射电望远镜是怎样测距的(射电望远镜科普系列之二)

大家首先需要知道望远镜的灵敏度是到底什么,怎么理解这个概念呢?,我来为大家讲解一下关于射电望远镜是怎样测距的?跟着小编一起来看一看吧!

射电望远镜是怎样测距的(射电望远镜科普系列之二)

射电望远镜是怎样测距的

大家首先需要知道望远镜的灵敏度是到底什么,怎么理解这个概念呢?

对于望远镜,灵敏度是指望远镜接收微弱信号的能力,也是就是说,望远镜接收的信号越微弱,能接收到来越远的宇宙信号,它的灵敏度就越高。再看一个更容易理解的例子,我们日常生活中所用的尺子,它能够测量的最小长度为1毫米,尺子的灵敏度可以理解为是1毫米,比1毫米更短的尺寸,它是无法测量的。而望远镜的灵敏度是辨别最小信号大小的能力。

实际上,影响望远镜灵敏度的因素很多,这里介绍下主要的影响因素。包括望远镜的接收面积、装备的接收机的系统噪声、数据处理设备(专业术语称为天文数字终端,英文为Backend)采用的处理方法,以及望远镜所处的环境噪声(主要指无线电环境)。

第一, 通过更大的接收面积提高灵敏度

望远镜通过它的"锅"将无线电信号进行汇集和放大,原理就像我们小时候玩的放大镜,放大镜将太阳光汇集,那个小亮点就是放大镜的焦点,焦点处的能量最高,可以把火柴点着。望远镜也是采用这里原理,将无线电信号汇集到“锅”的焦点,这样就可以将弱信号放大很多倍。

下图公式中G为信号的放大倍数,At为望远镜的接收面积。面积越大,望远镜对信号的放大能力也就越强,我们就能接收到更加微弱的信号。也可以说,“锅”的直径越大,面积也就越大,灵敏度也就越高。所以,科学家才会追求更大口径的射电望远镜。

公式中的其它两个变量是效率η和波长λ,若是望远镜变形了,那么它的效率也就降低了,意味着望远镜的灵敏度也就降低了;另外波长也可以理解为望远镜接收信号的长度,这里的信号是电磁波,也可以说,望远镜观测不同波长的信号时,它的灵敏度是不一样的。

目前,国内外建设的射电望远镜直径达到上百米,甚至到了500米,如我国建成并投入使用的天眼FAST,它直径达到了500米,其他领域你再也找不到这么大的“锅”了。望远镜极其夸张的灵敏度就是要靠它夸张的接收面积实现的。

第二, 通过装备制冷接收机提高灵敏度

技术人员研发的制冷接收机安装在“锅”的焦点处,进一步处理“锅”放大后的信号。实际上,射电望远镜上装备的接收机很有意思,你可能没有听说过它的神奇之处,望远镜的灵敏度主要靠这个设备了。这里介绍的接收机和民用、军用的接收机是不一样的,当然原理是一样的。最大的区别是射电天文领域研制的接收机采用了制冷技术,也就是让接收机中的核心的微波器件(馈源、放大器、极化器等)在70K的温度下工作。

这里的K是开尔文(Kelvins),K=273.15 t(℃),计算可知,70K是零下203度,创造这个低温环境可是不容易的,而且这个温度还要非常稳定;我们都知道,家里冰箱的冷冻温度也就零下30度。

为什么要让核心器件在低温环境下工作呢?最主要的目的是提高接收机系统的灵敏度。为更好地理解低温工作的好处,这里需要引入热噪声这个概念。

热噪声是最基本的一种噪声,是无处不在的。在绝对零度(-273摄氏度)以上,所有电子器件都会产生热噪声。而温度越低的情况下,电子器件的热噪声也就越小,这样来自天体的微弱信号就不会埋没在噪声里了。

接收机用于处理“锅”放大后的信号,它的灵敏度最大限度地提高,就是进一步提高望远镜的灵敏度。所以,望远镜的灵敏度是远远高于军用、民用雷达的,也是商用频谱仪无法比拟的,因为这些接收机在室温状态下工作。

实际上,目前应用的制冷接收机已经接近了量子噪声,技术水平已经达到了极致,已经无法突破了。可以看到,正是因为望远镜装备了能在零下203度环境下工作的接收机,进一步将望远镜的灵敏度推向顶点。

第三,特殊的数据处理方法进一步提高灵敏度

制冷接收机的处理后的信号下一步将达到天文数据处理终端,这个环节如何提高数据的质量,科学家当然不会放过。通常情况下,科学家可以根据观测模式记录原始数据,初始数据时间分辨率很高,这里所说的时间分辨率,指获取每组数据需要的时间,比如每50微秒记录一组数据,时间分辨率就是50微秒。

在射电天文领域,国内外科学家均采用数据积分的方法来处理数据,并用积分时间描述数据的质量,主要目的是为了提高信噪比,也就是降低噪声,噪声低了,弱信号就能更好的辨别了,望远镜的灵敏度也就提高了。积分时间这个专业术语对于其他领域的人来说,不太容易理解。

为更好地理解积分时间这个概念,还是需要引入噪声这个概念。所有射频通信链路中器件都是有噪声的,包括数字电路。一般情况下,这些噪声近似服从高斯分布,也可以说是随机的。而对于随机的信号,多组的噪声数据进行平均后,噪声也就降低了,我们从下图可以看出,100组数据进行平均后,相对于10组和1组,噪声变得更加平稳,幅度也降得更低了。而我们观测的天体信号的固定不变的,这样,就能辨别更小的信号了。

可以看到,科学家在数据处理环节也在想办法提高数据的质量,部分环节是在数据处理终端的这个硬件层面自动完成的,也可以说,科学家通过观测方法进一步提高灵敏度

第四, 通过优良的无线电环境提高灵敏度

无线电环境对望远镜观测产生怎样的影响呢?

这里,还需要用到前面介绍到的噪声概念。望远镜工作时可以接收到科学家关心的天体信号外,除此之外,还可以接收到宇宙背景噪声、环境中无线电噪声。

对于实际情况,环境中的无线噪声影响最大,这里所说的无线电噪声包括各类地面、空间无线电信号,如我们熟知的移动通信信号、广播电视信号、卫星导航等,还包括望远镜系统内部电子设备的辐射发射噪声。也就是说,若是望远镜周围的无线电环境不理想,望远镜就会接收到很多无用的噪声信号,那么,宇宙中微弱的天体信号就可能埋没在这些噪声之中,望远镜的灵敏度也就降低了。

为提高望远镜观测数据的质量,良好的无线电环境也是科学家看重的。所以,知名的射电天文台站都会尝试建立无线电宁静区(如中国天眼FAST),限制周围无线电装置的建设,如通信基站等。

FAST无线电宁静区

望远镜运行时,还需要针对各类无线电设备进行管制,如手机、相机、蓝牙、WiFi、智能穿戴等;也需要对台址的各类电子设备进行电磁屏蔽,减少它们的辐射强度,进而保护望远镜的无线电环境。

禁用无线电设备

所以,想要做好的科学,出好的成果,科学家需要从各个层面做出努力,提高设备的灵敏度,提高设备的质量,服务与我国的天文事业。

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