五百米口径球面射电望远镜(FAST)观测性能概述

Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope500米口径球面射电望远镜 五百米口径球面射电望远镜（FAST）观测性能概述编写：校对：审核：中国科学院国家天文台FAST工程2018年月日   摘要：    描述了FAST的观测性能、已调试的观测模式、接收机状态、终端模式等信息。可作为未来一年FAST有效进行调试和科学试观测时间分配的参考。文档将随FAST调试进展进一步更新。一、FAST介绍500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope,FAST）工程是国家“十一五”重大科技基础设施建设项目。工程已于2016年9月25日落成，逐步进行调试和早期科学观测。经过两年多的调试，FAST已基本达到预期性能，逐渐接近国家验收的目标，预计2019年9月进行国家验收。下表给出了FAST的基本信息，第二节开始进一步说明。FAST基本信息（验收阶段）站点位置：经度纬度海拔106°51'24.0E25°39'10.6N1110.0288m主反射面：口径半径有效照明口径面型精度球冠张角～500m～300m300m～8mm（rms）110度-120度焦距：焦比：～139m0.46-0.47天空覆盖：俯仰40°-14.6°Dec65.6°工作频率：波长覆盖：70MHz-3GHz4.3m-10cm分辨率（FWHM）：2.9'(Lband)灵敏度（Lband）A/T~2000m2/K系统噪声温度～25K偏振全偏振（双圆或双线偏振）指向精度：16观测换源时间：20min下图给出了FAST总控室的功能描述。正常观测时，一般由5-7人值班操作。图1.1总控室布局二、接收机FAST配备了7套分立的接收机，覆盖70MHz-3000MHz的工作频率范围。其中，1套为工作在L波段的19波束接收机，6套为单波束接收机。具体参数见下表。由于重量和体积限制，这些接收机分别配合3套下平台工作。FAST工作时仅安装一套下平台，这些不能完全同时使用。依据不同接收机的复杂程度，更换接收机需2-5天。所有接收机馈源均为线偏振，圆偏振信号需用数字终端处理得到。FAST望远镜配备的接收机接收机频率覆盖[MHz]口径[m]FWHP[arcmin]Tsys[K]灵敏度[K/Jy]偏振[l]带宽[MHz]19波束1050-14503002.9[1.4GHz]25K16.038×L400B0170-140----1000K--2×L70B02140-280----400K--2×L140B03270-1620300--120K--2×L1350B04560-1020----60K--2×L460B051100-1900----25K--2×L800B072000-3000----25K--2×L10002.1L波段19波束接收机L波段19波束接收机由澳大利亚CSIRO建造,工作频率覆盖1.05-1.45GHz。实测系统温度约18K。19波束接收机是近期的主力接收机。除非有紧急观测需求，预计2019年将只使用19波束接收机观测。图2.1L波段19波束接收机噪声注入分两档，19波束38路偏振使用同源信号功分得到。高档10-12K，随频率略有变化，具体见下图。低档约1.2K，约为高档的1/10。图2.2（中心波束）注入噪声信号Tcal（high）的随频率（Frequency）的变化。不同颜色分别对应于脉冲星后端、窄带以及宽带情况下的结果。2.2超宽带接收机（270-1620MHz）超宽带接收机与Caltech合作建造,工作频率覆盖270-1620MHz。实测系统温度约50K。因带宽为6个倍频程，各项指标在带宽内有一些变化。19波束接收机安装之前，超宽带接收机从2016年7月工作至2018年5月，进行了多项观测，发现了40余个优质脉冲星候选体。目前进行维护。图2.3超宽带接收机2.3其它接收机其它接收机没有实际安装调试。因19波束接收机拆装复杂，如无非常要的科学计划，19波束接收机将运行1-2年，一直安装于下平台，不更换接收机。70-140MHz接收机可安装于19波束下方工作工作。拟建造悬挂装置测试其它接收机，目前还在设计讨论阶段。三、指向精度FAST经过调试，指向精度已达到约15角秒。下图给出了扫描测试的样例。指向精度随方位、俯仰变化在做进一步测试。根据FAST的工作原理，预期指向误差与方位角和俯仰角无明显相关。