原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025年第5期《中國天眼工程升級計(jì)劃—FAST核心陣設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究》

FAST作為世界頂級射電望遠(yuǎn)鏡，雖在諸多方向取得重要成果，但它的局限性也日益顯現(xiàn)。FAST二期工程概念的提出，旨在發(fā)展低成本、快速實(shí)施的陣列升級方案。FAST二期工程不僅提升了靈敏度，還將增強(qiáng)高分辨率成像能力，顯著推進(jìn)時(shí)域天文、遙遠(yuǎn)星系中性氫探測、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)、暗能量等前沿研究。《科技導(dǎo)報(bào)》邀請中國科學(xué)院等單位的研究人員解讀FAST核心陣設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)，讓我們跟隨作者一睹中國天眼工程升級計(jì)劃。

射電天文學(xué)始于20世紀(jì)30年代初，在過去的90年里為人類天文學(xué)的發(fā)展作出了諸多重要貢獻(xiàn)。然而，中國的射電天文事業(yè)起步較晚，直到新中國成立后才逐步發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國家綜合國力的提升，中國射電天文學(xué)迎來了快速發(fā)展的新時(shí)期，陸續(xù)建成了一批現(xiàn)代化設(shè)備，研究領(lǐng)域涵蓋各學(xué)科天文課題。為進(jìn)一步推動中國射電天文學(xué)的發(fā)展，國家發(fā)改委于2007年正式批復(fù)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST）項(xiàng)目，并于2016年9月竣工。作為全球最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST的建成不僅標(biāo)志著中國在這一領(lǐng)域的重大技術(shù)突破，也為未來10年內(nèi)趕超國際領(lǐng)先水平提供了寶貴機(jī)遇。

當(dāng)前，國際射電天文學(xué)的發(fā)展正朝著更高的空間分辨率、更精細(xì)的譜線分辨率以及更高的靈敏度方向推進(jìn)，以便探測到更暗弱、遙遠(yuǎn)的天體。雖然FAST在靈敏度上已領(lǐng)先于其他百米口徑射電望遠(yuǎn)鏡，然而單口徑望遠(yuǎn)鏡的固有局限在分辨率和成像能力方面難以突破，這已成為制約中國在射電時(shí)域天文學(xué)、宇宙成分與演化研究以及引力波探測等前沿領(lǐng)域取得進(jìn)一步突破的瓶頸。

目前，全世界主要厘米波射電干涉陣列如表1所示。國際大科學(xué)計(jì)劃如平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（Square Kilometre Array，SKA）和下一代甚大陣列（Next Generation Very Large Array，ngVLA）相繼啟動，并計(jì)劃于2029年和2035年分別完成其第一階段的建設(shè)任務(wù)。SKA1的靈敏度預(yù)計(jì)將達(dá)到1560 m2/K，而ngVLA的靈敏度預(yù)計(jì)將達(dá)到3014 m2/K，這對FAST的性能優(yōu)勢提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

表1 世界上主要綜合口徑射電厘米波干涉陣列

面對日益激烈的國際競爭，提出FAST二期工程，通過建設(shè)FAST核心陣進(jìn)一步升級FAST以提升其分辨率和成像能力（圖1），使中國在射電天文學(xué)領(lǐng)域長期保持國際領(lǐng)先地位。

圖1 FAST核心陣效果

01

FAST工程二期科學(xué)需求

FAST工程二期的目標(biāo)是建設(shè)基于FAST的射電干涉陣列（FAST核心陣），以提升現(xiàn)有的空間分辨率和成像能力，保持其在靈敏度方面的國際領(lǐng)先地位。具體科學(xué)目標(biāo)為：1）宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與HI巡天；2）星系動力學(xué)與星系演化；3）脈沖星研究；4）FRB探測；5）星際介質(zhì)探索；6）AGN與黑洞研究；7）生命起源與地外文明探索。

02

總體建設(shè)方案

2.1 建設(shè)目標(biāo)

FAST工程二期的總體建設(shè)目標(biāo)是到2030年，在FAST周邊30 km范圍內(nèi)建成由64臺40 m口徑天線組成的大型干涉陣列，從而大幅提升FAST的綜合性能，超越國際SKA項(xiàng)目和美國ngVLA項(xiàng)目的觀測能力，確保中國在低頻（厘米波段）射電領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

