore.ieee.org/document/8251424/） 

单波束接收机

大家对射电望远镜想必都不陌生，毕竟已经被FAST刷屏好几次了，不就是一个大锅嘛~然而，“大锅”只是望远镜的一部分，它只相当于照相机的镜头，负责将电磁波汇聚到焦平面处。但要把汇聚到焦平面的电磁波进一步接收下来并转变为可供分析的信号，还需要在焦平面处放置接收机。

对于照相机我们知道，其焦平面处会有一块含有多个感光元件的芯片。而对于射电望远镜来说，接收机就是其所使用的感光元件。接收机的尺寸往往很大，以至于望远镜焦平面处只能放置少数甚至只能放置一套接收机。而即使放置了多个接收机，使用的时候往往也只能使用其中一个。这种单次单个使用的接收机，使得望远镜每次观测只有一个波束对准天空，也就是只能拍摄到天空上一个像素点的信息，因此我们称之为“单波束接收机”。

图2：新疆天文台南山观测基地26米射电望远镜。图片放大部分是其焦平面上放置的多套接收机，每次观测只用其中一套接收机。 

接收机的尺寸和观测波长一般成正比关系，也就是说观测波长越长，所使用的接收机尺寸就会越大。一个接收机能有多大？来张照片你们体会一下。

图3：笔者之一在上海天文台天马65米射电望远镜焦平面处与某两个接收机局部（左侧白色锥体，专业上叫喇叭天线）的合影。注意这只是接收机露在舱体外面的一部分而已。 

多波束接收机

多波束接收机，顾名思义就是由同时工作的多个接收机组成的接收机套装，它可以在一次观测中产生多个波束对准天空，从而可以得到多个像素点上面提到，接收机的大小和观测波长成正比，因此射电天文的接收机有可能会很大。这就带来一个问题，望远镜焦平面的空间是有限的，为了放置更多的接收机，必须将每个单元尽量做小，而且在放置的时候需要更加紧凑。

为什么多波束接收机必须紧凑排布呢？我们用小孔成像来做一个简单示意。

图4：小孔成像示意图

相信很多人都知道，当一个光源发出的光穿过一个小孔后，可以在白屏上看到光源的成像。我们用多根点燃的蜡烛模拟多颗星星，它们的光穿过小孔（相当于射电望远镜的“大锅”）之后，会在白屏（相当于我们前面说的焦平面）上成像。我们会发现，白屏中间成像是最明亮的（即中间那颗蜡烛S3所成的像M3）。

单波束接收机相当于被放在焦平面中间，只去接收那个最亮的信号；而多波束接收机相当于在焦平面中间附近再放置几个接收机单元，把稍微暗弱点的信号也同时接收了。这就出现一个问题，如果离焦平面中心太远的话，信号会变得过于弱。工程上通常认为，光的强度下降超过20%就不可用了。所以多波束接收机的多个单元必须紧凑排布。

由此我们可以知道，对于多波束而言，比如FAST的19波束，其中间波束的“感光能力”是最好的。而越靠外围的波束，“感光能力”必然就越差。注意，这并不是说19波束越靠外的接收单元质量越差，而应该理解为是光在焦平面上的分布不均匀导致的。

图5：以颜色深浅表示亮度，并假设本来天空为均匀的大红色。当我们用19波束去看天空时却会得到这样一个观测结果：中间是最亮的（即，大红色），离中间越远的天空越暗（逐渐淡化至粉色）。这是外围的接收单元“感光能力”下降带来的假象，可以通过适当的方法修正。 

然而，缩小每个接收单元的横向尺寸，使单元之间更为紧密，这对工程师们来说是个不小的挑战。要知道，射电波段电磁波的波长远远大于光波波长，所以射电波段的接收机尺寸普遍要做得较大，才能较好地将射电信号“收入囊中”。工程师们往往需要借助特殊材料才能略微缩小接收单元的横向尺寸，甚至还要牺牲部分性能。

由于这种技术上的难度，目前国际上用于射电天文观测的多波束系统很有限。图6中展示了几个比较有名的国外多波束接收机。其中，澳大利亚Parkes望远镜上的多波束接收机和美国300米口径Arecibo望远镜所用的7波束接收机都由澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）制造。我们也有国产多波束接收机，比如紫金山天文台在毫米波段研制的9波束接收机，目前正装备在青海德令哈13.7米毫米波望远镜上使用；还有上海天文台为天马射电望远镜研制的1.3厘米波段和0.7厘米波段的双波束接收机。

