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天文、深空與月球探測(cè)中的電子技術(shù)研學(xué)報(bào)告
趙麗 2008/11/5
聽(tīng)了史教授的精彩報(bào)告后，我對(duì)射電天文學(xué)有了一定的認(rèn)識(shí)，知道了它的廣泛應(yīng)用前景。
射電天文學(xué)利用天體在1毫米以上波段的輻射來(lái)研究天文現(xiàn)象的學(xué)科。以無(wú)線電接收設(shè)備為觀測(cè)手段，誕生于30年代初美國(guó)無(wú)線電工程師央斯基檢測(cè)長(zhǎng)途無(wú)線電通訊中的干擾信號(hào)時(shí)的偶然發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)他在貝爾電話實(shí)驗(yàn)室研究和尋找干擾無(wú)線電波通訊的噪聲源，發(fā)現(xiàn)除去兩種雷電造成的噪聲外，還存在著第三種噪聲，那是一種很低又很穩(wěn)定的“哨聲”，央斯基對(duì)這一噪聲進(jìn)行了一年多的精確測(cè)量和周密分析，終于確認(rèn)這種“哨聲”來(lái)自地球大氣之外，是銀河系中心人馬座方向發(fā)射的一種無(wú)線電波輻射（也稱為射電輻射）。理論上以近代物理為基礎(chǔ)來(lái)分析研究天體的物理特性、化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)演化。
射電天文學(xué)是一支新興的天文學(xué)分支，它起步不久就取得了輝煌的成果。60年代的四大天文發(fā)現(xiàn)：類星體、脈沖星、星際有機(jī)分子和微波背景輻射都是用射電手段觀測(cè)到的。今天射電天文學(xué)仍然在宇宙學(xué)、星系演化、恒星物理、探索地外理性生命（SETI）等研究中扮演著重要角色。
雷達(dá)和射電天文望遠(yuǎn)鏡的主要特征及區(qū)別？
雷達(dá)的基本任務(wù)是探測(cè)感興趣的目標(biāo)，測(cè)定有關(guān)目標(biāo)的距離、方問(wèn)、速度等狀態(tài)參數(shù)。
雷達(dá)主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)（包括信號(hào)處理機(jī)）和顯示器等部分組成。雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生足夠的電磁能量，經(jīng)過(guò)收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)傳送給天線。天線將這些電磁能量輻射至大氣中，集中在某一個(gè)很窄的方向上形成波束，向前傳播。電磁波遇到波束內(nèi)的目標(biāo)后，將沿著各個(gè)方向產(chǎn)生反射，其中的一部分電磁能量反射回雷達(dá)的方向，被雷達(dá)天線獲取。天線獲取的能量經(jīng)過(guò)收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)送到接收機(jī)，形成雷達(dá)的回波信號(hào)。由于在傳播過(guò)程中電磁波會(huì)隨著傳播距離而衰減，雷達(dá)回波信號(hào)非常微弱，幾乎被噪聲所淹沒(méi)。接收機(jī)放大微弱的回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理機(jī)處理，提取出包含在回波中的信息，送到顯示器，顯示出目標(biāo)的距離、方向、速度等。
射電望遠(yuǎn)鏡是接收天體射出的無(wú)線電波的望遠(yuǎn)鏡，它可以測(cè)量天體射電的強(qiáng)度、頻譜及偏振等量。射電天文學(xué)的主要工作有：測(cè)定天體的射電輻射強(qiáng)度及其隨時(shí)間的變化，對(duì)天體進(jìn)行分類；進(jìn)行掃頻和譜線觀測(cè)確定天體的能譜分布和化學(xué)成分；進(jìn)行成像觀測(cè)研究天體的形態(tài)和物質(zhì)、能量在空間的分布等。在此基礎(chǔ)上，再結(jié)合其它波段的觀測(cè)結(jié)果，勾畫所研究天體完整的物理圖景和演化過(guò)程。射電天文的另一項(xiàng)主要工作是對(duì)天空中的射電源進(jìn)行普查，制作射電源星表。天體輻射的電磁波極其微弱，70年來(lái)所有射電天文望遠(yuǎn)鏡收集的能量，還翻不動(dòng)一頁(yè)書。
