射电天文谱线接收机
射电天文谱线接收机
spectral line receiver in radio astronomy
射电天文中用于接收来自射电天体的原子和分子谱线信号，并测定谱线的频率、轮廓、线宽和亮温度等参数的一种特殊的接收设备。谱线接收机不同于连续谱接收机,它具有很高的频率分辨率,可以测出射电源亮温度随频率变化的精细结构。谱线接收机由两部分组成：前端设备──超外差式接收机；终端设备──频谱仪。前者将来自天线的微弱信号变换成较强的中频信号，后者用于分析此中频信号的功率谱。
前端设备 一般采用两次或三次变频，有以下特点。
①低的系统噪声温度：谱线接收机接收的射电源的亮温度是很低的,多数在1～10K范围内,所以要用高灵敏度的接收机接收。②高度稳定的本机振荡器：终端的频谱仪测定的是中频频谱，它与高频频谱之间相差一个本机振荡频率。要提高谱线接收机测定频率的精度，不但要求终端的频谱仪具有高的频率分辨率，也要求本机振荡频率有足够的精度与稳定度（如10-7）。要达到这样高的指标，一般都采用微波锁相技术，而且参考信号由高精度的微波频率综合器提供。③要求接收系统有宽而平坦的频率响应和稳定的增益。④为了提高利用率，要求接收机有很宽的调谐带宽，在毫米波段，调谐带宽达几十京赫。⑤采用波束转换和频率转换：转换是指让两种不同信号交替地通到接收机，进行频谱比较。其中一个信号是待测的，而另一个信号具有平坦的频谱。采用转换技术可以减弱接收机频响不平坦、增益起伏和寄生频谱的影响，从而提高检测谱线的能力。波束转换过程中，天线波束交替地指向“源”与一个具有均匀频谱的参考天区。频率转换过程中，本机振荡频率在两频率间跳动，使谱线信号与一个频谱平坦的频段进行比较。
终端设备（频谱仪） 射电望远镜中采用的频谱仪主要有下列四种。①单通道可调式频谱仪（或称扫频式频谱仪）：是早期使用的系统，采用一个中心频率可以移动的窄通带滤波器。随着滤波器中心频率的移动，输入信号中的各频率分量依次通过滤波器，这样便可以得到输入信号的功率谱。②多通道式频谱仪：是一种经典的系统，目前在毫米波段的谱线接收机中用得较多。这一系统与前者不同之处是,采用了相互并联的n个带通滤波器，滤波器的带宽为△v,各滤波器中心频率的间隔也是△v。测出通过各滤波器的信号功率,便可得到覆盖范围为n△v的功率谱。△v是频率分辨率,它表示谱线接收机分辨频谱细节的能力；n是通道数;n△v为带宽。观测任务不同,所需的分辨率也不同。△v在几千赫到几兆赫范围。通道数n现在可达几百。当△v=1兆赫时，n△v达几百兆赫。③自相关式频谱仪：在二十世纪六十年代初开始应用。这种系统分辨率高，改变分辨率也方便，故在分米波段和厘米波段得到广泛应用。在采用数字相关器的系统中，信号被取样、数量化与延迟，然后送到乘法器，求出自相关函数后，再用计算机进行傅里叶变换,从而得到信号的功率谱。由于受到运算速度的限制，这一系统带宽在几十兆赫之内。④声光频谱仪：采用如图所示的装置。一个氦氖激光器发射单色光，通过波束展宽装置照到声光偏转器上。声光偏转器的主体是一块光学介质(如 TeO2晶体、熔石英、玻璃和水等)，在偏转器的一端贴上如铌酸锂（LiNbO3）之类的换能器，而另一端贴上吸收物质（如铅等）。接收机输出的中频信号加到换能器上，换能器将电信号变成机械振动，于是在光学介质中形成疏密波，并以行波方式传播。疏密波引起介质中各部分折射率的变化。光通过这部分介质时产生衍射，形成三个“布拉格效应”。声光频谱仪利用其中两个效应，a.光束偏转。b.光束亮度变化，在一定范围内偏转角与中频频偏成正比，其亮度与该频率上的中频功率也成正比。若在偏转器后的透镜焦平面上放一个光敏二极管阵(PDA),测出每个二极管接收到的光的强度，便得到输入的中频信号的功率谱。这种频谱仪设备较简单，分辨率可达几十千赫，带宽可超过100兆赫。