來源：科技導報
FAST作為世界頂級射電望遠鏡，雖在諸多方向取得重要成果，但它的局限性也日益顯現。FAST二期工程概念的提出，旨在發展低成本、快速實施的陣列升級方案。FAST二期工程不僅提升了靈敏度，還將增強高分辨率成像能力，顯著推進時域天文、遙遠星系中性氫探測、宇宙大尺度結構、暗能量等前沿研究。《科技導報》邀請中國科學院等單位的研究人員解讀FAST核心陣設計和關鍵技術，讓我們跟隨作者一睹中國天眼工程升級計劃。
射電天文學始于20世紀30年代初，在過去的90年里為人類天文學的發展作出了諸多重要貢獻。然而，中國的射電天文事業起步較晚，直到新中國成立后才逐步發展。進入21世紀，隨著國家綜合國力的提升，中國射電天文學迎來了快速發展的新時期，陸續建成了一批現代化設備，研究領域涵蓋各學科天文課題。為進一步推動中國射電天文學的發展，國家發改委于2007年正式批復500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）項目，并于2016年9月竣工。作為全球最大的單口徑射電望遠鏡，FAST的建成不僅標志著中國在這一領域的重大技術突破，也為未來10年內趕超國際領先水平提供了寶貴機遇。
當前，國際射電天文學的發展正朝著更高的空間分辨率、更精細的譜線分辨率以及更高的靈敏度方向推進，以便探測到更暗弱、遙遠的天體。雖然FAST在靈敏度上已領先于其他百米口徑射電望遠鏡，然而單口徑望遠鏡的固有局限在分辨率和成像能力方面難以突破，這已成為制約中國在射電時域天文學、宇宙成分與演化研究以及引力波探測等前沿領域取得進一步突破的瓶頸。
目前，全世界主要厘米波射電干涉陣列如表1所示。國際大科學計劃如平方公里陣列射電望遠鏡（Square Kilometre Array，SKA）和下一代甚大陣列（Next Generation Very Large Array，ngVLA）相繼啟動，并計劃于2029年和2035年分別完成其第一階段的建設任務。SKA1的靈敏度預計將達到1560 m2/K，而ngVLA的靈敏度預計將達到3014 m2/K，這對FAST的性能優勢提出了嚴峻挑戰。
表1 世界上主要綜合口徑射電厘米波干涉陣列
面對日益激烈的國際競爭，提出FAST二期工程，通過建設FAST核心陣進一步升級FAST以提升其分辨率和成像能力（圖1），使中國在射電天文學領域長期保持國際領先地位。
圖1 FAST核心陣效果
FAST工程二期的目標是建設基于FAST的射電干涉陣列（FAST核心陣），以提升現有的空間分辨率和成像能力，保持其在靈敏度方面的國際領先地位。具體科學目標為：1）宇宙大尺度結構與HI巡天；2）星系動力學與星系演化；3）脈沖星研究；4）FRB探測；5）星際介質探索；6）AGN與黑洞研究；7）生命起源與地外文明探索。
2.1 建設目標
FAST工程二期的總體建設目標是到2030年，在FAST周邊30 km范圍內建成由64臺40 m口徑天線組成的大型干涉陣列，從而大幅提升FAST的綜合性能，超越國際SKA項目和美國ngVLA項目的觀測能力，確保中國在低頻（厘米波段）射電領域的國際領先地位。
2.2 技術方案
FAST工程二期項目將采用40 m口徑望遠鏡組陣，主要基于2個關鍵因素。首先，40 m口徑望遠鏡與FAST的19波束饋源具有理想的視場匹配，適合組陣配置。為維持FAST的靈敏度水平（2600m2/K），計算結果顯示，不同口徑望遠鏡與FAST組陣所需的天線數量各不相同。如圖2所示，靈敏度曲線顯示，為保持FAST的超高靈敏度優勢，100 m口徑望遠鏡需要4臺，60 m口徑需要15臺，40 m口徑需要至少24臺，30 m口徑則需至少42臺。這意味著該綜合陣列將擁有與FAST相當的探測致密射電源的能力，能夠進行精確定位，確保不會錯失重要的科學發現。