2.2 技術(shù)方案

FAST工程二期項(xiàng)目將采用40 m口徑望遠(yuǎn)鏡組陣，主要基于2個(gè)關(guān)鍵因素。首先，40 m口徑望遠(yuǎn)鏡與FAST的19波束饋源具有理想的視場匹配，適合組陣配置。為維持FAST的靈敏度水平（2600m2/K），計(jì)算結(jié)果顯示，不同口徑望遠(yuǎn)鏡與FAST組陣所需的天線數(shù)量各不相同。如圖2所示，靈敏度曲線顯示，為保持FAST的超高靈敏度優(yōu)勢，100 m口徑望遠(yuǎn)鏡需要4臺，60 m口徑需要15臺，40 m口徑需要至少24臺，30 m口徑則需至少42臺。這意味著該綜合陣列將擁有與FAST相當(dāng)?shù)奶綔y致密射電源的能力，能夠進(jìn)行精確定位，確保不會錯(cuò)失重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

圖2 陣列靈敏度與天線數(shù)量及口徑的關(guān)系

其次，成本效益是另一個(gè)主要考慮因素。當(dāng)口徑超過40 m時(shí)，單位面積成本呈顯著增長。因此，30 m或40 m望遠(yuǎn)鏡是與FAST組陣的最經(jīng)濟(jì)選擇，其中40 m口徑望遠(yuǎn)鏡的單位面積成本相對較低（圖3）。

圖3 不同口徑天線的單位面積成本對比

項(xiàng)目計(jì)劃于2027年前完成24臺40 m口徑望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)，并將率先實(shí)現(xiàn)與FAST組陣觀測。這些望遠(yuǎn)鏡將分布在5 km半徑范圍內(nèi)，最大基線長度為10 km。在1.4 GHz頻率下，該陣列可實(shí)現(xiàn)約5”的成像分辨率，提升FAST當(dāng)前分辨率33倍。

到2030年，項(xiàng)目計(jì)劃再完成40臺40 m口徑望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)，擴(kuò)展至FAST周邊30 km半徑。隨著天線數(shù)量的增加，陣列的UV覆蓋和靈敏度將進(jìn)一步提升，靈敏度將達(dá)到6000m2/K。屆時(shí)，將完成FAST二期陣列的升級，并與國內(nèi)其他大口徑射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步融合，形成全國中低頻甚長基線干涉測量網(wǎng)（Verylong-baseline interferometry，VLBI網(wǎng)）。該網(wǎng)絡(luò)的角分辨率將達(dá)到15 mas，成為全球領(lǐng)先的中低頻射電觀測網(wǎng)絡(luò)。FAST核心陣各建設(shè)階段時(shí)間節(jié)點(diǎn)、性能與國際前沿干涉陣列對比見表2。

表2 干涉陣列性能對比

03

FAST核心陣選址

貴州省黔南州FAST周邊30 km范圍內(nèi)，即FAST電磁波環(huán)境保護(hù)區(qū)。在此區(qū)域建設(shè)陣列望遠(yuǎn)鏡既不影響地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又能充分利用優(yōu)良的臺址環(huán)境，還能發(fā)揮FAST的靈敏度優(yōu)勢，可謂一舉三得。

圖4 FAST核心陣5 km內(nèi)備選點(diǎn)位分布

望遠(yuǎn)鏡選址需在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)通過地形測繪和地質(zhì)要素考察及勘測等開展地學(xué)綜合分析，篩選出具備建設(shè)、施工條件的備選點(diǎn)位。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行電磁環(huán)境監(jiān)測，確定符合射電觀測條件的優(yōu)選臺址。目前FAST臺址5 km范圍內(nèi)的備選臺址的點(diǎn)位分布和地理信息見圖4。圖5~圖8分別給出其中白龍臺址和白馬臺址的電磁環(huán)境測試及結(jié)果。可見，在FAST電磁環(huán)境保護(hù)區(qū)內(nèi)中低頻射電觀測條件優(yōu)質(zhì)，符合預(yù)期。

