现代天文仪器之十：多波束接收系统
一番折腾，现代天文仪器系列文章终于进入射电波段了。射电波段的内容其实不少，但因为本人对其不甚熟悉，写起来颇不顺畅，初步计划只写上两到三篇就了结，内容也从简。之后再介绍中微子、引力波和宇宙线的探测仪器，结束本系列。至于传统的天线和接收机，还请参阅相关书籍。
传统的射电望远镜每次只能观测天空中一个很小的区域，接收到的信号经馈源送入接收机（一般是超外差式）并进行放大。对单天线而言，如果做成像观测，只能进行扫描，而巡天的工作量和时间消耗更是大得惊人。这也是大型射电望远镜一度鲜少进行系统巡天的缘故。
解决策略也是有的。如SETI计划就设计了专用的接收机，接收悬挂在阿雷西博望远镜焦点舱下方的馈线信号，随时记录来自任何观测目标的数据。这样只要望远镜的工作时间足够长，SETI的参与者就可以观测阿雷西博能够观测的所有天区。当然，此举也是不得已而为之，恐怕也只有SETI这样观测目标不明、时间不很紧迫，而结果又不大好预计的项目才能这样做。对于专门的射电巡天研究，更好的方案还是需要的。于是多波束接收系统（Multi-Beam Receiver）应运而生。
SETI计划用过的阿雷西博望远镜馈线。（右侧的针状物，图片提供：NAIC - Arecibo Observatory）
顾名思义，多波束接收系统装有多个馈源喇叭，可以同时观测数个邻近天区，这样就把效率提高了数倍。这一概念相对较新，初见于1990年代中叶，早期多用于分辨率较高的毫米波观测，随着巡天的需要（如射电观测常用的21厘米波段），应用范围逐渐扩展到了厘米波乃至更长。据个人所知，第一台实用的多波束接收系统是1997年初安置在澳大利亚的Parkes望远镜上的，有13个馈源，工作波段在21厘米左右。
澳大利亚64米Parkes天线的馈源安排。（图片提供：ATNF）
除了正中的那一个，多波束接收系统的每个馈源都对望远镜轴心有所偏离，这样就可以接收来自不同目标的信号了。更直观一些的话，可以将整个系统理解为光学观测中的CCD，每个波束相当于CCD上的一个像素，只是对于射电接收机而言，像素数量极其有限而已。为了在跟踪过程中能够抵消相场的旋转，同时增大巡天的灵活性，多波束系统往往可以在一定范围内旋转。以Parkes望远镜为例，接收机旋转角可以在正负60度的范围内变化，巡天期间往往让馈源角度与扫描角度之间保持15度夹角以保证天区覆盖最大化。
这类系统的主要设计思想是，要尽量减少各馈源之间的波束耦合，并要保证制冷系统的体积。结合波束方向图对称的因素，馈源形状一般选为圆形。为保证效率，馈源直径一般选为与待测波长大致相同。BTW，Parkes的13个馈源工作波段略略不同，1号馈源的工作频率比其他12个更高些，未知个中原因。
Parkes天线1号（中央）馈源的波束方向图，外围馈源的方向图也是轴对称的样式，但对称性不如1号馈源。（图片来源：Staveley-Smith et al. 1996）
至于接收机，与普通的射电接收机相同，要以低系统噪声为设计目标，设置专用的降温设备是常规手段。不过由于多波束接收系统的体积较大，整体放入杜瓦瓶降温显得很不方便，需要各关键部件单独制冷。输出的多波束信号会被送入多台单独的转换系统，作进一步的放大和滤波。
数据处理中的难点自然是各波束之间的重叠问题，对此不同的天文台有各自的方法。如Ruiz等人在2005年的论文中提出，根据他们的模拟结果，对于Effelsberg的多波束接收系统来说，莱斯（Ricean）概率密度下的最大似然法可以较最小平方估计更为准确地估计出目标的尺度；而Parkes望远镜的工作人员则采用了最小中值平方估计而非最小平方估计。为确定不同算法的优劣，数值模拟如Monte-Carlo方法是需要的。
使用多波束接收系统后，为了适应数倍于前的数据量，数据记录系统也要做相应的升级。现役的很多多波束记录系统都可以同时记录所有波束两个偏振方向的数据。如阿雷西博的新型数据记录系统由主机、高速硬盘阵列、端口设备和磁带机组成，能同时记下7个馈源、两个线偏振方向的信号。作为比较，之前的系统一次只能记录一个波束一个偏振方向的信号。
多波束接收系统对观测效率的改善还是很明显的。虽然馈源数目并不多，但也是几倍地提升效率。更且多波束接收系统多为巡天设计制造，其落成后对大规模巡天的促进已经不止是效率问题了，更是便于申请观测时间。如阿雷西博望远镜的管理者在系统落成后将1/3的时间拨给了大大小小的巡天计划，这在之前是想都不敢想象的。
目前应用多波束接收系统的射电望远镜包括澳大利亚的64米Parkes望远镜（13馈源）、阿雷西博望远镜（7馈源）、德国100米Effelsberg望远镜（7馈源）、英国76米Lovell望远镜等（4馈源）。需要使用这类系统的主要工作包括河外HI巡天、脉冲星巡天、太空垃圾监测、SETI搜索等。
多波束接收系统的实物图。左上：Parkes的13馈源系统（图片提供：ATNF, CSIRO）；左下：阿雷西博的7馈源系统（图片提供：NAIC - Arecibo Observatory）；右：Lovell的4馈源系统（图片提供：Jodrell Bank Observatory）。
参考资料：
[1] The Parkes 21 cm Multibeam Receiver, L. Staveley-Smith et al., Publ. Astron. Soc. Aust., 1996
[2] Algorithms for Multi-Beam Receiver Data Analysis, G. Ruiz et al., Proceedings of the 4th European Conference on Space Debris, 2005
[3] Multi-Beam Receiver Promises New Vistas for SETI Research
[4] The Jodrell Bank Multi-Beam Receiver
