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2017-10-27

解密FAST的电磁波宁静区

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 7:10 pm

去年9月在中国贵州省黔南布依族苗族自治州落成的500米口径球面射电望远镜(FAST)举世瞩目。与望远镜的落成一同进入公众视野的,是当地以省人民政府令以及地方法规的形式在FAST周边划出的电磁波宁静区——以望远镜为中心,距离5千米范围内的区域为宁静区的核心区,5千米至10千米之间为中间区,10千米至30千米为边远区。这是为了保证FAST正常运行而采取的配套措施。其中核心区内的规定最为严格,除了禁止设置无线电台之外,一切与天文台运营或环境保护无关的项目也一律不得兴建;在中间区和边远区中,电台等设备的设立也要遵守一系列针对发射频率和功率的限制。

分别在2013年10月和2016年9月颁布实施的《贵州省500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》以及《黔南布依族苗族自治州500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区环境保护条例》封面。

FAST电磁波宁静区的范围示意。

对于慕名造访FAST的观光者而言,这些规定带来的最直接影响就是参观望远镜时需要遵守一系列的要求,这其中最让人感到不适应的条款恐怕要数不得携带手机、数码相机、平板电脑、蓝牙手环等便携式电子设备入场。其实,普通游客来这里参观,基本还只是在观景平台上走马观花浏览片刻而已;常年驻扎望远镜现场的工作人员受相关规定的约束更甚:附近的通信基站已被悉数关闭,台址不再有手机信号覆盖,于是平日里只能借助固定电话和外界联系;同样不能随意使用的还包括各式无线装置,上网也只好依靠有线网络;就连电动剃须刀、电吹风机之类看似无害的生活小电器,都因为能够发出射频干扰的缘故而受限……怎么样,听起来是不是颇有隐入深山,返璞归真之感?

立于电磁波宁静区的核心地带边缘的警示牌。

为什么不管是驻站工作人员还是游客,都需要接受这看似与现代生活格格不入的条条框框呢?其实类比光学观测,个中缘由不难理解。众所周知,光学望远镜接收的是来自宇宙天体的光线,而伴随社会发展而来的光污染日益严重,使得天文台的建造者被迫将大型光学望远镜的安家地点选在人迹罕至的高山之巅或是荒漠深处,甚至将望远镜发射到太空中去,否则日渐明亮的城市灯光会轻松盖过暗弱的星光,让天文学家无法正常开展观测。既然射电望远镜接收的对象是来自深空的无线电波,现代文明不可或缺且无处不在的无线电射频信号必然要成为射电观测必须应对的首要问题。

要知道,来自天体的射电辐射是非常微弱的。射电天文学最常用的流量密度单位叫做央斯基,每央斯基相当于每平方米每赫兹10-26瓦特——这着实是一个非常微小的单位,1央斯基比一片雪花落地时的动能释放率还要小很多。但是在射电天文学中,流量密度超过几个央斯基的天体就已经是少见的强源了,其总数虽说还称不上寥寥无几,好歹也算历历可数。比如大名鼎鼎的3C星表,也就是剑桥第三射电源表,表中罗列了北天所有在159 MHz频段流量超过9央斯基的射电源,不过3、4百个而已。而像FAST这样标榜灵敏度的大型射电望远镜更是免不了将那些数量远多于此,但流量低至区区数毫央斯基以至几十上百微央斯基的弱辐射源列入自己的待测目标。

作为比较,日常生活中遇到的电磁辐射流量要远远强于1央斯基。例如一部普通的GSM移动电话在通话期间,从1千米之外所产生的信号强度能够轻易达到上亿央斯基,这比天文学意义上称得上极强的太阳射电辐射还高出了好几个数量级,跟深空弱源相比就更不要提了。哪怕最近大红大紫的引力波天文学,其信号探测之困难固矣,但单次引力波事件在地球附近的能流密度却高达1020央斯基,只不过这里的测量难度主要缘于引力波与物质的弱耦合特性,而非能流过低。

