出品：科普中國
製作：蕉葉 千里草
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
近日，FAST望遠鏡主戰裝備之一的19波束接收機完成了地面實驗室測試，已經安裝到望遠鏡上進行下一步調試。比起傳統的單波束接收機，多波束接收機的使用能夠大大提高射電望遠鏡的觀測效率。
那什麼是單波束接收機？什麼又是多波束接收機？它們又有什麼優缺點呢？
（圖源：https://ieeexplore.ieee.org/document/8251424/）
圖1：左圖為FAST 19波束接收機系統整體；右圖為其內部的19個喇叭接收單元。
單波束接收機
大家對射電望遠鏡想必都不陌生，畢竟已經被FAST刷屏好幾次了，不就是一個大鍋嘛~然而，“大鍋”只是望遠鏡的一部分，它只相當於照相機的鏡頭，負責將電磁波匯聚到焦平面處。但要把匯聚到焦平面的電磁波進一步接收下來並轉變為可供分析的信號，還需要在焦平面處放置接收機。
對於照相機我們知道，其焦平面處會有一塊含有多個感光元件的芯片。而對於射電望遠鏡來說，接收機就是其所使用的感光元件。接收機的尺寸往往很大，以至於望遠鏡焦平面處只能放置少數甚至只能放置一套接收機。而即使放置了多個接收機，使用的時候往往也只能使用其中一個。這種單次單個使用的接收機，使得望遠鏡每次觀測只有一個波束對準天空，也就是隻能拍攝到天空上一個像素點的信息，因此我們稱之為“
單波束接收機”。
圖2：新疆天文臺南山觀測基地26米射電望遠鏡。
圖片放大部分是其焦平面上放置的多套接收機，每次觀測只用其中一套接收機。
接收機的尺寸和觀測波長一般成正比關係，也就是說觀測波長越長，所使用的接收機尺寸就會越大。一個接收機能有多大？來張照片你們體會一下。
圖3：筆者之一在上海天文臺天馬65米射電望遠鏡焦平面處與某兩個接收機局部（左側白色錐體，專業上叫喇叭天線）的合影。注意這只是接收機露在艙體外面的一部分而已。
多波束接收機
多波束接收機，顧名思義就是由同時工作的多個接收機組成的接收機套裝，它可以在一次觀測中產生多個波束對準天空，從而可以得到多個像素點上面提到，接收機的大小和觀測波長成正比，因此射電天文的接收機有可能會很大。這就帶來一個問題，望遠鏡焦平面的空間是有限的，為了放置更多的接收機，必須將每個單元儘量做小，而且在放置的時候需要更加緊湊。
為什麼多波束接收機必須緊湊排布呢？我們用小孔成像來做一個簡單示意。
圖4：小孔成像示意圖
相信很多人都知道，當一個光源發出的光穿過一個小孔後，可以在白屏上看到光源的成像。我們用多根點燃的蠟燭模擬多顆星星，它們的光穿過小孔（相當於射電望遠鏡的“大鍋”）之後，會在白屏（相當於我們前面說的焦平面）上成像。我們會發現，白屏中間成像是最明亮的（即中間那顆蠟燭S3所成的像M3）。
單波束接收機相當於被放在焦平面中間，只去接收那個最亮的信號；而多波束接收機相當於在焦平面中間附近再放置幾個接收機單元，把稍微闇弱點的信號也同時接收了。這就出現一個問題，如果離焦平面中心太遠的話，信號會變得過於弱。工程上通常認為，光的強度下降超過20%就不可用了。所以多波束接收機的多個單元必須緊湊排布。
由此我們可以知道，對於多波束而言，比如FAST的19波束，其中間波束的“感光能力”是最好的。而越靠外圍的波束，“感光能力”必然就越差。注意，這並不是說19波束越靠外的接收單元質量越差，而應該理解為是光在焦平面上的分佈不均勻導致的。
圖5：以顏色深淺表示亮度，並假設本來天空為均勻的大紅色。當我們用19波束去看天空時卻會得到這樣一個觀測結果：中間是最亮的（即，大紅色），離中間越遠的天空越暗（逐漸淡化至粉色）。這是外圍的接收單元“感光能力”下降帶來的假象，可以通過適當的方法修正。
然而，縮小每個接收單元的橫向尺寸，使單元之間更為緊密，這對工程師們來說是個不小的挑戰。要知道，射電波段電磁波的波長遠遠大於光波波長，所以射電波段的接收機尺寸普遍要做得較大，才能較好地將射電信號“收入囊中”。工程師們往往需要藉助特殊材料才能略微縮小接收單元的橫向尺寸，甚至還要犧牲部分性能。
