Bo Zhang's Homepage
..The universe is unfolding as it should..

2017-4-29

阿雷西博望远镜聚焦方式考

归档于: 天文空间科学, 仪器设备 @ 3:21 pm

在绝大多数人的认知中,以球面为主反射面,且面型不可调整的阿雷西博望远镜是无法将入射射电波聚焦到一点的,虽然该望远镜的观测首选早已不是馈线,而是与其他天文台的接收机无甚本质区别的馈源喇叭,甚至是更加时髦的相控阵了。那么阿雷西博究竟能否实现真正意义上的聚焦?答案是肯定的,其具体实现方法且听本人慢慢讲来。好吧,若不是近期将ALFALFA巡天的相关文档扒拉了一个底朝天,自己对这个问题的理解可能还是处在一知半解人云亦云的状态,毕竟之前从来没有考虑过这一点……

当然,单纯依靠球面本身是无法进行真正意义上的聚焦的。凹球面只有焦线而无固定焦点,所以在落成后的最初30年间,阿雷西博只能依靠一根长长的馈线接收来自天空的信号,光路差不多就长这个样:

图片来源:Kildal & Skyttemyr (1989)

阿雷西博的馈线正是如今悬挂在焦点平台上的针状物。其实这根东西也经历过好几次的升级换代。最早的实用馈线长40英尺,带有矩形波导,只能接收反射面来自213米区域内的信号。随后为了应对偏振观测的需求,又引入了圆形或正方形的波导。而为了能够用满305米的有效口径,提升望远镜灵敏度和分辨率,上世纪70年代初,在电磁场方位依赖性问题得到解决之后,长96.6英尺的430 MHz馈线问世了,其尺寸是根据天线最外围所反射电磁波的聚焦位置决定的。再后来天文台又以它的设计为蓝本,建成了多台在其他波段工作、能够观测线偏振或圆偏振的馈线。但总的来说,使用馈线采集信号,欧姆衰减大、可观测频段窄,颇为不便。

据亲身体验过的同事称,通往阿雷西博焦点平台的吊桥(catwalk)甚是刺激,恐高者慎入……

上图中,悬挂在三角形焦点平台左侧的长针就是430 MHz馈线的实物,一旁还设有曾用于SETI搜索的1420 MHz短馈线。但是且慢,平台右边的那个半圆形鼓包又是什么东西!实际上,它就是本文要说的主角——能够让入射光线聚焦成一点的格里焦点舱(Gregorian Dome)。

顾名思义,格里焦点舱的光路灵感源于格里望远镜。传统意义上的格里望远镜属于反射式望远镜的一种,历史非常悠久,最早由英国天文学家James Gregory在1663年提出设计方案(此时牛顿的第一架反射式望远镜甚至还没有制成),Robert Hooke在1673年将其变为现实。格里式设计是依靠凹形抛物主镜以及主镜前方的凹形椭圆面副镜聚焦,焦点位于主镜后方,如下图所示:

图片来源:Wikipedia

只是除却都要用到凹面镜之外,阿雷西博的格里焦点舱内部结构已经跟格里望远镜没有太多关系了,因此只能算是广义的格里式光路(也就是完全依靠凹面反射镜聚焦的光路)的一种。舱内的主体是两块凹面改正镜,来自天体的入射光经过球形主反射面改变方向后送入焦点舱,再由次级和第三级改正镜修正,最终汇聚到单一的焦点处。改正镜彼此错开自然是为了减少光路中的遮挡,外加抑制来自主反射面之外的杂波污染;至于舱体外壳的作用,一来要保护其内的改正镜以及接收机前端系统免遭恶劣天气的影响,二来就是双向屏蔽电磁干扰。

图片来源:Kildal & Skyttemyr (1989)

舱内为什么会采用双副镜结构?原因是自上世纪60年代起的一系列分析已经证明,若是只为球面反射镜配备单改正镜,一旦改正镜距离主镜光轴较近,就会不可避免地让主镜的照明口径出现显著的反渐缩现象,这是谁都不希望看到的;而第三副镜的引入就是一种能够有效消减反渐缩的途径。从理论上说,这块反射面的形状选择较为随意,凸凹皆可,只是凹镜对应的机械结构更加紧凑,因此中选。这样整体看来,现今的阿雷西博光路如下所示。虽说当前大气电离层相关的部分研究仍会用到老式馈线,但那终究不是天文观测的主流。

图片来源:Kildal & Skyttemyr (1989)

这个格里式焦点舱的升级方案于1980年开始提上议程(提议者正是大名鼎鼎的Frank Drake,对,就是给出德雷克方程的那位),工程人员先是搭建了一个小尺寸迷你舱作测试,随后在20世纪90年代中后期完成了全尺寸舱的研制和安装。要问舱内两面改正面的面形是抛物面,双曲面,椭圆面,还是其他什么形状?对不起,真的没有办法简单描述,因为其具体轮廓是利用Ray-Tracing、几何光学等多种方法数值求解光路方程,一个点位一个点位地硬算出来的!下图已然称得上是本人所见最明晰的设计图了,虽然第三副反射面的形式和馈源的位置与建成后的情况有所区别,但仍可见次级反射面的面形不是非常对称,大概体会一下就好:

图片来源:Kildal et al. (1994)

由于舱内空间有限,改正面实物的全景照需要使用超广角乃至鱼眼镜头拍摄,因此看上去都是变形严重,下图就是一个例子。图中下方的圆洞位于焦点舱下方,用于接收入射光;上半部被第二副镜所占据;第三副镜则位于右侧,大小可参考一旁站立的工作人员。