四、系统温度19波束接收机指向天顶冷空实测系统温度约18K。由于天顶角大于26.5度时，馈源照射到地面，系统温度增加。40度天顶角时，实际系统温度接近30K，不同频率有所不同。图4.1（中心波束）系统温度Tsys随天顶角（Zenithangle）的变化，不同颜色对应于不同的频率。观测目标3C286。五、灵敏度使用19波束接收机实测灵敏度，小天顶角时约2500m^2/K。类似于天顶角对系统温度的影响，天顶角大时，灵敏度降低。选源时建议选择天顶角30度以内的源，观测效果最好。图5.119波束接收机（中心波束）测得的灵敏度。观测目标3C286。六、整体效率图6.1多次漂移扫描测量到的系统效率随频率及天顶角的变化。两侧下降是由于照明区域小于300米所致。七、信号链路FAST采用光纤进行信号传输，对于2GHz以下的接收机，直接传输射频信号，无本振和中频，无法频率切换观测模式。八、时间系统采用GPS授时，配备有氢钟，有长期记录的GPS与氢钟的残差表，时间可追溯。脉冲星计时精度优于50ns。时间系统的整体指标优于谱线观测需求。九、终端依据不同天文观测的需求，目前共配置有5类后端，包括：谱线观测后端、脉冲星观测及搜寻后端、VLBI观测后端、SETI观测后端以及数据处理和存储设备等。主要参数见下表。已配备的后端后端带宽（MHz）采样时间（μs）polstokesIFchannels文件格式ROACH2(谱线后端)全宽带模式5001006632.96（～1s）2Full或选只记2路偏振（XX、YY）11024k/64kfits窄带模式31.1251006632.96（～1s）2Full或选只记2路偏振（XX、YY）164kfitsROACH2(脉冲星后端)50049.152/196.6082Full或选只记2路偏振（XX、YY）14kfitsCRANE(谱线后端)31.25×4约200MHz2Full465536（64k）fits-1.7GHz内CRANE(脉冲星后端)2GHz64us2Full8192fitsVLBI后端--------------SETI后端--------------数字终端模式多，调试复杂，目前仅最常用的记录模式进行了较多的测试。现状描述如下。19波束接收机使用12台roach，10台在线工作，2台备份。第1-9台roach每个接收2个beam数据，第10台接收1个beam的数据，共19。谱线和脉冲星模式可同时工作记录数据。加入高频率校准信号同时工作的模式在测试。谱线数据为32bit，SDFITS格式。脉冲星数据8bit，PSRFITS格式。脉冲星搜索模式采样时间最低8.192微秒，实际观测一般取49.152微秒，主要是存储限制。ROACH2的500MHz带宽是因19波束工作频率范围而设定。略宽于1050-1450MHz的标称带宽，以使采样覆盖边带。SETI和VLBI终端仍在调试，还不能进行常规观测。CRANE终端一般仅特殊模式使用。大部分观测建议使用ROACH2终端。十、驻波屏蔽改进后，驻波情况改善，目前驻波幅度约0.2K，见下图。驻波频率周期约1MHz，来自于馈源仓与反射面之间。对河外观测有较大的影响。目前正在进一步排查改善驻波情况。图10.1驻波情况示意图。十一、观测模式现有4种观测模式，具体介绍如下。模式1：漂移扫描目前主要的观测模式，主要用于指向定标和脉冲星搜寻。积累数据最多，主要在夜间进行。模式3：跟踪FAST望远镜可进行跟踪观测时长可达6小时，大部分源可跟踪4-6小时，对于太靠南和靠北的源，可跟踪时间明显缩短，见下图。因处于调试阶段，索网安全评估还没有完全完成，不建议做较多天顶角大于30度的跟踪观测。图11.1可跟踪时长示意图。模式4：编织扫描调试少，目前不建议使用。模式5：运动中扫描主要用于成图和指向测试。进行了较多调试观测，可以使用。图11.2运动中扫描的轨迹示意图。换源原为模式2，已并入其它观测模式。换源可保证20分钟完成，较近的源换源更快。因FAST不同于传统望远镜，位置切换观测效率不高，目前在讨论提高效率的方法。其它模式列如消除驻波的模式、行星和彗星观测也在讨论。十二、RFI情况FAST电磁环境较好，主要干扰源为：广电的电视信号、调频广播、航线、运营商（移动、电信、联通）的基站下行、卫星信号。调频广播和手机频段干扰较强，这两个波段的数据几乎无法使用，需去掉。其它干扰多为间歇性。已有较多的监测数据，目前未统一接入系统。未来计划提供RFI的检索界面。图12.1FAST全波段电磁频谱监测图。