射電天文接收機(jī)簡(jiǎn)介

指接收機(jī)可以察覺(jué)的輸入信號(hào)的最小功率變化。這是射電天文接收機(jī)最重要的性能指標(biāo)之一，用以表征接收機(jī)測(cè)量天體射電信號(hào)的靈敏程度。天體射電信號(hào)都具有隨機(jī)噪聲形式，射電信號(hào)在接收機(jī)輸出端引起的變化，至少要大于(包括接收機(jī)本身噪聲在內(nèi)的)整個(gè)輸出信號(hào)在其平均值附近起伏的均方根誤差才能被察覺(jué)。為了能夠確切測(cè)量天體射電信號(hào)，要求在接收機(jī)輸出端的射電信號(hào)與接收機(jī)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(jī)輸入端的噪聲往往遠(yuǎn)大于天體射電信號(hào)，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(jì)規(guī)律，對(duì)于隨機(jī)噪聲功率平均值的測(cè)量,在N個(gè)相鄰頻帶上同時(shí)測(cè)量的平均值，比單一頻帶測(cè)量精確倍。同樣,在N秒鐘測(cè)量的平均值會(huì)比1秒鐘測(cè)量精確倍。因此,當(dāng)接收機(jī)的有效噪聲頻帶寬度為△v，而積分時(shí)間常數(shù)為τ時(shí),其輸出噪聲起伏為輸入噪聲的 。當(dāng)采用調(diào)制式或相關(guān)式接收機(jī)時(shí)，增益起伏的影響如果可以不計(jì)，則接收機(jī)的最小可測(cè)信號(hào)將為(以噪聲溫度的單位表示):

，

式中TS為包括接收機(jī)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(hào),M為一個(gè)與調(diào)制方式等有關(guān)的常數(shù)。根據(jù)不同的接收機(jī)結(jié)構(gòu),M的數(shù)值分別如下:總功率型接收機(jī)為 1，方波調(diào)制的單通道接收機(jī)為2~2.22，方波調(diào)制的雙通道接收機(jī)為1.41~1.56,直接相乘的相關(guān)接收機(jī)為1.41。

一般采用兩次或三次變頻，有以下特點(diǎn)。

①低的系統(tǒng)噪聲溫度:譜線接收機(jī)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(jī)接收。

②高度穩(wěn)定的本機(jī)振蕩器:終端的頻譜儀測(cè)定的是中頻頻譜，它與高頻頻譜之間相差一個(gè)本機(jī)振蕩頻率。要提高譜線接收機(jī)測(cè)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(jī)振蕩頻率有足夠的精度與穩(wěn)定度(如10-7)。要達(dá)到這樣高的指標(biāo)，一般都采用微波鎖相技術(shù)，而且參考信號(hào)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(yīng)和穩(wěn)定的增益。

④為了提高利用率，要求接收機(jī)有很寬的調(diào)諧帶寬，在毫米波段，調(diào)諧帶寬達(dá)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(hào)交替地通到接收機(jī)，進(jìn)行頻譜比較。其中一個(gè)信號(hào)是待測(cè)的，而另一個(gè)信號(hào)具有平坦的頻譜。采用轉(zhuǎn)換技術(shù)可以減弱接收機(jī)頻響不平坦、增益起伏和寄生頻譜的影響，從而提高檢測(cè)譜線的能力。波束轉(zhuǎn)換過(guò)程中，天線波束交替地指向"源"與一個(gè)具有均勻頻譜的參考天區(qū)。頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程中，本機(jī)振蕩頻率在兩頻率間跳動(dòng)，使譜線信號(hào)與一個(gè)頻譜平坦的頻段進(jìn)行比較。

(頻譜儀) 射電望遠(yuǎn)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(gè)中心頻率可以移動(dòng)的窄通帶濾波器。隨著濾波器中心頻率的移動(dòng)，輸入信號(hào)中的各頻率分量依次通過(guò)濾波器，這樣便可以得到輸入信號(hào)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(jī)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(gè)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(cè)出通過(guò)各濾波器的信號(hào)功率，便可得到覆蓋范圍為n△v的功率譜。△v是頻率分辨率，它表示譜線接收機(jī)分辨頻譜細(xì)節(jié)的能力;n是通道數(shù);n△v為帶寬。觀測(cè)任務(wù)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(dá)幾百。當(dāng)△v=1兆赫時(shí)，n△v達(dá)幾百兆赫。

③自相關(guān)式頻譜儀:在二十世紀(jì)六十年代初開(kāi)始應(yīng)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(yīng)用。在采用數(shù)字相關(guān)器的系統(tǒng)中，信號(hào)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(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，從而得到信號(hào)的功率譜。由于受到運(yùn)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(gè)氦氖激光器發(fā)射單色光，通過(guò)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(xué)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(jī)輸出的中頻信號(hào)加到換能器上，換能器將電信號(hào)變成機(jī)械振動(dòng)，于是在光學(xué)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(guò)這部分介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生衍射，形成三個(gè)"布拉格效應(yīng)"。聲光頻譜儀利用其中兩個(gè)效應(yīng)，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(gè)光敏二極管陣(PDA)，測(cè)出每個(gè)二極管接收到的光的強(qiáng)度，便得到輸入的中頻信號(hào)的功率譜。這種頻譜儀設(shè)備較簡(jiǎn)單，分辨率可達(dá)幾十千赫，帶寬可超過(guò)100兆赫。