由於這種技術上的難度，目前國際上用於射電天文觀測的多波束系統很有限。圖6中展示了幾個比較有名的國外多波束接收機。其中，澳大利亞Parkes望遠鏡上的多波束接收機和美國300米口徑Arecibo望遠鏡所用的7波束接收機都由澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）製造。我們也有國產多波束接收機，比如紫金山天文臺在毫米波段研製的9波束接收機，目前正裝備在青海德令哈13.7米毫米波望遠鏡上使用；還有上海天文臺為天馬射電望遠鏡研製的1.3釐米波段和0.7釐米波段的雙波束接收機。
圖6：世界各個望遠鏡使用的部分多波束接收機。從上到下，從左到右，依次是：英國lovell望遠鏡4波束接收機、德國Effelsberg望遠鏡7波束接收機、美國Arecibo望遠鏡7波束接收機、意大利Sardinia望遠鏡7波束接收機、澳大利亞Parkes望遠鏡7波束和13波束接收機、上海天文臺天馬望遠鏡1.3釐米波段雙波束接收機，和紫金山天文臺9波束接收機。（圖片由公開信息彙總製作而成）
目前調試中的FAST 19波束接收機，也是出自澳大利亞CSIRO之手。這套接收機觀測波長大約為24釐米，整體直徑超過1.5米，總重量達到1.2噸，可謂是個大傢伙了。
19波束接收機：影分身之術
前面我們做過比喻，說單波束接收機相當於照相機底片上的一個感光元件。這意味著，如果望遠鏡用單波束接收機對天空進行“拍照”，一次只能得到一個像素點的信息。如果要觀測一整片天空，那就只能移動望遠鏡，一個像素點一個像素點地慢慢觀測。那裝備了19波束接收機之後，我們是不是就能像照相一樣，觀測一次就能得到一張連續的照片呢？
事情並沒有那麼簡單！
19波束接收機的使用，確實讓FAST可以同時觀測得到多個像素點的信息。但與照相機不同，射電接收機單元受限於尺寸和相互之間的影響沒法靠得太近，因此其觀測到的多個“像素點”是不連續的！儘管如此，工程師巧妙地設計，使相鄰波束間（中心點之間的距離）剛好差兩個波束的距離（注意，這裡的是說波束，而不是接收單元），這樣只要使用19波束接收機進行4次觀測，FAST就能得到一小塊天區的連續“照片”。這樣一張照片，若使用同樣性能參數的單波束接收機來拍攝，需要觀測19×4=76次！來一張動圖瞭解下19波束如何通過4次觀測實現“拍照”功能：
圖8：帶顏色的小圓表示19波束接收機觀測的19個天空位置（波束）。不同顏色表示不同時間的觀測。依次通過“紅-橙-黃-綠”四次觀測，便能得到連續的圖像了。
除了移動望遠鏡，還有一種巧妙的方式。只要調整好19個波束對準的天空位置，然後固定望遠鏡不動，讓天體隨著東昇西落自己掃過望遠鏡的19個波束，就實現了對一片特定區域的連續觀測。當然，嫌棄天體東昇西落速度太快或太慢，也可以自己控制望遠鏡做類似的掃描移動。這是什麼感覺？就像大家用手機全景模式拍照有沒有？！再來張動圖感受一下。
圖9：紅色小圓表示19波束當前觀測的天空位置，黃色區域表示已經觀測過的。隨著19波束和天空相對位置的移動，黃色區域最終連成片。
細心的讀者也許已經發現了，19波束接收機這兩種“拍照”方式，其得到的“照片”分辨率是不一樣的。使用第二種方式的話，相鄰像素點會有一半的區域重疊，這對天文學家來說是一種更好的像素分佈情況。
多波束接收機一定比單波束好嗎？尺有所短，寸有所短
它們各有優劣，適合的觀測場景不同。
然而19波束並不在乎，它的優勢在於可使FAST的“拍照”速度大大加快，提高望遠鏡“巡視”一片天區的速度。假設未知的脈衝星在天空中是均勻分佈的，那多波束就能成倍地提高FAST查找未知脈衝星的效率。這種快速拍照的功能，在其他諸如中性氫譜線觀測中，也是比單波束要厲害到不知道哪裡去的。
19波束的影分身之術能給我們帶來多少驚喜呢？讓我們拭目以待吧！
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