圖2 陣列靈敏度與天線數量及口徑的關系
其次，成本效益是另一個主要考慮因素。當口徑超過40 m時，單位面積成本呈顯著增長。因此，30 m或40 m望遠鏡是與FAST組陣的最經濟選擇，其中40 m口徑望遠鏡的單位面積成本相對較低（圖3）。
圖3 不同口徑天線的單位面積成本對比
項目計劃于2027年前完成24臺40 m口徑望遠鏡的建設，并將率先實現與FAST組陣觀測。這些望遠鏡將分布在5 km半徑范圍內，最大基線長度為10 km。在1.4 GHz頻率下，該陣列可實現約5”的成像分辨率，提升FAST當前分辨率33倍。
到2030年，項目計劃再完成40臺40 m口徑望遠鏡的建設，擴展至FAST周邊30 km半徑。隨著天線數量的增加，陣列的UV覆蓋和靈敏度將進一步提升，靈敏度將達到6000m2/K。屆時，將完成FAST二期陣列的升級，并與國內其他大口徑射電望遠鏡進一步融合，形成全國中低頻甚長基線干涉測量網（Verylong-baseline interferometry，VLBI網）。該網絡的角分辨率將達到15 mas，成為全球領先的中低頻射電觀測網絡。FAST核心陣各建設階段時間節點、性能與國際前沿干涉陣列對比見表2。
表2 干涉陣列性能對比
貴州省黔南州FAST周邊30 km范圍內，即FAST電磁波環境保護區。在此區域建設陣列望遠鏡既不影響地方經濟發展，又能充分利用優良的臺址環境，還能發揮FAST的靈敏度優勢，可謂一舉三得。
圖4 FAST核心陣5 km內備選點位分布
望遠鏡選址需在目標區域內通過地形測繪和地質要素考察及勘測等開展地學綜合分析，篩選出具備建設、施工條件的備選點位。在此基礎上，進行電磁環境監測，確定符合射電觀測條件的優選臺址。目前FAST臺址5 km范圍內的備選臺址的點位分布和地理信息見圖4。圖5~圖8分別給出其中白龍臺址和白馬臺址的電磁環境測試及結果?？梢姡贔AST電磁環境保護區內中低頻射電觀測條件優質，符合預期。
圖5 白龍臺址的電磁環境測試
圖6 白馬臺址的測試
圖7 白龍臺址正南方向1~3 GHz電磁環境測試
圖8 白馬臺址正南方向1~3 GHz電磁環境測試
4.1 40 m口徑望遠鏡設計及建造
40 m天線主要由天饋分系統、結構分系統、伺服分系統3部分組成（圖9）。天線工作時，射電信號由主反射面反射后匯集到焦點，能量經位于焦點的饋源進入低噪聲放大器（lownoise amplifier，LNA）并放大送至后端設備。天線運動性能指標見表3。40 m望遠鏡全口徑工作頻率不低于5 GHz，反射面中心區域22 m為實心面板，這部分工作頻率不低于20 GHz（圖9），實現一些高頻譜線觀測的科學需求。
圖9 40 m天線結構示意
表3 40 m天線運動性能指標
4.2 混合陣列數據處理與非均勻口徑成像
FAST核心陣是一個由口徑巨大的FAST天線和一批口徑較小天線組成的混合陣列?；旌详嚵械膬瀯荩阂环矫媸鞘褂肍AST的大口徑反射面可以顯著提高接收面積和靈敏度；另一方面采用多個中小型天線與之組陣，可以在維持較低成本情況下提高角分辨率，實現更好的UV采樣，降低合成波束旁瓣，改善成圖質量。在對混合陣列數據進行處理時，需對傳統均勻口徑干涉陣列成像算法進行修正。針對不同科學目標的實際需求，基于混合陣的干涉成圖處理算法將是FAST二期工程的必要關鍵技術之一。此外，FAST核心陣早期將使用FAST 19波束接收機加入干涉組網，未來相位陣饋源（phased arrayfeed，PAF）接收機研制完成后，將替代多波束加入干涉陣列。為此，基于FAST多波束的混合陣列數據相關處理、波束合成及成像算法也是FAST二期的重要建設任務之一。