射電望遠(yuǎn)鏡由天線和接收系統(tǒng)兩大部分組成。巨大的天線是射電望遠(yuǎn)鏡最顯著的標(biāo)志，它的種類很多，有拋物面天線、球面天線、半波偶極子天線、螺旋天線等。最常用的是拋物面天線。天線對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，就好比是它的眼睛，它的作用相當(dāng)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中的物鏡，它要把微弱的宇宙無(wú)線電信號(hào)收集起來(lái)，然后通過(guò)一根特制的管子（波導(dǎo)）把收集到的信號(hào)傳送到接收機(jī)中去放大。接收系統(tǒng)的工作原理和普通收音機(jī)差不多，但它具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性。接收系統(tǒng)將信號(hào)放大，從噪音中分離出有用的信號(hào)，并傳給后端的計(jì)算機(jī)記錄下來(lái)。記錄的結(jié)果為許多彎曲的曲線，天文學(xué)家分析這些曲線，得到天體送來(lái)的各種宇宙信息。
射電望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)的工作方式不同，雷達(dá)是先發(fā)射無(wú)線電波再接收物體反射的回波，射電望遠(yuǎn)鏡只是被動(dòng)地接收天體發(fā)射的無(wú)線電波。
外差混頻和直接檢波的主要特征及區(qū)別？
外差混頻很快而且有很高的分辨率，但是它需要一個(gè)附加的本振信號(hào)。而且，可測(cè)的頻率范圍受限，測(cè)得頻譜質(zhì)量受本振信號(hào)質(zhì)量的強(qiáng)烈影響。直接檢波法是直接的，但是它的測(cè)量時(shí)間較外差混頻長(zhǎng)了很多，尤其是高分辨率的測(cè)量。
基于天線定理，簡(jiǎn)述天線口徑、頻率和空間分辨率之間的關(guān)系。
射電望遠(yuǎn)鏡通過(guò)接收來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的電磁輻射信號(hào)，分析其強(qiáng)度，頻譜和偏振來(lái)進(jìn)行研究。其主要有兩個(gè)基本指標(biāo)——分辯率和靈敏度。從光學(xué)中，我們知道望遠(yuǎn)鏡的分辯率與波長(zhǎng)λ成正比，與望遠(yuǎn)鏡的口徑D成反比。電磁波在真空中都是以光速傳播，波長(zhǎng)與頻率成反比，即波長(zhǎng)越短，頻率越高。由于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是工作在波長(zhǎng)為微微米的數(shù)量級(jí)上，而射電望遠(yuǎn)鏡工作在毫米數(shù)量級(jí)上，之間相差10000倍，那么要達(dá)到同樣的分辯率，射電望遠(yuǎn)鏡的口徑（孔徑）就要比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大一萬(wàn)倍。好在，由于運(yùn)用了射電干涉儀，可以用相距很遠(yuǎn)兩地的射電望遠(yuǎn)鏡之間的直線距離代替望遠(yuǎn)鏡的真實(shí)孔徑。這種技術(shù)叫做甚長(zhǎng)基線干涉。它可以使有效口徑大到幾千公里甚至更遠(yuǎn)，從而大大提高了分辯率，使人們有可能看到天體的精細(xì)結(jié)構(gòu)。然而,靈敏度在分辯率提高的同時(shí)卻降低了。靈敏度取決于射電望遠(yuǎn)鏡的有效面積，天線造的越大，其靈敏度越高。然而由于射電干涉儀的運(yùn)用，我們用兩地望遠(yuǎn)鏡之間的直線（基線）（未完，下一頁(yè)）
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