图片版权:David Parker

这套焦点系统的观测频率上限由主副反射面的面型精度共同决定,大约在8 GHz上下;下限在顾及衍射导致的光线损失之后,可以达到300 MHz(后一点是由于副反射面的轮廓计算主要以几何光学为依据,但到了低频区,电磁波的波长可能会与反射面自身相当,衍射效应明显,故而纯几何光学假设不再适用的缘故)。这样一来,就可以在舱内放置覆盖频带更宽、性能更加多样的多台接收机(还有主动行星雷达系统),让望远镜的效能得到更好发挥了。而接收系统的指向设置则要依靠焦点平台上的轨道,也就是本文第二张插图中三角形桁架上的圆圈(负责方位角调整)以及桁架下方挂有舱体和馈线的弓型构造(负责天顶角调整)。顺便一提,这个平台的支撑方式也比很多人想象的更加复杂——除了依靠一系列碗口粗的支撑钢索绕过反射面边缘的3座支撑塔顶并固定于地面之外,还另设3组下拉索从平台顶角外探的桁架垂直引出,向下穿过反射面,最终连接到面板下方的主动式地锚点上,其作用是精密调节焦点的高度。

安装在阿雷西博焦点舱接收机室旋转机构上的馈源喇叭群,以及喇叭下方的第三副反射面。(图片版权:Ron Hipschman/SETI@Home)

要特别指出的是,使用焦点舱时,阿雷西博望远镜并不能用满主反射面的全口径,这是科学观测需求与工程成本之间的权衡:倘或有效口径一味贪大求全,第二级副反射面也要随之扩大,最终副镜扩大的幅度远远大于有效口径的增长,这样无论从研发费用还是硬件加工/安装难度方面考虑,都是相当不划算的。早年有论文(如Kildal et al. 1994)称,最终建成的焦点舱对应的主镜有效照明范围是213×237米的近似椭圆形区域,这可能就是某些科普文章中声称阿雷西博反射面可利用部分宽225米的最原始出处。可笑的是,这些东西的作者往往一边断言阿雷西博不能将射电波聚焦成一点,一边把225米视作有效口径加以宣传,实在是不严谨得很(或者应该说是外行得很?)。

不过现在看来,这个213×237米也未必准确。比如河外中性氢巡天项目ALFALFA使用的是阿雷西博的7波束L波段馈源阵列(ALFA),官称在1.42 GHz附近的波束宽度为3.8×3.3角分(参见Giovanelli et al. 2005),按照瑞利近似则约合有效口径267×231米,与早年的数据相比,扩张了岂止一圈。个人以为,这里还是以参考较新的文献为宜,要知道ALFALFA课题组的数据处理程序依照的就是新版参数,也并未见其观测结果带有什么系统性的偏差或者不可靠之处,对吧……不过反射面中心孔洞以及遮挡的存在会让问题变得更加复杂,实情未必如瑞利近似那般简单就是了。

ALFA接收机中心波束的功率方向图,主反射面有效口径偏离标准圆形带来的最直接后果就是波束形状也变成了椭圆,对称性下降。

另一处值得说明的是,格里焦点舱自重不过60余吨不到70吨,比很多人印象中的近千吨轻了不少。阿雷西博所谓的千吨焦点系统实为焦点舱+馈线+三角形焦点平台+平台配重的总和。至于什么焦点设备体积过大导致数据中驻波强烈、质量过重导致操作不便的黑锅,格里式设计本身背不起……要知道,绿堤110米、MeerKAT这些全可动式望远镜用的也是格里光路的变体,又有谁嫌弃它们的焦点设备太过笨重!?

最后还要扯一扯传说中阿雷西博主反射面的口径扩展问题。之前有过各种大小道消息称阿雷西博现在的口径已经增大到了335/366米,但此事未见官方报道。个人所知的实际情况是,上世纪90年代,在焦点升级的前后脚,望远镜主反射面边缘加装了一圈电磁屏蔽网,以图更好地阻隔大天顶角观测时从地面溢入接收系统的环境杂波,从而实现降低系统噪声、提升数据质量的目的。最终建成的屏蔽网由不锈钢制成,高15.2米,这个数字乘以2再加上原有的305米,或许就是335米的来历(不过那个366米就真的超出本人的文献阅读范围与理解能力了……)。但屏蔽网并未与球形反射面融为一体,也不参与聚焦,所以不能被视作有效口径的组成部分。

左:未加装电磁屏蔽网时的阿雷西博望远镜,另外注意当时只悬挂有馈线的焦点平台;右:边缘加装屏蔽网之后的反射面。

东拉西扯一通,本文的结论就是,今天的阿雷西博望远镜当然能够聚焦,只是要借助结构复杂的格里式焦点舱,并且以牺牲有效照明口径为代价。而要想强调其作为球面镜只有焦线而无焦点,那么必须以用满305米全口径且无视焦点舱的存在作为前提。只可惜,能够澄清其中细节的资料并不多见,基本上仅限于专业技术文档,遂有此文。

 

参考资料:

[1] Kildal, P.-S., & Skyttemyr, S. A. 1989, Radio Science, 24, 601
[2] Kildal, P.-S., Baker, L. A., & Hagfors, T. 1994, Proc. IEEE, 82, 714
[3] Holt, F., & Bouche, E. 1964, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 12, 44
[4] Phil Perillat的主页,收纳了阿雷西博的大量技术文档和参数。此君是该台的工程师,据称已被大小事务累到懵圈,故有“does this guy have a life”一说……

No Comments

No comments yet.

RSS feed for comments on this post.

Sorry, the comment form is closed at this time.

首页 | 天文 | 科学 | 摄影 | 模型 | CV | 版权声明 | 联系站长
京ICP备05002854号-2 Powered by WordPress Version 2.0.6
Licensed under Creative Commons Licenses

porno izle