[发明专利]大口径球面反射面与相位阵馈源相结合的射电天文望远镜

说明书

本发明公开了一种大口径球面反射面与相位阵馈源相结合的射电天文望远镜，其特征在于，包括球面反射面，用于通过反射汇聚入射的平面波；相位阵馈源安装在馈源支撑系统上，用于接收球面反射面汇聚的电磁波并将接收信号发送给数据处理终端；数据处理终端用于相位阵馈源的校准以及对接收信号进行数据处理所需的计算与数据存储。本发明中球面反射面选取FAST的中性面，PAF选取尺寸约10米*10米、7225个馈电单元组成、每个馈电单元在56.4度的照明锥消为4.4dB、单元间距为12厘米时，得到的效率高于FAST使用单波束的效率。并且上述方案可以获得2*2平方度的视场，大于FAST目前的瞬时视场。

技术领域

本发明属于射电天文望远镜技术领域，涉及一种射电天文望远镜，具体为一种利用大口径球面反射面和相位阵馈源相结合来达到高灵敏度和大视场的射电天文望远镜。

背景技术

自上世纪三十年代射电天文诞生以来，射电天文望远镜一直在灵敏度和分辨率两个方向的性能上进行不断的突破。在分辨率方面，射电天文的甚长基线干涉阵(Very LongBaseline Interferometry-VLBI)的分辨率是各类天文观测中最高的。其最长基线由于空间天线的加入已经突破了地球的直径。在灵敏度方面，目前口径最大的单天线望远镜是我国的五百米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radioTelescope-FAST)，口径为500米，观测时口径300米内的部分变形为抛物面。紧随其后的是美国的Arecibo射电望远镜，其主反射面是球面，使用线馈或二次及三次反射面改正球差来观测，有效口径约为220米。通过大量的小口径望远镜组阵也是获得大的接收面积的一个技术方向，如目前国际上正在推进的平方公里阵(Square Kilometer Array-SKA)项目，即采用上千面口径15米的天线组阵，以获得平方公里量级的接收面积。

与阵列望远镜相比，大口径射电望远镜的优势在于其原始灵敏度(rawsensitivity)，而阵列望远镜需要大量的校准工作来保证各单元天线接收到的信号的相干性。因此大口径射电望远镜在发现天文新现象上具有优势，这也是我国建设FAST的主要原因之一。

射电天文大口径反射面望远镜的主反射面一般都采用抛物面，以对来自遥远天体的入射的平面波进行有效聚焦。目前采用抛物面反射面的最大的全可动望远镜为美国NRAO的Green Band Telescope(GBT)和德国MPIfR的Effelsberg望远镜，其反射面口径为100米。

Arecibo的主反射面是球面，观测有两种模式，一种使用线馈对球反射面直接馈电；另一种使用二次及三次反射面对球差进行改正，使用点焦馈源进行馈电。线馈主要在低频波段观测，带宽较窄。使用二次及三次反射面对球差进行改正的模式中，偏焦方向散焦效应比同等口径的抛物面天线更加剧烈，使得Arecibo的视场受到一定的限制。Arecibo的线馈和二次及三次反射面改正系统使用一个近千吨的馈源支撑平台，这个平台对电磁波的散射使得Arecibo难以进行高灵敏度的谱线观测。

FAST在观测时实际上使用的是抛物面作为主反射面，500米口径的球面反射面的300米口径的主要照明区域主动变形为瞬时抛物面。并且由于变形抛物面外围的球面反射面对地面噪声有很好的屏蔽作用，使得FAST的灵敏度比同样口径的抛物面望远镜相比会更高。FAST的主动反射面变形需要通过2000多个促动器来实现。对2000多个促动器的实时控制和长时间可靠运行，和FAST反射面主索网在主动变形中的安全运行等非常具有挑战性。

相位阵馈源(Phased Array Feed-PAF)是在反射面天线焦平面紧密排布馈电单元，通过对各个馈电单元接收的信号进行加权求和进行波束合成，以对反射面汇聚的电磁波进行多种模式接收的技术。目前，PAF的研究主要集中于在抛物面天线上的使用。在抛物面天线上已有成功的例子，并且国际上正在开展制冷PAF的研究，以期大幅提高大口径抛物面射电望远镜的性能。

发明内容