FAST灵敏度优化及“回照”方式分析

王 君，伍 洋，金乘进，陈世国

(1.贵州师范大学 物理与电子科学学院,贵州 贵阳 550025；2.中国科学院 国家天文台,北京 100012)



FAST灵敏度优化及“回照”方式分析

王 君1,2，伍 洋2，金乘进2，陈世国1

(1.贵州师范大学 物理与电子科学学院,贵州 贵阳 550025；2.中国科学院 国家天文台,北京 100012)

针对500 m口径球面射电望远镜的灵敏度优化和天顶角超过26.4°时溢损增大引起系统噪声温度上升的问题。文中采用调整馈源照明进行灵敏度优化，提出"回照"方式降低系统噪声管温度的方法。当馈源为高斯照明时，边缘照明约为-12～-14 dB时点源观测的灵敏度达到极大值。在天顶角为30°、35°和40°时，分别选取最佳回照角为15°、21°和26°时，望远镜的灵敏度分别提高了19%、48%和100%。

FAST;远场方向图;灵敏度;系统噪声温度;“回照”

500 m口径球面射电望远镜(Five hundred meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST)采用主动反射面，其中性面是半径为300 m、口面直径为500 m的球面[1]。FAST的观测天顶角范围是0°～40°。观测天体射电源时，部分球面主动变形为口径300 m、焦径比为0.461 1的瞬时旋转抛物面，馈源支撑系统将馈源放置在此瞬时抛物面的焦点上[2]。与通常的抛物面射电望远镜不同[3-7]，FAST抛物面之外的大面积金属面板有效地屏蔽了地面热辐射，使得在观测灵敏度优化过程中可以在一定程度上放宽馈源在抛物面边缘的照明电平[8]。这部分球面反射面对FAST的远场方向图也有一定的影响。 本文利用物理光学方法对FAST的远场方向图和灵敏度进行了计算和分析[9]。通过调整馈源在抛物面边缘的照射电平优化观测灵敏度。当天顶角超过26.4°时，抛物面部分会超出500 m口径主反射面的边缘，馈源照明的溢损一方面会降低望远镜的轴向增益，另一方面也会引起系统温度的升高。在反射面边缘建造金属防噪墙可屏蔽溢损引起的地面热辐射，但需要建造高度为40～50 m的耗费巨资的防噪墙。

本文提出将馈源绕其相位中心向反射面中心“回照”的照明方式以减少地面热辐射对系统噪声温度的影响，回避了耗费巨资建造防噪墙，提高了FAST在天顶角26.4°～40°时的观测灵敏度。

1 FAST远场方向图及灵敏度优化

1.1 FAST远场方向图

FAST的频率覆盖范围在140 MHz～3 GHz。图 1为望远镜在天顶角0°、20°和40°，望远镜的频率为1.5 GHz的远场方向图，其中当天顶角为40°时采用了“回照”方式，馈源的远场方向图采用波纹喇叭的仿真计算结果。FAST望远镜电尺寸巨大，难以进行全波算法分析[10]。本文采用物理光学方法，使用了TICRA公司的GRASP软件[11]。与主反射面仅为300 m抛物面的远场方向图对比，远场方向图的近旁瓣在0°～30°升高约20 dB，外围的球面反射面对地面热噪声因溢损的减小而有显著的蔽作用，如图2所示。除了天顶角为0°的情况，天顶角为20°和40°时，远场方向图的旁瓣不对称。望远镜的轴向增益与反射面为300 m抛物面的基本相同。

图1 FAST在1.5 GHz时的远场方向图

图2 仅300 m抛物面与FAST的远场方向图

1.2 灵敏度优化

通常用望远镜的有效接收面积和系统噪声温度的比值(Aeff/Tsys)来表征其观测灵敏度[12-13]。提高馈源在反射面边缘的照射电平，将提高望远镜的口径效率，但同时也会造成溢损的增加。溢损的增加一方面将因能量泄漏而导致望远镜增益下降，同时也会使馈源接收到的地面热噪声增加，从而导致系统噪声温度的上升[14-15]。

在1.4 GHz的观测频率下，使用高斯照明的馈源，计算了在不同天顶角和不同边缘照明情况下，FAST望远镜的有效接收面积和系统噪声温度。其中望远镜的有效接收面积通过轴向增益得到。系统噪声温度包括天线噪声温度和接收机噪声温度两部分。系统噪声温度的计算方法是将馈源照明被反射面截取的部分赋值为天空噪声温度，溢损中高出反射面边缘约100 m的范围赋值为300 K(这部分为望远镜周边的山体)，高于反射面边缘100 m的部分赋值为天空噪声温度。接收机噪声温度约为10 K。因为抛物面之外的金属反射面的存在，使得FAST望远镜的系统温度与通常射电望远镜相比低约5 K。图3为上述FAST采用高斯照明，在不同天顶角下，取不同边缘照明时的有效接收面积、系统噪声温度和灵敏度的计算值。

