云南天文臺40米射電望遠鏡河外射電源觀測*

劉 彬，李建斌，董 亮，施碩彪，高冠男，汪 敏，劉麗佳，彭 勃

(1.中國科學院國家天文臺，北京 100012;2.中國科學院射電天文重點實驗室，北京 100012;3.中國科學院國家天文臺云南天文臺，云南 昆明 650011)

射電天體物理在天文學研究中占有重要地位，它的研究領域涉及宇宙大尺度結構、活動星系核、射電星系、星際介質、脈沖星等，幾乎涵蓋天文研究的各個領域。世界上已有許多大型射電天文觀測設備投入使用，其中既有單天線望遠鏡，如GBT(Green Bank Telescope)、Arecibo 305 m等，又有望遠鏡干涉陣列，如VLA(Very Large Array)、WSRT(Westerbork Synthesis Radio Telescope)等。這些大型射電望遠鏡是人類了解宇宙的重要工具。

近年來，我國射電天文設備發展迅速，已建成多架中型天線。然而投入射電天文課題研究的單天線只有新疆天文臺南山站25 m天線、上海天文臺佘山站25 m天線以及紫金山天文臺青海站13.7 m天線。為充分利用國內現有天文設備開展射電觀測研究，對云南天文臺40 m天線進行了河外射電源流量試觀測，以探索其射電天文觀測能力。

1 40 m天線系統參數簡介

昆明40 m射電望遠鏡于2006年安裝并初步調試完成。它是一臺轉臺式卡塞格林型天線［1］，位于東經102.8°，北緯25.0°，海拔高度1 960 m。目前工作于S、X兩個頻段，主要承擔嫦娥工程數據接收任務和參與中國VLBI(Very Large Baseline Interferometry)網觀測［2］。

對射電源流量觀測的主要制約因素是天線靈敏度和穩定性。根據現有資料可估算系統理論靈敏度，通過觀測考察實際靈敏度和穩定性。昆明40 m射電望遠鏡的主要數據資料見表1［2］，第1列為工作波段，第2至5列分別為系統增益G，天線效率η，系統溫度TS，中心頻率f和帶寬Δv。

由表1數據可以估算天線可檢測的理論最小流量密度［3］:

式中，A為射電望遠鏡天線有效面積(m2);TS為系統噪聲溫度(K);Δv接收機有效帶寬(Hz); τ為信號積分時間(s);k=1.38×10－23J/K為玻耳茲曼常數。

表1 昆明40 m射電望遠鏡參數Table 1 Key parameters of the YNAO 40 m radio telescope

由公式(1)計算得到積分時間為1 s時，S、X波段系統可測最小流量密度分別為16.7 mJy、19.0 mJy。

2 射電源流量試觀測

基于現有天線及后端設備進行河外射電源流量觀測，由實測數據計算天線的系統噪聲、靈敏度等參數，并考察數據穩定性，以分析其對較弱射電源流量觀測能力。具體觀測方法、數據處理及結論表述如下。

2.1 觀測方法

射電點源流量觀測一般采用SCAN或ON/OFF模式。SCAN模式是天線在射電源附近進行掃描觀測，優勢是通過高斯擬合和指向校準獲得高精度的流量。ON/OFF模式是在天線指向射電源和偏開射電源時進行跟蹤觀測，方便計算觀測靈敏度，通過實時流量曲線考察數據質量;另外，可通過延長積分時間提高數據信噪比。因40 m天線的指向精度較高［4］，試觀測目的是對系統噪聲、天線信噪比、數據穩定性等進行分析，選擇ON/OFF模式進行觀測試驗。

觀測采用S、X雙頻準實時觀測。僅以射電源0716+714的觀測為例，具體步驟見圖1。為多方面考察觀測狀況，對不同源設定了不同的跟蹤時間。

圖1 試觀測流程圖Fig.1 Flowchart of the test observation

40 m天線系統試觀測設備線路連接見圖2。天線、接收機、輻射計為40 m望遠鏡系統已有設備，自帶A/D采樣卡連接輻射計，計算機連接A/D卡，使用自編軟件采集，并記錄數據及觀測日志。

圖2 40 m天線系統試觀測設備框圖Fig.2 Schematic diagram of the antenna system of the YNAO 40 m telescope

2.2 數據處理

試觀測設定A/D卡采樣頻率為1 kHz。通過滑動平均，分別對觀測得到的ON、OFF序列進行處理，以降低數據噪聲。通過積分得到ON、OFF序列，計算兩序列平均值之差，即為源的相對流量。

為便于區分射電源絕對流量與相對流量，設SF為觀測所得相對流量，Sf為射電源絕對流量。觀測數據信噪比為:

樣本源絕對流量Sf一般由校準源進行流量定標(應至少包括一顆校準源)，或由星表得到。由樣本源相對和絕對流量，計算望遠鏡實際最小可測絕對流量:

樣本源擬選擇一批流量已知的射電源，流量涵蓋盡量寬的范圍，選定的觀測樣本源及其參考流量見表2，其中3C295為校準源，表中所列參考流量由天文星表查得。

對1 ms采樣的觀測數據進行降噪處理時，嘗試了不同滑動平均時間，例如1 s、10 s、30 s、120 s等。通過比較處理效果，在不失真的情況下，10 s積分長度能更好地表征數據質量(如穩定性，干擾等)。因此，之后的數據處理均在10 s滑動平均下進行。為直觀考察數據質量及變化趨勢，使用積分后的ON、OFF序列繪制了流量曲線。不同樣本源的數據流量曲線見圖3～8，其中，橫軸為數據采樣點數(對應于時間)，縱軸為相對強度。

表2 樣本源表Table2 Observed sample of sources

圖3 S波段射電源3C273 ON/OFF流量曲線Fig.3 The ON/OFF S-band flux curve of the radio source 3C273

圖4 X波段射電源3C273 ON/OFF流量曲線Fig.4 The ON/OFF X-band flux curve of the radio source 3C273

圖5 S波段射電源3C295 ON/OFF流量曲線Fig.5 The ON/OFF S-band flux curve of the radio source 3C295

圖6 X波段射電源3C295 ON/OFF流量曲線Fig.6 The ON/OFF X-band flux curve of the radio source 3C295

圖7 S波段射電源0716+714 ON/OFF流量曲線Fig.7 The ON/OFF S-band flux curve of the radio source0716+714

圖8 X波段射電源0716+714 ON/OFF流量曲線Fig.8 The ON/OFF X-band flux curve of the radio source0716+714

從圖3～8可以明顯看出，流量曲線中存在緩變的漂移和干擾成分。對數據進行剔除壞點和擬合處理，剔除了殘差大于3σ的數據，并根據流量曲線漂移形式選擇線性擬合或者二次曲線擬合。最終，得到的數據扣除了較大的干擾成分和整體線性漂移。以3C273為例，圖9和10給出了擬合后的流量曲線。

圖9 S波段射電源3C273 ON/OFF流量曲線。干擾剔除和擬合后的結果Fig.9 The ON/OFF S-band flux curve of the radio source 3C273 after removal of bad data points and correction for slow drift by curve fitting

圖10 X波段射電源3C273 ON/OFF流量曲線。干擾剔除和擬合后的結果Fig.10 The ON/OFF X-band flux curve of the radio source 3C273 after removal of bad data points and correction for slow drift by curve fitting

去干擾以及擬合后的數據，根據式(3)和(4)計算可得數據序列的均方根 (r.m.s)、信噪比以及系統最小可測流量密度，結果見表3。同時，對由觀測數據得到的系統最小可測流量強度和理論計算值進行了比較，結果見表4。

2.3 結論分析

觀測顯示各樣本源的流量曲線均存在不同幅度和形式的漂移。既有整體性的漂移，如圖4 3C273 X波段數據;又有局部的干擾，如圖6 3C295 X波段數據;另外，圖3 3C273 S波段數據和圖5 3C295 S波段數據呈現出ON、OFF不同趨勢的漂移。S、X兩個波段數據存在類似的問題，質量都較差。雖然強源的信噪比要好于弱源，但不同強度射電源均存在復雜干擾或漂移。源0716+714已處于望遠鏡可檢測極限。因此對于流量在1Jy以下源，通過延長積分時間來提高靈敏度是困難的。

表3 觀測數據信噪比以及系統最小可測流量Table 3 Signal-to-Noise Ratios(SNR)and the minimum detectable flux densities(Sm)of the observations

表4 系統最小可測流量觀測值與理論值之比Table 4 The ratios of the detectable flux densities(Sm)to theoretical values

由表3給出的系統最小可測流量可知，X波段系統噪聲要低于S波段，符合40 m天線X波段無線電干擾較少的情況。弱源觀測數據計算的系統最小流量好于強源，可能是接收機系統內部增益穩定性或器件響應問題，尚待進一步排查。由表4，最小可測流量強度觀測值和理論值之比較大，說明了數據質量不理想。同時，近期系統測試表明天線效率和系統溫度有所惡化，幾年前所測表1中資料估算的理論最小可測流量偏小。另外，出現OFF序列比ON序列質量差的情況，說明系統存在不確定干擾。