綜上所述，通過對混合陣列相關問題的研究，包括理論分析、仿真模擬，以及使用實測數據進行檢驗，實現FAST二期的關鍵技術突破，可大大增加未來射電陣列的設計選擇，根據科學需求、天線結構、電子設備、站址和輔助設施的不同成本和要求，進行更靈活的設置，使中國在中低頻射電天文學方面保持國際領先地位。
4.3 高性能常溫接收機
出于成本的考量，在綜合孔徑陣列中不宜像單體大口徑望遠鏡一樣不惜成本提升接收機性能。另外，陣列望遠鏡分布有一定的距離，維護工作難度同樣顯著增加，故提高接收機系統的可靠性對陣列望遠鏡后期維護成本有非常重要的現實意義。相比于傳統的制冷接收機技術，常溫接收機系統因不需要制冷措施，系統的復雜程度得到大幅降低，故在成本及可靠性方面有絕對的優勢。還存在以下幾個問題需要解決：（1）目前高性能低噪聲放大器晶體管主要依賴進口，不排除未來完全禁運的可能；（2）目前國際上先進的常溫低噪聲放大器在噪聲方面已經接近傳統制冷低噪聲放大器的水平，但在工作帶寬上還存在較明顯差距?；贔AST二期的需求針對上述問題開展高性能常溫接收機系統的研究，具體工作包括：（1）利用新興的磷化銦基底材料研制國產化晶體管及低噪聲放大器，其中放大器噪聲溫度須低至7 K左右，工作帶寬須達到3倍帶寬，解決關鍵器件依賴進口的問題；（2）創新性地采用饋源和放大器一體化設計進一步減少插入損耗，保證接收機的系統溫度可以控制在25 K左右，最終研制完成具有國際領先性能的常溫低噪聲接收機及配套技術。
4.4 實驗陣列樣機數據鏈路及相關數據中心
將在望遠鏡陣列各站建設配套屏蔽機房，機房內安裝望遠鏡本地控制單元、時頻單元、接收機數字終端等。陣列單元安裝工作頻率、噪聲溫度等性能完全一致的接收機，各站接收機觀測信號通過光纖首先進入本地數字后端，在本地完成數字化，數字信號由光纜傳輸到望遠鏡陣列相關中心。數字信號相比模擬信號，在傳輸過程中具有更強的抗干擾能力，并且數字信號將在天線本地標記時間戳后再傳輸，避免長距離光纖傳輸帶來的相位誤差，各站觀測數據在相關處理中心完成相關處理后進行存儲，如圖10所示。相關處理服務器是望遠鏡陣列的核心數據處理設備，陣列中的每臺天線都會產生基帶數據流，為了實時處理這些高速數據流，需要搭建專用的硬件相關處理機。
圖10 FAST核心陣的數據后端設計
FAST工程二期升級，將使中國在射電天文學領域邁入一個新的發展階段。通過建設以40 m口徑望遠鏡為單元的高靈敏度、大規模干涉陣列，它不僅可以保持FAST現有的高靈敏度水平，還能夠極大提升其空間分辨率和觀測能力，形成一個具備國際競爭力的中低頻射電觀測平臺。首先，FAST核心陣第一階段的建成將顯著提升中國在射電天文領域的科學發現潛力。其次，FAST二期工程不僅將滿足當前科學研究的需求，還為未來的低頻射電天文學研究奠定了堅實基礎。FAST核心陣的建設還將為中國在射電天文設備研發、技術創新及國際合作中帶來深遠影響。
總之，FAST二期項目的建設與發展，將不僅滿足中國在射電天文領域的前沿科學需求，還將在全球射電天文學的技術與研究領域中占據重要地位。未來，項目將為推動中國從“天文大國”向“天文強國”的轉變做出積極貢獻，并引領國際低頻深度射電天文研究的前沿方向。
本文作者：姜鵬、劉彬、于東俊、甘恒謙、陳如榮、朱煒瑋、錢磊、孫京海、李輝、潘高峰、朱博勤、柴曉明、朱巖、李楠、胡浩作者簡介：姜鵬，中國科學院國家天文臺，貴州大學，貴州射電天文臺，研究員，研究方向為射電天文技術與方法。文章來源：姜鵬, 劉彬, 于東俊, 甘恒謙, 陳如榮, 朱煒瑋, 錢磊, 孫京海, 李輝, 潘高峰, 朱博勤, 柴曉明, 朱巖, 李楠, 胡浩. 中國天眼工程升級計劃—FAST核心陣設計和關鍵技術研究[J]. 科技導報, 2025, 43(5): 55-63.
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