可跟蹤拋物面射電望遠(yuǎn)鏡

射電望遠(yuǎn)鏡由兩個(gè)反射器組成，一個(gè)是初級(jí)反射器，習(xí)慣名稱為副反射器，另一個(gè)是次級(jí)反射器，也叫主反射器。主反射器表面為拋物面，副反射器為橢球面或雙曲面。射電望遠(yuǎn)鏡天線能指向不同方位和俯仰角度跟蹤射電源周日運(yùn)動(dòng)。它收集電波的方式類似光學(xué)反射望遠(yuǎn)鏡﹐具有多波段探測(cè)功能，能按設(shè)定程序自動(dòng)跟蹤天體﹐具有高增益、低噪聲溫度等特性。它是射電天文觀測(cè)中使用的主要設(shè)備﹐也是甚大射電望遠(yuǎn)鏡陣列的基本組成單元。

拋物面孔徑橫截面一般為軸對(duì)稱的圓形孔徑﹐少數(shù)為橢圓孔徑﹐因此﹐波束方向圖為"鉛筆"狀。方向圖特性與饋源對(duì)孔徑的照射分布有關(guān)，孔徑照射有兩種型式，一種是將饋源(如喇叭﹑振子等)放在拋物面焦點(diǎn)處，接收來自某個(gè)方向并經(jīng)拋物面反射的電磁波(圖1a )的前饋單方式。另一種是將饋源放在副反射器另一個(gè)焦點(diǎn)處，接收由副反射面反射電磁波的后饋方式。

拋物面射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率和靈敏度都與反射面直徑D 密切相關(guān)。增大天線口徑D ﹐能有效改善望遠(yuǎn)鏡的接受性能。主反射面和理想拋物面的中值公差 ﹐對(duì)波長(zhǎng)為λ時(shí)的孔徑效率 的影響﹐可用魯茲公式表示:

。

通常規(guī)定﹐以孔徑效率降為其無公差( =0)極限值 0的一半的波長(zhǎng)為該望遠(yuǎn)鏡的最短工作波長(zhǎng)﹐即min≒16。實(shí)際應(yīng)用上常以比值D / 來表徵拋物面天線的相對(duì)精度。目前最好的可跟蹤拋物面射電望遠(yuǎn)鏡的相對(duì)精度已達(dá)到10量級(jí)﹐最高分辨率已達(dá)到1量級(jí)。

重力彎沉﹑結(jié)構(gòu)各部分溫差及風(fēng)荷所引起的形變都是設(shè)計(jì)和制造大型精密可跟蹤射電望遠(yuǎn)鏡的主要限制。前者對(duì)天線影響更大﹐而且隨天線俯仰角的變化而變化。對(duì)于最短工作波長(zhǎng)為 min(厘米)的鋼結(jié)構(gòu)可跟蹤拋物面射電望遠(yuǎn)鏡﹐因重力彎沉所限制的最大可能直徑D (米)﹐可用近似模型推算的公式﹕

來估計(jì)?，F(xiàn)已研究出用主動(dòng)和被動(dòng)伺服系統(tǒng)來控制反射面的重力彎沉﹐對(duì)一些大型或精密的可跟蹤拋物面射電望遠(yuǎn)鏡成功地采用了保形設(shè)計(jì)。通過這種合理的設(shè)計(jì)來控制重力彎沉﹐可使表面在不同仰角都保持拋物面形狀。反射面焦點(diǎn)的改變﹐可通過伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)饋源或二次反射面位置得到補(bǔ)償﹐從而大大提高了望遠(yuǎn)鏡的D / 值﹐這就突破了重力彎沉的限制。有的毫米波和短厘米波的精密可跟蹤射電望遠(yuǎn)鏡﹐裝在對(duì)射電波透明的圓罩內(nèi)﹐以避免風(fēng)荷和太陽直接照射下各部分較大溫差引起的形變﹐并且采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料﹐以減小重力彎沉。

可跟蹤拋物面射電望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械和驅(qū)動(dòng)裝置﹐應(yīng)保證必要的指向精度和跟蹤精度。指向誤差 必須是望遠(yuǎn)鏡半功率方向束寬 的一小部分﹐一般取 ≒ /10﹐最大也不應(yīng)超過 /6。望遠(yuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)裝置分赤道式和地平式兩種。赤道式裝置(圖2a

可跟蹤拋物面射電望遠(yuǎn)鏡可單獨(dú)使用﹐作定標(biāo)和測(cè)量偏振﹑譜線﹑源亮度分布和普遍巡天之用。它又可作為射電干涉儀﹑綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)單元﹐這時(shí)它能保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間跟蹤的需要。目前最大的可跟蹤拋物面射電望遠(yuǎn)鏡是西德馬克斯·普朗克射電天文研究所的100米拋物面望遠(yuǎn)鏡。

可用于天文跟蹤觀測(cè)的拋物面射電望遠(yuǎn)鏡。

fully steerable parabolic radio telescope

克里斯琴森和霍格玻姆著﹐陳建生譯﹕《射電望遠(yuǎn)鏡》﹐科學(xué)出版社﹐北京﹐1977。(W. N. Christiansen and J.A.Hgbom﹐Radio Telescopes﹐Cambridge Univ.Press﹐London﹐1969.)