更要命的是,FAST的观测频段介于70 MHz - 3 GHz之间,这一区间与我们身边的多种常见电磁辐射高度重合:中国移动和中国联通旗下的GSM移动电话服务占用了800 - 960 MHz以及1.7 - 1.9 GHz之间的多个频段;中国电信的CDMA服务也用上了800 - 900 MHz之间的两个频段;另外由固网经营、在中国农村地区仍旧可见的大灵通服务还要占据450 MHz附近的频段。不光是移动电话,全球4大导航卫星系统在1.16 - 1.3 GHz以及1.55 - 1.65 GHz之间运营;蓝牙设备和主流无线网络的工作频率在2.4 GHz左右;而空中交通配套设施、数字广播、电视台等现代生活不可或缺的事物,或是业余电台、对讲机等常见发射源,也都是在2 GHz以下工作的。除了专门的无线电波发射装置,各种电气元件在运转时还免不了伴以几十MHz到数GHz的电磁波,如计算机处理器或其他芯片的主频信号、电刷电机因换向器切换导致电磁场变化而产生的辐射,等等。这一切都会成为FAST从事科学观测时所要面对的阻碍。让问题雪上加霜的是,以上列出的频率指的还仅仅是辐射基频,所有这些电磁信号都会伴有一系列在基频整数倍频率上强度逐级递减的谐波,这又引来了额外的麻烦。何况与光学相比,射频干扰的发射器件一般定向性更差;更且射电望远镜不同于可见光,信号有可能从天线旁瓣进入接收系统,换句话说就是部分偏轴干扰也会被望远镜接收到,因而射电天文学研究所面临的形势很是严峻。

在诸多干扰的包围下,类似下面的场景称得上是射电观测的家常便饭:

图片提供:G. B. Taylor/NRAO

上面这个直观的例子是美国国家射电天文台的甚大天线阵(VLA)在观测一颗射电恒星时的真实遭遇。左侧是这颗恒星在羟基1.612 GHz脉泽线上的本来面貌;频率相近的干扰源一旦出现(右侧),满屏雪花简直让人无所适从。更详细地说,种种射频信号的漫天飞舞让天文学家不得不放弃大批观测结果,这不仅会降低数据质量和完整度、妨碍研究的进行,更有可能给人带来意料之外的困扰,抑或伤及接收机。为了更好地说明这一点,不妨先看一看下面这份由波多黎各的阿雷西博望远镜采集的数据样本,其中用红色方框标出了5处干扰:

图片提供:The ALFALFA Team/NAIC

为方便读者充分理解图中给出的信息,这里还需要补充一些背景知识。在采集这些数据时,阿雷西博进行的是所谓的“漂移扫描”观测,也就是固定天线和接收机,借助地球自转,让不同天区逐次进入视野。该模式最大的优点在于望远镜的设置保持不变,由此就确保了天线增益和机械结构的全程稳定性,于阿雷西博这样的固定式天线尤其方便。由于射电接收机记录速度颇快(上图的记录频率是每秒1次,脉冲星观测的记录间隔更可短至以微秒计算),而单天线的分辨率着实有限(阿雷西博望远镜的波束主瓣宽度在观测频段上约为3.5角分),两次数据采样间隔内天空转过的角度(15角秒)远不及波束大小,地球自转效应在这种情况下大可无视。

在执行这次漂移任务期间,望远镜以恒定的天顶角对准当地子午线,等同于固定赤纬而在赤经方向进行扫描。图中横轴表示观测频率,覆盖范围从1.335到1.435 GHz;而纵轴就表示在10分钟的记录时间里接收机扫过的赤经范围。所以上图描绘的是依次排开的六百条射电辐射谱,颜色越明亮,相应的流量也就越强。图中右侧最突出的特征是中心频率为1.42 GHz的白色条带,它对应银河系内中性氢的21厘米超精细结构跃迁谱线。这种辐射遍布全天,是射电天空最具代表性的特征线之一。基于中性氢的普遍存在性和重要性,1.42 GHz附近的一个狭窄频带早已被国际电信联盟的《无线电规则》划为无源频段,仅供包括射电天文学在内的无源科学业务使用,故而图中这一带的状况还算说得过去,大抵只有一些本底噪声和随机起伏而已。

