FAST——500米口径球面射电望远镜丨Engineering

射电天文学在诞生至今的90年中，已成为几乎所有天文学重大发现的发祥地以及诺贝尔物理学奖的摇篮。在这种驱动力下，世界各国积极探索新的工程概念，筹建大口径射电望远镜。但由于自重与风荷载的限制，百米级口径已经被认为是当今传统方式射电天文望远镜的地面工程极限，这也使得美国康奈尔大学1963年建成的Arecibo 305米望远镜在该领域实现了半个多世纪的统治。在此期间人类一直在探索如何进一步拓展自己的视野，以期在宇宙新千年难题上有所突破。

在此背景之下，中国于1994年提出了建设500米口径球面射电望远镜（Five-Hundred-Meter Aperture Spherical Radio Telescope，简称FAST）的构想，并于2007年将FAST立项为中国“十一五”重大科技基础设施建设项目。该项目于2011年开工建设，于2020年1月11日通过国家验收。FAST是中国拥有自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，目前已取得多项重要技术突破以及具有国际影响力的科研产出，帮助中国实现了射电天文学等前沿科学领域的原创性与跨越式发展。

FAST采用全新的设计概念，建设了目前世界上最大的单口径射电望远镜。FAST的工作原理极其特殊（图1）：巨大的反射面利用索网作为支撑结构，反射面下方2225台促动器可以控制索网在局部区域形成300米口径的抛物面；利用六根钢索组成索并联机器人，牵引安装有馈源接收机的30吨重的馈源舱；馈源舱里的AB两轴转动机构和Stewart并联机器人则进一步扩大馈源的观测天顶角和提升定位指向精度，最终将馈源接收机高精度定位在抛物面焦点位置，以收集抛物面汇集的电磁波信号。

图1. FAST工作原理示意图

此时，不同的抛物面位置代表了不同的观测方向（几何光学原理如图2所示）。总之，FAST提出了全新的设计理念，采用创新的主动反射面系统以及光机电一体化的馈源支撑系统，加之得天独厚的台址优势，开创了建造巨型射电望远镜的新模式，突破了传统望远镜的百米直径工程极限，同时可以覆盖±40°的天区，具有相对灵活的指向。

图2. FAST几何光路原理。S1、S2：观测目标；R：反射面曲率半径；θ：观测天顶角；F：焦比

FAST在工程体量上是世界上少有的超大型结构工程，在精度要求上却是高精密的天文观测设备，精度要求与工程体量的强烈反差是工程建设的难点所在，同时面临地形极其复杂的贵州山区环境。工程建造技术是中国工业领域的优势所在，但即便如此，在FAST条件下仍需要进行相当程度的创新，主要包括：复杂地形条件下超大直径圈梁高空组合滑移安装技术、复杂索网的高空累积滑移散拼方法以及可自适应索网变位的反射面单元及其安装技术，其中圈梁的施工技术已经被审定为国家工法。

FAST特殊工作方式对其所使用的材料和重要零部件提出了极特殊的要求。例如，为了实现主动反射面索网的变形，FAST团队研制了一种具有超高耐疲劳特性的钢索，其疲劳强度在200万次循环加载条件下可达500 MPa应力幅，超过国内、国际相关标准规范的2.5倍；为了实现馈源的同轴信号传输，攻克了大芯数、超稳定、弯曲可动光缆关键技术，满足了10万次的耐弯曲疲劳寿命，是中国军用标准要求的100倍，信号实时波动小于0.05 dB。

在测量控制技术方面，FAST系统构成极其复杂、工作在野外苛刻的气候环境下，公里级尺度下需要实现毫米级的全天候动态测量与控制，对工业测量与控制领域提出高难度的技术挑战。为解决FAST测量与控制技术面临的工程技术难题，FAST团队首先研发了双靶互瞄模式的自动化观测技术，消除了大气折射等因素的影响，保证了控制网在公里级尺度实现亚毫米的定位精度；其次，研制了基于惯导测量单元（IMU）、全球导航卫星系统（GNSS）和全站仪（TPS）的多系统数据融合测量系统，利用不同技术手段之间的优势互补，实现了馈源舱位姿的高精度、全天候及高动态测量；最后，提出并实现了基于力学仿真技术的反射面控制方法，最终建立了适用于FAST特殊工作方式的大望远镜测量与控制方法体系。

