射电望远镜科普系列之二极其夸张的灵敏度如何实现？

　　大家首先需要知道望远镜的灵敏度是到底什么，怎么理解这个概念呢？
　　对于望远镜，灵敏度是指望远镜接收微弱信号的能力，也是就是说，望远镜接收的信号越微弱，能接收到来越远的宇宙信号，它的灵敏度就越高。再看一个更容易理解的例子，我们日常生活中所用的尺子，它能够测量的最小长度为1毫米，尺子的灵敏度可以理解为是1毫米，比1毫米更短的尺寸，它是无法测量的。而望远镜的灵敏度是辨别最小信号大小的能力。
　　实际上，影响望远镜灵敏度的因素很多，这里介绍下主要的影响因素。包括望远镜的接收面积、装备的接收机的系统噪声、数据处理设备（专业术语称为天文数字终端，英文为Backend）采用的处理方法，以及望远镜所处的环境噪声（主要指无线电环境）。
　　第一，通过更大的接收面积提高灵敏度
　　望远镜通过它的锅将无线电信号进行汇集和放大，原理就像我们小时候玩的放大镜，放大镜将太阳光汇集，那个小亮点就是放大镜的焦点，焦点处的能量最高，可以把火柴点着。望远镜也是采用这里原理，将无线电信号汇集到锅的焦点，这样就可以将弱信号放大很多倍。
　　下图公式中G为信号的放大倍数，At为望远镜的接收面积。面积越大，望远镜对信号的放大能力也就越强，我们就能接收到更加微弱的信号。也可以说，锅的直径越大，面积也就越大，灵敏度也就越高。所以，科学家才会追求更大口径的射电望远镜。
　　公式中的其它两个变量是效率和波长，若是望远镜变形了，那么它的效率也就降低了，意味着望远镜的灵敏度也就降低了；另外波长也可以理解为望远镜接收信号的长度，这里的信号是电磁波，也可以说，望远镜观测不同波长的信号时，它的灵敏度是不一样的。
　　目前，国内外建设的射电望远镜直径达到上百米，甚至到了500米，如我国建成并投入使用的天眼FAST，它直径达到了500米，其他领域你再也找不到这么大的锅了。望远镜极其夸张的灵敏度就是要靠它夸张的接收面积实现的。
　　第二，通过装备制冷接收机提高灵敏度
　　技术人员研发的制冷接收机安装在锅的焦点处，进一步处理锅放大后的信号。实际上，射电望远镜上装备的接收机很有意思，你可能没有听说过它的神奇之处，望远镜的灵敏度主要靠这个设备了。这里介绍的接收机和民用、军用的接收机是不一样的，当然原理是一样的。最大的区别是射电天文领域研制的接收机采用了制冷技术，也就是让接收机中的核心的微波器件（馈源、放大器、极化器等）在70K的温度下工作。
　　这里的K是开尔文（Kelvins），K273。15t（），计算可知，70K是零下203度，创造这个低温环境可是不容易的，而且这个温度还要非常稳定；我们都知道，家里冰箱的冷冻温度也就零下30度。
　　为什么要让核心器件在低温环境下工作呢？最主要的目的是提高接收机系统的灵敏度。为更好地理解低温工作的好处，这里需要引入热噪声这个概念。
　　热噪声是最基本的一种噪声，是无处不在的。在绝对零度（273摄氏度）以上，所有电子器件都会产生热噪声。而温度越低的情况下，电子器件的热噪声也就越小，这样来自天体的微弱信号就不会埋没在噪声里了。
　　接收机用于处理锅放大后的信号，它的灵敏度最大限度地提高，就是进一步提高望远镜的灵敏度。所以，望远镜的灵敏度是远远高于军用、民用雷达的，也是商用频谱仪无法比拟的，因为这些接收机在室温状态下工作。
　　实际上，目前应用的制冷接收机已经接近了量子噪声，技术水平已经达到了极致，已经无法突破了。可以看到，正是因为望远镜装备了能在零下203度环境下工作的接收机，进一步将望远镜的灵敏度推向顶点。
　　第三，特殊的数据处理方法进一步提高灵敏度
　　制冷接收机的处理后的信号下一步将达到天文数据处理终端，这个环节如何提高数据的质量，科学家当然不会放过。通常情况下，科学家可以根据观测模式记录原始数据，初始数据时间分辨率很高，这里所说的时间分辨率，指获取每组数据需要的时间，比如每50微秒记录一组数据，时间分辨率就是50微秒。
　　在射电天文领域，国内外科学家均采用数据积分的方法来处理数据，并用积分时间描述数据的质量，主要目的是为了提高信噪比，也就是降低噪声，噪声低了，弱信号就能更好的辨别了，望远镜的灵敏度也就提高了。积分时间这个专业术语对于其他领域的人来说，不太容易理解。
　　为更好地理解积分时间这个概念，还是需要引入噪声这个概念。所有射频通信链路中器件都是有噪声的，包括数字电路。一般情况下，这些噪声近似服从高斯分布，也可以说是随机的。而对于随机的信号，多组的噪声数据进行平均后，噪声也就降低了，我们从下图可以看出，100组数据进行平均后，相对于10组和1组，噪声变得更加平稳，幅度也降得更低了。而我们观测的天体信号的固定不变的，这样，就能辨别更小的信号了。
　　可以看到，科学家在数据处理环节也在想办法提高数据的质量，部分环节是在数据处理终端的这个硬件层面自动完成的，也可以说，科学家通过观测方法进一步提高灵敏度。
　　第四，通过优良的无线电环境提高灵敏度
　　无线电环境对望远镜观测产生怎样的影响呢？
　　这里，还需要用到前面介绍到的噪声概念。望远镜工作时可以接收到科学家关心的天体信号外，除此之外，还可以接收到宇宙背景噪声、环境中无线电噪声。
　　对于实际情况，环境中的无线噪声影响最大，这里所说的无线电噪声包括各类地面、空间无线电信号，如我们熟知的移动通信信号、广播电视信号、卫星导航等，还包括望远镜系统内部电子设备的辐射发射噪声。也就是说，若是望远镜周围的无线电环境不理想，望远镜就会接收到很多无用的噪声信号，那么，宇宙中微弱的天体信号就可能埋没在这些噪声之中，望远镜的灵敏度也就降低了。
　　为提高望远镜观测数据的质量，良好的无线电环境也是科学家看重的。所以，知名的射电天文台站都会尝试建立无线电宁静区（如中国天眼FAST），限制周围无线电装置的建设，如通信基站等。
　　FAST无线电宁静区
　　望远镜运行时，还需要针对各类无线电设备进行管制，如手机、相机、蓝牙、WiFi、智能穿戴等；也需要对台址的各类电子设备进行电磁屏蔽，减少它们的辐射强度，进而保护望远镜的无线电环境。
　　禁用无线电设备
　　所以，想要做好的科学，出好的成果，科学家需要从各个层面做出努力，提高设备的灵敏度，提高设备的质量，服务与我国的天文事业。