500米口径球面射电望远镜工程(FAST工程)

接收机与终端


    装置在馈源舱中的馈源和接收机,接收主反射面汇聚在瞬时抛物面焦点的电磁波,经过放大、混频等处理传至地面观测室科学终端,供用户使用。它主要包括馈源和低噪音接收机,制冷机,中频数据传输和数据处理后端。同时还包括时间频率标准和接收机监测及诊断系统。
系统的功能
    馈源和接收机系统的功能是完成对主反射面汇聚电磁波的接收,低噪音放大、频段选择、混频,将中频传输至地面观测室并进行相应的数据处理和存储等。
馈源和低噪音接收机
    馈源和低噪音接收机完成电磁波的接收和低噪声放大等任务。进行观测时,将相应波段的馈源移至主反射面焦点,接收汇聚的电磁波。馈源接收到的信号经极化器分解为相互正交的两路偏振信号。这两路信号分别进入后续的低噪音放大器。低噪音放大器在引入尽量小的噪声和不失真的情况下将信号放大到足够的倍数,使后续电路的噪声贡献基本可以被忽略。被放大的信号通过滤波器选择所需的频段。滤波后的信号被后续的射频放大器进一步放大后,经混频器混频,再经低通滤波和中频放大后得到中频信号。各波段的中频信号处于同一频段,使得后续的中频传输和数据处理终端均可通用。为提高巡天效率等,再FAST核心L-波段,采用了19波束多波束馈源。与单馈源望远镜相比,观测效率提高19倍。
制冷机
    制冷系统为接收机前端关键部件提供低温环境。采用氦气GM制冷机结合真空杜瓦获得低温。低噪音前置放大器需要工作在10-20K的低温环境。另外通过降低极化器等的被动微波器件的物理温度,也可以减少损耗引起的噪声。
中频数据传输
    中频数据传输系统完成中频信号从馈源舱到地面观测室的传输。光学连接系统中包括光源、电光调制器和光接收器等主要光学器件。中频数据首先通过电光调制转换为光信号,然后使用光纤将调制后的光信号传输到观测室,光信号在地面观测室通过光电转换还原为中频信号,提供给数据后端进一步处理。
数据处理后端
    数据处理终端将针对不同的科学目标进行相应的数据处理。研制宇宙中性氢、脉冲星消色散、分子谱线多波束终端,VLBI数据记录终端、SETI终端和基于计算机集群的数据记录和处理终端。数据处理将采用数字方式,即通过高速采样和模数转换将电信号转换为数字信号,然后利用高速数字电路进行所需的数据分析和处理。
    多波束中性氢和分子谱线终端将以多相滤波的方式得到观测带宽内数据的能谱,从而进行谱线分析研究;脉冲星消色散终端将以多相滤波和色散延迟补偿的方式进行非相干消色散处理;VLBI终端将采用数字基带转换器和基于硬盘的数据记录终端;SETI终端将在1GHz带宽的数据上以优于1Hz的频率分辨率进行频谱分析。计算机集群数据终端将能够记录宽带信号,强大的计算能力可灵活地进行可以想到的几乎任何方式的数据分析,如可以对脉冲星观测数据或强时变信号进行相干消色散处理,从而以高时间分辨率恢复脉冲信号,如脉冲星的超脉冲现象。另外,这个计算机集群实际上已经构成了一个超级计算机,可用来进行大计算量的数值模拟工作。
    时间频率标准
观测站的时间频率将由GPS时钟和高稳定度的氢钟提供。GPS时钟提供精度10纳秒量级的时间信号。氢钟将提供稳定度大约为10-15的频率标准,接收机的本振、数字后端的采样信号等均锁相在氢钟提供的频率标准信号上。观测信号的时间频率稳定度将取决于氢钟的频率标准的稳定度。
接收机远程监视及诊断
    接收机远程监视及诊断系统完成接收机工作状态监视和故障诊断任务。通过经常往返于悬吊空间140米高的馈源舱和地面之间来监视接收机工作状态是不可想象的,于是采用传感器、记录和通讯装置远程监视接收机的工作参数。接收机远程监视系统监视接收机各部分电路的工作状态;制冷杜瓦内的温度和压力,压缩机的氦气压力;并可以进行接收机噪声温度的测量等。这些参数将有助于对接收机的工作状态和可能的故障进行判断,有利于在馈源舱的定期入港期间高效率地进行接收机系统的维护和故障排除。

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FAST接收机单路信号流程框图