3 系統穩定性及環境無線電干擾測試

為查清數據質量較差的原因，對天線系統的穩定性以及射電環境干擾進行了簡單測試。

3.1 穩定性測試

為方便對比，系統穩定性測試方法是天線靜止不跟蹤，指向天頂冷空，觀測設備及其連接方式均不改變，采集數據后進行分析。天線指向天頂持續觀測10 h的流量曲線見圖11。

通過簡單計算可知，天線不跟蹤時系統每小時漂移小于1%，數據的穩定性要遠好于ON/OFF模式所得結果。由此可知，在天線跟蹤觀測時，系統存在穩定性問題。

3.2 環境無線電干擾測試

圖11 天線指向天頂時的流量曲線。橫軸為采樣數據點數，縱軸為相對強度值Fig.11 The flux curve of the background observed when the telescope was pointed to the Zenith.The X axis is for the numberings of the data points，and the Y axis is for the relative flux

在望遠鏡接收系統不同位置，將頻譜儀接入信號傳輸線路，以考察各位置信號干擾情況。以S波段為例，具體測試步驟為:(1)用頻譜儀測量前置高放輸出端信號譜;(2)斷開高放與中頻箱的連接，測量中頻箱送至MK3的130～430 MHz端口中頻信號(后文簡稱MK3信號);(3)連接高放與中頻箱，測量中頻箱送至MK3信號;(4)連接高放與中頻箱，在觀測室測量經長同軸電纜傳輸后的MK3信號。

測試結果表明，S波段系統干擾較嚴重，X波段系統干擾不很明顯。S波段中頻輸出信號中干擾很多，主要是由高放送入的2 142 MHz干擾與2020 MHz本振信號混頻后產生的122 MHz和它的2～5次諧波，176 MHz和它的2～4次諧波，還有416 MHz等頻點，具體見圖12。

圖12 S波段干擾頻譜圖。橫軸為頻率(MHz)，縱軸為功率(dBm)。圖中字母標出了已知干擾及其頻率值Fig.12 Observed S-band spectrum including interference signals.The X axis is for frequency in MHz and the Y axis is for power in dBm.The capital letters from A to J are the identified radio frequency interferences

圖12中主要有A到J 10個較強干擾，其中B、C、D、E、F干擾是A干擾的諧波分量;H、I干擾分別是G干擾的2次和3次諧波分量。另外，J干擾似乎是獨立的。由此可見，天線系統的S波段干擾較強，至少需要消除或抑制122 MHz、176 MHz和416 MHz 3個頻點的干擾，以保證觀測質量。

4 總結及展望

在40 m天線上開展天文觀測嘗試的主要結果為:(1)對樣本源進行了2～10 min的流量觀測，S、X波段均出現沒有規律的10 s尺度漂移。ON、OFF現象類似，少數情況OFF稍好于ON;(2)天線對準冷空觀測時，無跟蹤的數據質量要好于跟蹤的;(3)頻譜測試表明，S波段有較強射電信號干擾，X波段帶內相對較好。

造成數據質量差的原因有很多，可能包括:傳輸線路引入干擾，直流電機干擾、天線指向精度、天線跟蹤牽連電纜運動及各種接頭狀態變化等，多數與天線系統的跟蹤運動相關。環境無線電干擾和天線設備穩定性起主導作用，是改善觀測質量必須解決的問題。基于天線靜止時數據質量明顯好于天線運動時的觀測事實，可考慮嘗試天線靜止的觀測方式排除不明干擾源，以提高數據質量。

為解決測試發現的問題正在開展的工作有:(1)針對S波段干擾，研制抗干擾中頻系統，以消除或抑制對應頻點的干擾。(2)為提高系統穩定性正在研制K－因子輻射計。通過加入交流自動校準信號，排除信號傳輸過程中設備的增益漂移等不穩定因素。(3)嘗試使用天線靜止的掃描法進行觀測，進一步查明并排除其它不穩定因素。

致謝:感謝試觀測過程中云南天文臺40 m天線工作人員給予的支持和配合，干擾測試過程中紫金山天文臺徐之材先生的悉心指教。

［1］40 m X/S雙頻段天線系統技術指標要求 ［S］.中國科學院國家天文臺，2004年4月.

［2］張洪波，毛佩鋒，汪敏，等.40 m口徑射電望遠鏡 ［J］.天文研究與技術——國家天文臺臺刊，2008，5(2):187－191.Zhang Hongbo，Mao Peifeng，Wang Min，et al.The 40 m Radio Telescope ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2008，5(2):187－191.

［3］Kristen Rohlfs，Thomas L Wilson.射電天文工具 ［M］.姜碧溈，譯.北京:北京師范大學出版社，2008:52－55.

［4］高冠男，汪敏，施碩彪，等.云臺40 m射電望遠鏡的指向誤差校正 ［J］.天文研究與技術——國家天文臺臺刊，2007，4(2):188－194.Gao Guannan，Wang Min，Shi Shuobiao，et al.Pointing Calibration for the 40 m Radio Telescope in Yunnan Observatory ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2007，4(2):188－194.