根據(jù)天線總體結(jié)構(gòu)的不同，射電望遠(yuǎn)鏡按設(shè)計(jì)要求可以分為連續(xù)和非連續(xù)孔徑射電望遠(yuǎn)鏡兩大類。

主要代表是采用單盤拋物面天線的經(jīng)典式射電望遠(yuǎn)鏡。按機(jī)械裝置和驅(qū)動(dòng)方式，連續(xù)孔徑射電望遠(yuǎn)鏡(它通常又是非連續(xù)孔徑的基本單元)還可分為三種類型。

全可轉(zhuǎn)型或可跟蹤型

可在兩個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，分為赤道式裝置和地平式裝置兩種，如同在可跟蹤拋物面射電望遠(yuǎn)鏡中使用的。

部分可轉(zhuǎn)型

可在一坐標(biāo)(赤緯方向)轉(zhuǎn)動(dòng)，赤經(jīng)方向靠地球自轉(zhuǎn)掃描，又稱中星儀式(見帶形射電望遠(yuǎn)鏡)。

固定型

主要天線反射面固定，一般用移動(dòng)饋源(又稱照明器)或改變饋源相位的方法。

射電觀測(cè)在很寬的頻率范圍進(jìn)行，檢測(cè)和信息處理的射電技術(shù)又遠(yuǎn)較光學(xué)波段靈活多樣，所以射電望遠(yuǎn)鏡種類繁多，還可以根據(jù)其他準(zhǔn)則分類:諸如按接收天線的形狀可分為拋物面﹑拋物柱面﹑球面﹑拋物面截帶﹑喇叭﹑螺旋﹑行波﹑偶極天線等射電望遠(yuǎn)鏡;按方向束形狀可分為鉛筆束﹑扇束﹑多束等射電望遠(yuǎn)鏡;按工作類型可分為全功率﹑掃頻﹑快速成像等類射電望遠(yuǎn)鏡;按觀測(cè)目的可分為測(cè)繪﹑定位﹑定標(biāo)﹑偏振﹑頻譜﹑日象等射電望遠(yuǎn)鏡。關(guān)于非連續(xù)孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，主要是各類射電干涉儀。

以干涉技術(shù)為基礎(chǔ)的各種組合天線系統(tǒng) 。20世紀(jì)60年代產(chǎn)生了兩種新型的非連續(xù)孔徑射電望遠(yuǎn)鏡--甚長(zhǎng)基線干涉儀和綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，前者具有極高的空間分辨率，后者能獲得清晰的射電圖像。世界上最大的可跟蹤型經(jīng)典式射電望遠(yuǎn)鏡其拋物面天線直徑長(zhǎng)達(dá)100米，安裝在德國馬克斯·普朗克射電天文研究所;世界上最大的非連續(xù)孔徑射電望遠(yuǎn)鏡是甚大天線陣，安裝在美國國立射電天文臺(tái)。

為了觀測(cè)弱射電源的需要，射電望遠(yuǎn)鏡必須有較大孔徑，并能對(duì)射電目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤或掃描。此外，還必須綜合考慮設(shè)備的造價(jià)和工藝上的現(xiàn)實(shí)性。

這種射電望遠(yuǎn)鏡一般有扇形方向圖。帶形射電望遠(yuǎn)鏡有克勞斯型系統(tǒng)﹑可變輪廓天線(即海金型﹑旋轉(zhuǎn)拋物面或球面的一個(gè)帶)和拋物柱面等類型。

射電望遠(yuǎn)鏡與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不同，它既沒有高高豎起的望遠(yuǎn)鏡鏡簡(jiǎn)，也沒有物鏡，目鏡，它由天線和接收系統(tǒng)兩大部分組成。

巨大的天線是射電望遠(yuǎn)鏡最顯著的標(biāo)志，它的種類很多，有拋物面天線，球面天線，半波偶極子天線，螺旋天線等。最常用的是拋物面天線。天線對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡來說，就好比是它的眼睛，它的作用相當(dāng)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中的物鏡。它要把微弱的宇宙無線電信號(hào)收集起來，然后通過一根特制的管子(波導(dǎo))把收集到的信號(hào)傳送到接收機(jī)中去放大。接收系統(tǒng)的工作原理和普通收音機(jī)差不多，但它具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性。接收系統(tǒng)將信號(hào)放大，從噪音中分離出有用的信號(hào)，并傳給后端的計(jì)算機(jī)記錄下來。記錄的結(jié)果為許多彎曲的曲線，天文學(xué)家分析這些曲線，得到天體送來的各種宇宙信息。