图6：世界各个望远镜使用的部分多波束接收机。从上到下，从左到右，依次是：英国lovell望远镜4波束接收机、德国Effelsberg望远镜7波束接收机、美国Arecibo望远镜7波束接收机、意大利Sardinia望远镜7波束接收机、澳大利亚Parkes望远镜7波束和13波束接收机、上海天文台天马望远镜1.3厘米波段双波束接收机，和紫金山天文台9波束接收机。（图片由公开信息汇总制作而成） 

目前调试中的FAST 19波束接收机，也是出自澳大利亚CSIRO之手。这套接收机观测波长大约为24厘米，整体直径超过1.5米，总重量达到1.2吨，可谓是个大家伙了。

图7：FAST 19波束接收机及其研制团队。（图片来源：https://www.atnf.csiro.au/technology/receivers/index.html/）

19波束接收机：影分身之术

前面我们做过比喻，说单波束接收机相当于照相机底片上的一个感光元件。这意味着，如果望远镜用单波束接收机对天空进行“拍照”，一次只能得到一个像素点的信息。如果要观测一整片天空，那就只能移动望远镜，一个像素点一个像素点地慢慢观测。那装备了19波束接收机之后，我们是不是就能像照相一样，观测一次就能得到一张连续的照片呢？

事情并没有那么简单！

19波束接收机的使用，确实让FAST可以同时观测得到多个像素点的信息。但与照相机不同，射电接收机单元受限于尺寸和相互之间的影响没法靠得太近，因此其观测到的多个“像素点”是不连续的！尽管如此，工程师巧妙地设计，使相邻波束间（中心点之间的距离）刚好差两个波束的距离（注意，这里的是说波束，而不是接收单元），这样只要使用19波束接收机进行4次观测，FAST就能得到一小块天区的连续“照片”。这样一张照片，若使用同样性能参数的单波束接收机来拍摄，需要观测19×4=76次！来一张动图了解下19波束如何通过4次观测实现“拍照”功能：

图8：带颜色的小圆表示19波束接收机观测的19个天空位置（波束）。不同颜色表示不同时间的观测。依次通过“红-橙-黄-绿”四次观测，便能得到连续的图像了。

除了移动望远镜，还有一种巧妙的方式。只要调整好19个波束对准的天空位置，然后固定望远镜不动，让天体随着东升西落自己扫过望远镜的19个波束，就实现了对一片特定区域的连续观测。当然，嫌弃天体东升西落速度太快或太慢，也可以自己控制望远镜做类似的扫描移动。这是什么感觉？就像大家用手机全景模式拍照有没有？！再来张动图感受一下。

图9：红色小圆表示19波束当前观测的天空位置，黄色区域表示已经观测过的。随着19波束和天空相对位置的移动，黄色区域最终连成片。

细心的读者也许已经发现了，19波束接收机这两种“拍照”方式，其得到的“照片”分辨率是不一样的。使用第二种方式的话，相邻像素点会有一半的区域重叠，这对天文学家来说是一种更好的像素分布情况。 

多波束接收机一定比单波束好吗？尺有所短，寸有所短

它们各有优劣，适合的观测场景不同。

比如FAST之前使用的单波束接收机，这位帮助FAST找到多颗脉冲星的功臣，能接收波长20厘米到1米之间的电磁波，是一台“超宽带接收机”。这样的一个单波束接收机，尺寸就已经和整套19波束接收机相仿了，无法做成多波束。而超宽带接收机的优势在于，它能够同时接收更宽波长范围的天体信号，这将有利于天文学家了解更多的天体物理信息。因此，有些时候，天文学家会更喜欢使用这个超宽带单波束接收机。

然而19波束并不在乎，它的优势在于可使FAST的“拍照”速度大大加快，提高望远镜“巡视”一片天区的速度。假设未知的脉冲星在天空中是均匀分布的，那多波束就能成倍地提高FAST查找未知脉冲星的效率。这种快速拍照的功能，在其他诸如中性氢谱线观测中，也是比单波束要厉害到不知道哪里去的。

19波束的影分身之术能给我们带来多少惊喜呢？让我们拭目以待吧！

（本文中标明来源的图片均已获得授权）  

出品：科普中国 

制作：蕉叶 千里草 

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