[發(fā)明專利]大口徑球面反射面與相位陣饋源相結(jié)合的射電天文望遠鏡

有效

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• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113161759B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王君;朱巖;金乘進;彭勃
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院國家天文臺
• 主分類號: H01Q15/16
• 分類號: H01Q15/16;H01Q19/12
• 代理公司: 北京君尚知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11200
• 代理人: 司立彬

本發(fā)明公開了一種大口徑球面反射面與相位陣饋源相結(jié)合的射電天文望遠鏡，其特征在于，包括球面反射面，用于通過反射匯聚入射的平面波；相位陣饋源安裝在饋源支撐系統(tǒng)上，用于接收球面反射面匯聚的電磁波并將接收信號發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端；數(shù)據(jù)處理終端用于相位陣饋源的校準以及對接收信號進行數(shù)據(jù)處理所需的計算與數(shù)據(jù)存儲。本發(fā)明中球面反射面選取FAST的中性面，PAF選取尺寸約10米*10米、7225個饋電單元組成、每個饋電單元在56.4度的照明錐消為4.4dB、單元間距為12厘米時，得到的效率高于FAST使用單波束的效率。并且上述方案可以獲得2*2平方度的視場，大于FAST目前的瞬時視場。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于射電天文望遠鏡技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種射電天文望遠鏡，具體為一種利用大口徑球面反射面和相位陣饋源相結(jié)合來達到高靈敏度和大視場的射電天文望遠鏡。

背景技術(shù)

自上世紀三十年代射電天文誕生以來，射電天文望遠鏡一直在靈敏度和分辨率兩個方向的性能上進行不斷的突破。在分辨率方面，射電天文的甚長基線干涉陣(Very LongBaseline Interferometry-VLBI)的分辨率是各類天文觀測中最高的。其最長基線由于空間天線的加入已經(jīng)突破了地球的直徑。在靈敏度方面，目前口徑最大的單天線望遠鏡是我國的五百米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radioTelescope-FAST)，口徑為500米，觀測時口徑300米內(nèi)的部分變形為拋物面。緊隨其后的是美國的Arecibo射電望遠鏡，其主反射面是球面，使用線饋或二次及三次反射面改正球差來觀測，有效口徑約為220米。通過大量的小口徑望遠鏡組陣也是獲得大的接收面積的一個技術(shù)方向，如目前國際上正在推進的平方公里陣(Square Kilometer Array-SKA)項目，即采用上千面口徑15米的天線組陣，以獲得平方公里量級的接收面積。

與陣列望遠鏡相比，大口徑射電望遠鏡的優(yōu)勢在于其原始靈敏度(rawsensitivity)，而陣列望遠鏡需要大量的校準工作來保證各單元天線接收到的信號的相干性。因此大口徑射電望遠鏡在發(fā)現(xiàn)天文新現(xiàn)象上具有優(yōu)勢，這也是我國建設(shè)FAST的主要原因之一。

射電天文大口徑反射面望遠鏡的主反射面一般都采用拋物面，以對來自遙遠天體的入射的平面波進行有效聚焦。目前采用拋物面反射面的最大的全可動望遠鏡為美國NRAO的Green Band Telescope(GBT)和德國MPIfR的Effelsberg望遠鏡，其反射面口徑為100米。

Arecibo的主反射面是球面，觀測有兩種模式，一種使用線饋對球反射面直接饋電；另一種使用二次及三次反射面對球差進行改正，使用點焦饋源進行饋電。線饋主要在低頻波段觀測，帶寬較窄。使用二次及三次反射面對球差進行改正的模式中，偏焦方向散焦效應(yīng)比同等口徑的拋物面天線更加劇烈，使得Arecibo的視場受到一定的限制。Arecibo的線饋和二次及三次反射面改正系統(tǒng)使用一個近千噸的饋源支撐平臺，這個平臺對電磁波的散射使得Arecibo難以進行高靈敏度的譜線觀測。

FAST在觀測時實際上使用的是拋物面作為主反射面，500米口徑的球面反射面的300米口徑的主要照明區(qū)域主動變形為瞬時拋物面。并且由于變形拋物面外圍的球面反射面對地面噪聲有很好的屏蔽作用，使得FAST的靈敏度比同樣口徑的拋物面望遠鏡相比會更高。FAST的主動反射面變形需要通過2000多個促動器來實現(xiàn)。對2000多個促動器的實時控制和長時間可靠運行，和FAST反射面主索網(wǎng)在主動變形中的安全運行等非常具有挑戰(zhàn)性。

相位陣饋源(Phased Array Feed-PAF)是在反射面天線焦平面緊密排布饋電單元，通過對各個饋電單元接收的信號進行加權(quán)求和進行波束合成，以對反射面匯聚的電磁波進行多種模式接收的技術(shù)。目前，PAF的研究主要集中于在拋物面天線上的使用。在拋物面天線上已有成功的例子，并且國際上正在開展制冷PAF的研究，以期大幅提高大口徑拋物面射電望遠鏡的性能。

發(fā)明內(nèi)容