但并不是射电观测所需的全部频段都能拥有此等幸运。比如在低频区,环境就要恶劣得多了。在上图这个例子中,首当其冲的射频干扰要数左起第二个红框中最明亮的粗线,强度胜过氢线一筹。它完整贯穿望远镜扫过的赤经区间,意味着其影响范围甚广。这就是来自天文台附近圣胡安(San Juan)国际机场的雷达波,对应频率约合1.35 GHz,当是这一频段上最主要的干扰源。鉴于望远镜的落成晚于机场,这种干扰实在是挥之不去,阿雷西博的工作人员通常对其直接作滤波处理。而在雷达信号的右侧,还排列着两个短而粗的亮带,辐射频段更宽,不过每次只持续数十秒。它们来自GPS导航卫星搭载的核爆探测器(NUDET),是又一类常见的干扰信号,照样需要被筛除掉。此外,用红色方框标出的另外两处区域也都属于干扰,在数据处理过程中只好又一次地弃之不用。要说天体射电辐射的模样?图中除了河内中性氢之外,我们还可以看到两个黄色小方框,各自勾勒出了一个河外星系的位置。这些星系被红移过的中性氢谱线发射正是天文学家此次扫描所要搜寻的对象,只是与机场雷达、过境卫星或其他干扰相比,其辐射流量往往可以忽略不计。其实这两个星系多少还算幸运,所处的红移好歹还让它们躲过了多个干扰源。不难想象,如果一个星系经红移后的氢线频率正好落在了某种干扰附近,也就要被完全淹没掉而为人无视了;显然,研究者很可能已经如此这般地错过了为数不少的研究目标。

而要论射频干扰给研究者带来的误导,近年的经典案例莫过于鹿鸟暴(Peryton)。这是一种源自微波炉磁控管发射,却具备类似于星际色散扫频特征的毫秒级信号。它的发现带有几分意外色彩;而若不借助多波段或多波束的交叉认证,也很容易与正牌天文瞬变源——快速射电暴混淆。鹿鸟暴尚属于真实身份已被确定的人工干扰,我们很难弄清究竟还有多少类似的现象没能浮出水面——毕竟在专门进行详尽的测量之前,谁也没有料到鹿鸟暴的时间和频谱特性是由作为非线性元件的磁控管所赋予的。至于仪器受损问题,要知道那些有能力探测毫央斯基乃至百十微央斯基天体信号的射电接收机是专门针对弱辐射流设计优化的,并不适宜测量强源。既然众多日常干扰强度甚高,足以让仪器饱和,倘若不采取有效手段加以控制,长此以往,这些灵敏的设备难免会受到损伤。

源自微波炉的鹿鸟暴(左,图片来源:Petroff et al. 2015)与正牌快速射电暴(右,图片来源:FRB Catalogue)的光变曲线和扫频特征的比较,可见二者颇有相似之处。

所以正如澳大利亚脉冲星专家乔治·霍布斯(George Hobbs)在一次讲授射电数据处理课程期间所言,他作为射电天文学家的生涯也是忙于应付射频干扰的生涯。射电天文观测着实是一场面向干扰的战斗,而且还是注定无法取得全面胜利的持久战——天文学终归不是一个社会的全部,从业者不可能只为满足自身的科研需要,来要求民众彻底放弃无线电发射。不过GPS等卫星的信号固然因为自带全球全天候覆盖的性质而难以完全避开,但射电望远镜四周其他形式的干扰在很大程度上却都可以被消除掉——电磁辐射在自由传播的情况下具备流量随距离平方而衰减的特点,如果遇到障碍则衰减更快。这样只要保证距离台址足够远的范围内不存在强发射体,就能大致满足射电天文观测的需求;对于剩余实在规避不掉的那些,运用特定频段内的数字滤波器或是其他更加新颖的处理方法,也可以在确保接收机安全工作的前提下尽最大可能地保持数据的完整性。

这正是FAST望远镜在周边一定范围内设立电磁宁静区、限制区域内电磁波发射以及电子产品使用的宗旨所在。这种做法绝非中国特色,恰恰相反,世界上不少知名射电天文台早已采取了类似举措。像美国西弗吉尼亚州的绿堤(Green Bank)天文台就是这方面的代表。它座落在东西宽100余英里、南北长120余英里,方圆13000平方英里(1英里约合1.61千米)的美国国家射电宁静区中。这片区域早在1958年即已设立,总占地面积远大于为FAST规划的30千米半径宁静区,其内的规定也极为细致严苛,最核心地带不但不允许架设非必需的发射装置、限制游客进入,就连使用火花塞的汽油车辆都要禁驶,为的正是保障以110×100米绿堤望远镜为首的一系列射电天线的正常运营。这里还有一批受雇于天文台的专职人员,他们的任务是不时巡视宁静区,以确保该区域名副其实。如今贵州省推行的这一系列政策就是在借鉴吸收国外经验之后做出的决定:FAST既然拥有第一流的灵敏度,那么带着为科学观测服务的大目标,对射频干扰严加管制,并向来访游客提出特定要求,自然都在情理之中。

