射電天文接收機工作原理

指接收機可以察覺的輸入信號的最小功率變化。這是射電天文接收機最重要的性能指標之一，用以表征接收機測量天體射電信號的靈敏程度。天體射電信號都具有隨機噪聲形式，射電信號在接收機輸出端引起的變化，至少要大于(包括接收機本身噪聲在內(nèi)的)整個輸出信號在其平均值附近起伏的均方根誤差才能被察覺。為了能夠確切測量天體射電信號，要求在接收機輸出端的射電信號與接收機本身的噪聲的比值，即信噪比，至少大于1，一般要求大于或等于5。但是，接收機輸入端的噪聲往往遠大于天體射電信號，只有加以平滑后，才能使輸出端的噪聲起伏降低到這種程度。根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律，對于隨機噪聲功率平均值的測量,在N個相鄰頻帶上同時測量的平均值，比單一頻帶測量精確倍。同樣,在N秒鐘測量的平均值會比1秒鐘測量精確倍。因此,當接收機的有效噪聲頻帶寬度為△v，而積分時間常數(shù)為τ時,其輸出噪聲起伏為輸入噪聲的 。當采用調(diào)制式或相關(guān)式接收機時，增益起伏的影響如果可以不計，則接收機的最小可測信號將為(以噪聲溫度的單位表示):

，

式中TS為包括接收機輸入端各種噪聲在內(nèi)的所謂系統(tǒng)噪聲，其中也包括射電源的噪聲信號,M為一個與調(diào)制方式等有關(guān)的常數(shù)。根據(jù)不同的接收機結(jié)構(gòu),M的數(shù)值分別如下:總功率型接收機為 1，方波調(diào)制的單通道接收機為2~2.22，方波調(diào)制的雙通道接收機為1.41~1.56,直接相乘的相關(guān)接收機為1.41。

一般采用兩次或三次變頻，有以下特點。

①低的系統(tǒng)噪聲溫度:譜線接收機接收的射電源的亮溫度是很低的，多數(shù)在1~10K范圍內(nèi)，所以要用高靈敏度的接收機接收。

②高度穩(wěn)定的本機振蕩器:終端的頻譜儀測定的是中頻頻譜，它與高頻頻譜之間相差一個本機振蕩頻率。要提高譜線接收機測定頻率的精度，不但要求終端的頻譜儀具有高的頻率分辨率，也要求本機振蕩頻率有足夠的精度與穩(wěn)定度(如10-7)。要達到這樣高的指標，一般都采用微波鎖相技術(shù)，而且參考信號由高精度的微波頻率綜合器提供。

③要求接收系統(tǒng)有寬而平坦的頻率響應和穩(wěn)定的增益。

④為了提高利用率，要求接收機有很寬的調(diào)諧帶寬，在毫米波段，調(diào)諧帶寬達幾十京赫。

⑤采用波束轉(zhuǎn)換和頻率轉(zhuǎn)換:轉(zhuǎn)換是指讓兩種不同信號交替地通到接收機，進行頻譜比較。其中一個信號是待測的，而另一個信號具有平坦的頻譜。采用轉(zhuǎn)換技術(shù)可以減弱接收機頻響不平坦、增益起伏和寄生頻譜的影響，從而提高檢測譜線的能力。波束轉(zhuǎn)換過程中，天線波束交替地指向"源"與一個具有均勻頻譜的參考天區(qū)。頻率轉(zhuǎn)換過程中，本機振蕩頻率在兩頻率間跳動，使譜線信號與一個頻譜平坦的頻段進行比較。

(頻譜儀) 射電望遠鏡中采用的頻譜儀主要有下列四種。

①單通道可調(diào)式頻譜儀(或稱掃頻式頻譜儀):是早期使用的系統(tǒng)，采用一個中心頻率可以移動的窄通帶濾波器。隨著濾波器中心頻率的移動，輸入信號中的各頻率分量依次通過濾波器，這樣便可以得到輸入信號的功率譜。

②多通道式頻譜儀:是一種經(jīng)典的系統(tǒng)，目前在毫米波段的譜線接收機中用得較多。這一系統(tǒng)與前者不同之處是，采用了相互并聯(lián)的n個帶通濾波器，濾波器的帶寬為△v，各濾波器中心頻率的間隔也是△v。測出通過各濾波器的信號功率，便可得到覆蓋范圍為n△v的功率譜?！鱲是頻率分辨率，它表示譜線接收機分辨頻譜細節(jié)的能力;n是通道數(shù);n△v為帶寬。觀測任務不同，所需的分辨率也不同?！鱲在幾千赫到幾兆赫范圍。通道數(shù)n現(xiàn)在可達幾百。當△v=1兆赫時，n△v達幾百兆赫。

③自相關(guān)式頻譜儀:在二十世紀六十年代初開始應用。這種系統(tǒng)分辨率高，改變分辨率也方便，故在分米波段和厘米波段得到廣泛應用。在采用數(shù)字相關(guān)器的系統(tǒng)中，信號被取樣、數(shù)量化與延遲，然后送到乘法器，求出自相關(guān)函數(shù)后，再用計算機進行傅里葉變換，從而得到信號的功率譜。由于受到運算速度的限制，這一系統(tǒng)帶寬在幾十兆赫之內(nèi)。

④聲光頻譜儀:采用如圖所示的裝置。一個氦氖激光器發(fā)射單色光，通過波束展寬裝置照到聲光偏轉(zhuǎn)器上。聲光偏轉(zhuǎn)器的主體是一塊光學介質(zhì)(如 TeO2晶體、熔石英、玻璃和水等)，在偏轉(zhuǎn)器的一端貼上如鈮酸鋰(LiNbO3)之類的換能器，而另一端貼上吸收物質(zhì)(如鉛等)。接收機輸出的中頻信號加到換能器上，換能器將電信號變成機械振動，于是在光學介質(zhì)中形成疏密波，并以行波方式傳播。疏密波引起介質(zhì)中各部分折射率的變化。光通過這部分介質(zhì)時產(chǎn)生衍射，形成三個"布拉格效應"。聲光頻譜儀利用其中兩個效應，a.光束偏轉(zhuǎn)。b.光束亮度變化，在一定范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)角與中頻頻偏成正比，其亮度與該頻率上的中頻功率也成正比。若在偏轉(zhuǎn)器后的透鏡焦平面上放一個光敏二極管陣(PDA)，測出每個二極管接收到的光的強度，便得到輸入的中頻信號的功率譜。這種頻譜儀設(shè)備較簡單，分辨率可達幾十千赫，帶寬可超過100兆赫。