綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡工作原理

?地面上一條固定基線的相關(guān)干涉儀能觀測到天體亮度分布的一個(gè)傅里葉分量，改變基線的空間指向或基線的長度，得一系列天體亮度分布的傅里葉分量，綜合這些觀測結(jié)果，作傅里葉反變換就可獲得天體的亮度分布，即天體的射電圖像。

利用地球自轉(zhuǎn)去改變地面固定基線在空間的指向來實(shí)現(xiàn)綜合的要求，稱為地球自轉(zhuǎn)綜合。既改變基線長度或指向又結(jié)合地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)綜合稱為超綜合。

綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率取決于觀測中所用的最長基線。它探測微弱天體能力的指標(biāo)--靈敏度則取決于各個(gè)天線的總接收面積。它的研制成功，在射電觀測技術(shù)乃至射電天文學(xué)發(fā)展中是一項(xiàng)重大突破。

為了提高射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率，賴爾開始研制射電干涉儀。最簡單的干涉儀是由兩面天線組成，相距一定距離的天線放置在東西方向的基線上，用長度相等的傳輸線把各自收到的信號(hào)送到接收機(jī)進(jìn)行相加。來自"射電點(diǎn)源"的單頻信號(hào)不能同時(shí)到達(dá)兩面天線，要相差一段路程。若這段路程差正好是半波長的偶數(shù)倍，兩面天線接收到的信號(hào)相加是同相相加，信號(hào)增強(qiáng)。若路程差為半波長的奇數(shù)倍，信號(hào)相互抵消。天體的周日運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致達(dá)到兩面天線的路程差在不斷的變化，信號(hào)到達(dá)兩面天線的相位差不斷地變化，接收機(jī)的輸出呈現(xiàn)強(qiáng)弱相間的周期性變化，形成干涉圖形。對(duì)干涉儀來說，分辨角的公式依然是q=1.22l/d，這里的d已不是單個(gè)天線的直徑，而是兩面天線之間的距離了。

雙射電干涉儀的最大缺陷是只能有較高的一維分辨率，因此不能成像。1952年賴爾提出"孔徑綜合"的概念和技術(shù)，以此逐步解決了高分辨率和成像能力等難題。綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡是一種化整為零的射電望遠(yuǎn)鏡。其原理并不復(fù)雜，最少可用兩面天線組成一個(gè)"等效大天線"，如左邊第二張圖下面的大圓，天線A固定，天線B可以移動(dòng)，逐次放到"等效大天線"的各個(gè)位置，每放一個(gè)地方進(jìn)行一次射電干涉測量。同樣，也可以由許多天線來組成等效天線，幾面固定，幾面移動(dòng)，甚至全部都固定。不管何種結(jié)構(gòu)，要求測量時(shí)得到"等效大天線"上所有方向和各種距離間隔上的相關(guān)信號(hào)。把這些各種間距取向的干涉儀測量資料通過數(shù)學(xué)上的傅里葉變換計(jì)算就可以獲得天空射電亮度的二維分布，也就是被觀測天區(qū)的射電源圖像。綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要制造口徑特別大的天線，但卻需要進(jìn)行多次測量，以及大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

后來賴爾發(fā)現(xiàn)，利用地球自轉(zhuǎn)的效應(yīng)可以減少測量的次數(shù)。如果有放在北極附近的兩個(gè)天線，地球自轉(zhuǎn)一周，其中一個(gè)天線將繞著另一個(gè)天線描繪出一個(gè)圓路徑(左邊第二張圖中的大圓)。地球自轉(zhuǎn)一周相當(dāng)于把可移動(dòng)天線逐次地放到"等效大天線"的各個(gè)方向上，只需解決沿東西方向上各個(gè)單元之間不同間距問題就行了。實(shí)際上，由于系統(tǒng)的對(duì)稱性，只需要12小時(shí)的觀測就能完成一組觀測。

1954年布萊思按照賴爾提出的方案，建造了第一臺(tái)綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。它由一整排小單元組成一字形單元和一個(gè)可沿著一條垂直線移動(dòng)38個(gè)不同位置的小單元組成，可以綜合成一個(gè)相當(dāng)于正方形"大天線"的綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡，能在波長為7.9米的波段上得到2.2度的分辨角。雖然，2.2度的分辨角不可能獲得精細(xì)的射電分布圖，但是，這一觀測實(shí)驗(yàn)證實(shí)綜合孔徑新原理的正確性，意義非凡。從此，射電天文綜合孔徑時(shí)代開始了。