圖5 白龍臺址的電磁環(huán)境測試

圖6 白馬臺址的測試

圖7 白龍臺址正南方向1~3 GHz電磁環(huán)境測試

圖8 白馬臺址正南方向1~3 GHz電磁環(huán)境測試

04

關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 40 m口徑望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)及建造

40 m天線主要由天饋分系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)3部分組成（圖9）。天線工作時(shí)，射電信號由主反射面反射后匯集到焦點(diǎn)，能量經(jīng)位于焦點(diǎn)的饋源進(jìn)入低噪聲放大器（lownoise amplifier，LNA）并放大送至后端設(shè)備。天線運(yùn)動性能指標(biāo)見表3。40 m望遠(yuǎn)鏡全口徑工作頻率不低于5 GHz，反射面中心區(qū)域22 m為實(shí)心面板，這部分工作頻率不低于20 GHz（圖9），實(shí)現(xiàn)一些高頻譜線觀測的科學(xué)需求。

圖9 40 m天線結(jié)構(gòu)示意

表3 40 m天線運(yùn)動性能指標(biāo)

4.2 混合陣列數(shù)據(jù)處理與非均勻口徑成像

FAST核心陣是一個(gè)由口徑巨大的FAST天線和一批口徑較小天線組成的混合陣列。混合陣列的優(yōu)勢：一方面是使用FAST的大口徑反射面可以顯著提高接收面積和靈敏度；另一方面采用多個(gè)中小型天線與之組陣，可以在維持較低成本情況下提高角分辨率，實(shí)現(xiàn)更好的UV采樣，降低合成波束旁瓣，改善成圖質(zhì)量。在對混合陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，需對傳統(tǒng)均勻口徑干涉陣列成像算法進(jìn)行修正。針對不同科學(xué)目標(biāo)的實(shí)際需求，基于混合陣的干涉成圖處理算法將是FAST二期工程的必要關(guān)鍵技術(shù)之一。此外，F(xiàn)AST核心陣早期將使用FAST 19波束接收機(jī)加入干涉組網(wǎng)，未來相位陣饋源（phased arrayfeed，PAF）接收機(jī)研制完成后，將替代多波束加入干涉陣列。為此，基于FAST多波束的混合陣列數(shù)據(jù)相關(guān)處理、波束合成及成像算法也是FAST二期的重要建設(shè)任務(wù)之一。

綜上所述，通過對混合陣列相關(guān)問題的研究，包括理論分析、仿真模擬，以及使用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)FAST二期的關(guān)鍵技術(shù)突破，可大大增加未來射電陣列的設(shè)計(jì)選擇，根據(jù)科學(xué)需求、天線結(jié)構(gòu)、電子設(shè)備、站址和輔助設(shè)施的不同成本和要求，進(jìn)行更靈活的設(shè)置，使中國在中低頻射電天文學(xué)方面保持國際領(lǐng)先地位。

4.3 高性能常溫接收機(jī)

出于成本的考量，在綜合孔徑陣列中不宜像單體大口徑望遠(yuǎn)鏡一樣不惜成本提升接收機(jī)性能。另外，陣列望遠(yuǎn)鏡分布有一定的距離，維護(hù)工作難度同樣顯著增加，故提高接收機(jī)系統(tǒng)的可靠性對陣列望遠(yuǎn)鏡后期維護(hù)成本有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。相比于傳統(tǒng)的制冷接收機(jī)技術(shù)，常溫接收機(jī)系統(tǒng)因不需要制冷措施，系統(tǒng)的復(fù)雜程度得到大幅降低，故在成本及可靠性方面有絕對的優(yōu)勢。還存在以下幾個(gè)問題需要解決：（1）目前高性能低噪聲放大器晶體管主要依賴進(jìn)口，不排除未來完全禁運(yùn)的可能；（2）目前國際上先進(jìn)的常溫低噪聲放大器在噪聲方面已經(jīng)接近傳統(tǒng)制冷低噪聲放大器的水平，但在工作帶寬上還存在較明顯差距。基于FAST二期的需求針對上述問題開展高性能常溫接收機(jī)系統(tǒng)的研究，具體工作包括：（1）利用新興的磷化銦基底材料研制國產(chǎn)化晶體管及低噪聲放大器，其中放大器噪聲溫度須低至7 K左右，工作帶寬須達(dá)到3倍帶寬，解決關(guān)鍵器件依賴進(jìn)口的問題；（2）創(chuàng)新性地采用饋源和放大器一體化設(shè)計(jì)進(jìn)一步減少插入損耗，保證接收機(jī)的系統(tǒng)溫度可以控制在25 K左右，最終研制完成具有國際領(lǐng)先性能的常溫低噪聲接收機(jī)及配套技術(shù)。