图3 FAST在不同照明电平下的灵敏度

根据图3所示的计算结果，在天顶角<26.4°时，FAST的有效面积在馈源边缘照明-9～-10 dB时取得最大值。当天顶角<26.4°时，部分抛物面移至反射面500 m口径的圈梁之上而缺失，FAST的有效面积在馈源边缘照明约-12 dB时取得极大值。系统噪声温度随馈源在抛物面边缘照明升高而增加，但因外围球面反射面的存在，使得系统温度比反射面仅为300 m口径抛物面时为低。综合考虑各天顶角的灵敏度计算数据，对于高斯照明的馈源，选择馈源的边缘照射电平为-12～-14 dB之间来优化FAST观测灵敏度。

2 FAST“回照”方式的灵敏度分析

当天顶角超过26.4°时，300 m抛物面的边缘超出了500 m口径的边界，如图4所示。图中虚线表示抛物面边缘对应的馈源照明范围，实线为“回照”时馈源的照明范围。如果馈源远场方向图的对称轴指向抛物面中心，那么溢损的增加会使望远镜的噪声温度升高。使用相位阵馈源(Phased Array Feed,PAF)将有可能动态地合成仅对抛物面照明的远场波束[16-19]。在目前的点焦馈源情况下，可在FAST反射面边缘加一个金属防噪墙以屏蔽地面热辐射。当天顶角达到约40°时，防噪墙将高约50 m。

表1和表2分别为在未采用回照方式、未加防噪墙和加50 m高防噪墙时FAST在天顶角30°、35°和40°时的增益、系统噪声温度和灵敏度。加50 m防噪墙后，FAST的增益基本不变，但系统噪声温度因防噪墙对地面热辐射的屏蔽作用而下降，使得灵敏度在天顶角30°、35°和40°时分别上升38%、67%和113%。

表1 FAST未“回照”未加防噪墙的灵敏度

表2 FAST加50 m防噪墙后的灵敏度

当天顶角超过26.4°时，若将馈源绕其相位中心向主反射面内部倾斜(称此照明方式为“回照”方式 )，将降低上述因溢损增加而造成的系统温度的上升。

图5为使用高斯照明馈源，天顶角为30°、35°、40°时，望远镜的有效接收面积、系统噪声温度和灵敏度随回照角度的变化。当馈源的“回照”角度在一定范围内，望远镜沿抛物面主轴轴向的变化不大，但降低系统噪声温度因溢损减少而降低。根据图5的计算结果，得到天顶角30°、35°和40°时的使灵敏度极大的最优回照角分别为约15°、21°和26°。在最佳回照角的情况下，当天顶角为30°、35°和40°时，灵敏度与不采取“回照”和未加防噪墙时相比提高19%、48%和100%。与表 2中加防噪墙时相比，在天顶角为30°、35°和40°时，灵敏度分别下降了12%、10%和2%。根据上述分析结果，“回照”方式是FAST在高天顶角时提高观测灵敏度的有效方式。但在FAST的500 m口径边缘加一定高度的金属防噪墙，仍对优化灵敏度有显著作用。今后可根据进一步的计算分析和工程实现的可能性建设合适高度的防噪墙。

图4 天顶角为40°时，FAST的“回照”示意图

图5 FAST灵敏度随回照角的变化

3 结束语

本文在使用高斯照明馈源的情况下，进行FAST望远镜的灵敏度优化分析。当天顶角>26.4°后，提出馈源“回照”方式，通过降低系统噪声温度从而提高望远镜的灵敏度。本文的计算分析结果和方法可为今后的FAST馈源设计，馈源回照角选择及防噪墙建设提供参考。

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Optimization of Sensitivity and Back-illumination Technique for the FAST Telescope

WANG Jun1,2,WU Yang2,JIN Chengjin2,CHEN Shiguo1

(1.School of Physics and Electronic Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550025, China;2.National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China)

An optimization of the sensitivity of FAST telescope is carried out by adjusting the edge taper of a feed with Gaussian illumination. An edge taper of -12～ -14 dB gives the maximum sensitivity. While the zenith angle is beyond 26.4 degrees, a "back-illumination" technique is proposed to reduce the system noise temperature and optimize the sensitivity. The sensitivity is increased by 19%, 48% and 100% if a back-illumination angle of 15, 21 and 26 degrees is chosen for zenith angle of 30, 35 and 40 degrees, respectively.

FAST; far-field pattern; sensitivity; system noise temperature; "back-illumination"

2016- 02- 27

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB821800)

王君(1990-)，女，硕士研究生。研究方向：射电天文接收机技术。伍洋(1984-)，男，博士，高级工程师。研究方向：射电望远镜天线技术等。金乘进(1972-)，男，博士，研究员，博士生导师。研究方向：天体物理等。陈世国(1967-)，男，博士，教授，硕士生导师。研究方向：信号处理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.004

TN822+.4

A

1007-7820(2017)06-013-04