在20世紀(jì)50年代還沒有儲(chǔ)存容量足夠大、計(jì)算速度足夠快的計(jì)算機(jī)來完成觀測資料的傅里葉變換。到了60年代，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展才有了可能，陸續(xù)建成了0.8、1.6和5千米基線的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。1960年賴爾和內(nèi)維爾開始研制等效直徑為1.6千米的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。這臺(tái)綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡由3面直徑18米的拋物面天線組成，其中2面固定在地面上的天線相距0.8千米，另1面天線放在長0.8千米的鐵軌上，可以移動(dòng)，結(jié)果得到了4.5角分的分辨率。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功，證明了利用地球自轉(zhuǎn)進(jìn)行綜合觀測的方法是可行的，由于總的接收面積增加使望遠(yuǎn)鏡的靈敏度提高達(dá)8倍之多。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡于1964年正式啟用，用于普測射電天圖和研究弱射電源，特別是射電星系的結(jié)構(gòu)。

1971年劍橋大學(xué)建成了等效直徑5千米的綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡，代表了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的設(shè)計(jì)水平。它由8面口徑為13米的拋物面天線組成，排列在5千米長的東西基線上，4面天線固定，4面可沿鐵軌移動(dòng)。每觀測12小時(shí)后，把可移動(dòng)天線放到預(yù)先計(jì)算好的位置上再觀測12小時(shí)，爾后再移動(dòng)位置，直到獲得所需要的各種不同的天線間距的測量值。計(jì)算機(jī)處理資料后便得到一幅觀測天區(qū)的射電圖。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡是專為繪制單個(gè)射電源的結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的，除了它有更大的綜合孔徑以外，各個(gè)拋物面也更加精密，可在短至2厘米的波長上工作，結(jié)果得到的角分辨率為1角秒，這個(gè)分辨率已經(jīng)可以和高山臺(tái)站上的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡媲美了。

劍橋大學(xué)在射電巡天發(fā)現(xiàn)射電源方面作出了重大的貢獻(xiàn)，他們的編號(hào)為1C，2C，3C……的射電源表最為有名。大多數(shù)射電源都已獲得光學(xué)認(rèn)證。在對(duì)3C源進(jìn)行光學(xué)認(rèn)證的過程中，導(dǎo)致了被譽(yù)為20世紀(jì)60年代四大發(fā)現(xiàn)的類星體的發(fā)現(xiàn)。在得到射電展源的二維圖像方面更是取得驕人的成果。最著名的要算5千米綜合孔徑射電望遠(yuǎn)望觀測的天鵝座射電源的圖像。這是一個(gè)由兩個(gè)遙遙相對(duì)的射電展源組成的，在它們之間還有一個(gè)稱之為星系核的致密點(diǎn)源。人們發(fā)現(xiàn)了一批這樣的射電源，它們都是處在銀河系之外的河外星系。綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明把觀測范圍從大約10億光年擴(kuò)大到100~200億光年，幾乎達(dá)到宇宙的邊界，或追溯到宇宙的初始時(shí)期。研究宇宙的演化就好像對(duì)宇宙進(jìn)行考古，這對(duì)宇宙學(xué)的研究至關(guān)重要。劍橋大學(xué)5千米綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡給出了宇宙各個(gè)時(shí)期的"照片"，特別是早期的照片。一看就會(huì)明白，星系的分布是否變化。

賴爾發(fā)現(xiàn)射電源的數(shù)密度隨距離的增加而增多，但當(dāng)距離大到一定程度以后，射電源的數(shù)密度又開始減少，這說明星系只在宇宙演化的某一個(gè)階段才會(huì)大量地產(chǎn)生。在100多億年以前宇宙中的射電源比近期的射電源多得多，最多時(shí)可達(dá)到現(xiàn)在的1000多倍。這一觀測證明宇宙是在隨時(shí)間的推移而變化著的，今天的宇宙不同于過去的宇宙。賴爾的研究工作成為支持大爆炸宇宙學(xué)的重要觀測事實(shí)。

在賴爾取得成功以后，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡風(fēng)靡全世界，至今仍具強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。其中最重要的是美國國家射電天文臺(tái)的甚大陣天線(VLA)，是當(dāng)前最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，其最高分辨角為0.13角秒，已經(jīng)優(yōu)于地面上的大型光學(xué)望鏡。另外澳大利亞、英國、荷蘭和印度的綜合孔徑射電望鏡都有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。留待以后介紹。

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的一半的波長為該望遠(yuǎn)鏡的最短工作波長﹐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。

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。

射電觀測在很寬的頻率范圍進(jìn)行，檢測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;按觀測目的可分為測繪﹑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。