4.4 實(shí)驗(yàn)陣列樣機(jī)數(shù)據(jù)鏈路及相關(guān)數(shù)據(jù)中心

將在望遠(yuǎn)鏡陣列各站建設(shè)配套屏蔽機(jī)房，機(jī)房內(nèi)安裝望遠(yuǎn)鏡本地控制單元、時(shí)頻單元、接收機(jī)數(shù)字終端等。陣列單元安裝工作頻率、噪聲溫度等性能完全一致的接收機(jī)，各站接收機(jī)觀測信號通過光纖首先進(jìn)入本地?cái)?shù)字后端，在本地完成數(shù)字化，數(shù)字信號由光纜傳輸?shù)酵h(yuǎn)鏡陣列相關(guān)中心。數(shù)字信號相比模擬信號，在傳輸過程中具有更強(qiáng)的抗干擾能力，并且數(shù)字信號將在天線本地標(biāo)記時(shí)間戳后再傳輸，避免長距離光纖傳輸帶來的相位誤差，各站觀測數(shù)據(jù)在相關(guān)處理中心完成相關(guān)處理后進(jìn)行存儲，如圖10所示。相關(guān)處理服務(wù)器是望遠(yuǎn)鏡陣列的核心數(shù)據(jù)處理設(shè)備，陣列中的每臺天線都會產(chǎn)生基帶數(shù)據(jù)流，為了實(shí)時(shí)處理這些高速數(shù)據(jù)流，需要搭建專用的硬件相關(guān)處理機(jī)。

圖10 FAST核心陣的數(shù)據(jù)后端設(shè)計(jì)

05

總結(jié)及展望

FAST工程二期升級，將使中國在射電天文學(xué)領(lǐng)域邁入一個(gè)新的發(fā)展階段。通過建設(shè)以40 m口徑望遠(yuǎn)鏡為單元的高靈敏度、大規(guī)模干涉陣列，它不僅可以保持FAST現(xiàn)有的高靈敏度水平，還能夠極大提升其空間分辨率和觀測能力，形成一個(gè)具備國際競爭力的中低頻射電觀測平臺。首先，F(xiàn)AST核心陣第一階段的建成將顯著提升中國在射電天文領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)現(xiàn)潛力。其次，F(xiàn)AST二期工程不僅將滿足當(dāng)前科學(xué)研究的需求，還為未來的低頻射電天文學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。FAST核心陣的建設(shè)還將為中國在射電天文設(shè)備研發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新及國際合作中帶來深遠(yuǎn)影響。

總之，F(xiàn)AST二期項(xiàng)目的建設(shè)與發(fā)展，將不僅滿足中國在射電天文領(lǐng)域的前沿科學(xué)需求，還將在全球射電天文學(xué)的技術(shù)與研究領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。未來，項(xiàng)目將為推動中國從“天文大國”向“天文強(qiáng)國”的轉(zhuǎn)變做出積極貢獻(xiàn)，并引領(lǐng)國際低頻深度射電天文研究的前沿方向。

本文作者：姜鵬、劉彬、于東俊、甘恒謙、陳如榮、朱煒瑋、錢磊、孫京海、李輝、潘高峰、朱博勤、柴曉明、朱巖、李楠、胡浩

作者簡介：姜鵬，中國科學(xué)院國家天文臺，貴州大學(xué)，貴州射電天文臺，研究員，研究方向?yàn)樯潆娞煳募夹g(shù)與方法。

文章來源：姜鵬, 劉彬, 于東俊, 甘恒謙, 陳如榮, 朱煒瑋, 錢磊, 孫京海, 李輝, 潘高峰, 朱博勤, 柴曉明, 朱巖, 李楠, 胡浩. 中國天眼工程升級計(jì)劃—FAST核心陣設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2025, 43(5): 55-63 .

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