绿堤天文台的射频干扰巡视组成员与巡查车合影。(图片提供:NRAO/AUI/NSF)

更具体地说,在FAST附近,常见的便携式电子设备能对望远镜的科研运转带来何种程度的干扰?这在很大程度上取决于设备所处的位置。普通游客能够造访的观景平台位于望远镜西侧稍偏北的山顶,坐拥绝佳风景;但与此同时,来自其上的电磁辐射也会毫无遮拦地倾泄而下,闯入望远镜的视线,故而影响最甚。测试表明,只要身处观景台,在FAST的整个工作频段内,常见的电子设备如手机、数码相机、平板电脑等,在开启状态下造成的干扰水平都超过了FAST干扰保护限值的30分贝以上。要知道,30分贝意味着辐射功率超限1000倍,这无疑将严重妨碍望远镜的科学观测。而且源于平板电脑和数码相机的电磁信号分布频率较手机来得更宽,干扰也更大。如此看来,限制游客携带电子产品进入平台着实是必要之举。

FAST望远镜俯瞰。图中右侧的这座馈源支撑塔位于望远镜正西方,一旁山顶上的建筑物就是游客观景平台。

读到这里,大家想必已经明白FAST望远镜的观景平台对参观者提出限制的原因与重要性了。但也许有的读者依然心存疑惑:望远镜的运转离不开电力,现场工作人员的日常起居完全不插电也不现实,天文台应该采取怎样的措施,才能避免自身发出的电磁辐射超标?其实在FAST的设计和建造过程中,这个问题就一直是考虑的重点。但凡能够产生干扰的望远镜电气和电子设备,都会配备高标准的滤波和屏蔽等装置。以下就是两个实例:

FAST馈源舱的顶部与侧壁材质均为金属板,本身即具备屏蔽电磁辐射的效力。而舱体下方活动平台的支架也由含银的导电屏蔽布覆盖,以防舱内设备信号泄漏。图为工作人员正在检测屏蔽布的性能。

控制FAST主动反射面形状的是安装在面板下方的2225台液压促动器。这些促动器的外壳也兼作电磁屏蔽罩之用,以防其内电机等部件的运转影响望远镜的观测。

而提供驻站人员生活、办公、科研之用的现场综合楼则采取了多方面的措施来防范射频干扰。首先,这座建筑距离望远镜本体还有一段距离,之间又有充当天然屏障的山体阻隔,充分利用了地形优势。经测试,前述便携式设备在综合楼一带产生的辐射到了望远镜附近,强度已然大幅度下降。只不过信号水平降低并不代表干扰被完全消除,因此哪怕在综合楼内,也还是需要像本文开头所描述的那样,对某些设备的使用加以限制。

此外,综合楼内电子设备最集中的地方当属控制望远镜运行的总控室与放置接收机后端系统的终端室。这两个房间都采用了屏蔽室结构,入口处也设有双层屏蔽门。这些都构成了严实的屏蔽层,让室内装置发射的电磁辐射不致外泄。

FAST综合楼的总控室与终端室外厚重的钢铁屏蔽门。墙壁上铺贴的木板系装饰用途,内里其实也衬有金属屏蔽层。

不仅如此,早在FAST的建设正式启动之前,电磁兼容工作组即已成立,专门负责望远镜周边地区无线电环境的监测、保护和协调,以及望远镜的电磁兼容设计和整改测试工作,这为FAST的良好运行提供了必要条件。

架设在FAST望远镜馈源支撑塔顶端的射频干扰监测天线。

当然,电磁宁静的维持也离不开每一名访客的配合。所以希望各位读者在有机会造访FAST现场的时候,能够自觉遵守有关规定,不要携带明文禁止的电子设备入场;同时也建议大家向身边的亲友积极宣传介绍在大型射电望远镜四周设置电磁波宁静区的意义所在。让我们一同保护FAST望远镜的观测环境,这不仅是在为这项大科学工程贡献自己的力量,对于科普事业的开展也将是很好的促进。

致谢:本文在撰写过程中得到了中国科学院国家天文台FAST工程总部电磁兼容工作组张海燕研究员的协助,在此特别表示感谢。

 

注:本文为约稿,即将发表于《天文爱好者》杂志2017年12月号,请勿转载。

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