上述关键技术支撑FAST完成主体建设，并实现所有技术指标要求，其中灵敏度达到美国Arecibo望远镜2.5~3倍的水平。2020年2月投入运行至今，FAST发现脉冲星数量已经超过660颗，是同一时期世界上所有其他望远镜发现脉冲星数量之和的四倍以上。关于FAST在快速射电暴领域成就的系列高水平论文已在《自然》和《科学》上发表，深刻影响了人类对此类天文现象的认知。该成就也因此分别入选了《自然》和《科学》评选的2020年十大科学突破和发现，以及中国科学院和中国工程院两院院士评选的2021年中国科技十大进展。此外，FAST第一次高置信度探测到金牛座分子云中的磁场分布，为解决恒星形成三大经典难题之一的磁通量问题提供了新的重要观测证据，该成果作为《自然》封面论文发表。

总之，FAST在脉冲星搜索、快速射电暴、星系形及演化等领域产生了一系列具有国际影响力的科学成果，并已向全球天文学家开放，成为国际射电天文领域重要的观测设备。同时相关技术也极大地促进了工程建造、材料、测量等相关领域的技术发展，部分关键技术实现了市场化的推广应用，产生了显著的社会经济效益。然而面向未来，FAST团队将持续开展性能提升及功能扩展等方面的工作。

(一) 性能提升

1.研究自主可控相控阵接收机技术，提升望远镜巡天效率

众所周知，望远镜口径越大视场就越小。FAST有效口径达到300米，在1.4 GHz观测频率的视场大小仅为3角分。为了解决望远镜巡天效率问题，FAST目前采用喇叭19波束接收机将视场扩大至原来单波束的19倍。但是喇叭多波束接收机的工作频带一般比较窄，比如目前19波束接收机的工作频率范围为1.05~1.45 GHz，这在很大程度上限制了FAST的科学目标。所以研制一种兼具大视场及宽频带的接收机技术对FAST具有非常重要的现实意义。

结合FAST实际需求及技术发展趋势，FAST团队正在研制一套兼具宽带宽和大视场的相控阵接收机系统，频率覆盖达到1.1~3.3 GHz，视场覆盖≥ 0.25平方度，可分别将FAST上述两项指标提升至现有水平的5倍和10倍，大幅提升FAST巡天效率。以FAST银道面巡天项目为例，该项目每年分配600个小时，以现有状况需要10年才能实现对银道面的完整覆盖，而相控阵接收机研制成功可将该周期缩短为一年。同时其频率覆盖有5倍的提升，理论上可将脉冲星测时精度提升一倍以上，对脉冲星时间基准建立及低频引力波探测有重要的推进作用。

此外，1.1~3.3 GHz频段有中性氢、OH脉泽及甲醛等分子谱线等，这些分子谱线是研究星系和宇宙学、恒星和行星形成等不同宇宙尺度科学问题的重要探针；HC7N、HC9N等长链分子部分谱线也落在这一频段，对它们的观测将有助于科学家理解有机大分子在星际介质中的分布、丰度和演化过程，为探测与生命起源相关的有机大分子提供线索。

2. 基于微波测距的馈源位姿测量技术，实现望远镜全天候高精度测量

为了支撑望远镜扩展至3.3 GHz的科学观测能力，需要发展新型的高精度测量技术。TPS是专业应用于静态测量的光学测量技术，它在FAST动态应用场景下的精度只能达到10 mm左右，且容易受气候影响。微波测距（MR）具有高动态及全天候特性，且有向高精度发展的潜力。如果用MR替代TPS，并在此基础上实现GNSS/IMU/MR的新型数据融合测量系统，就有望实现馈源系统的全天候、高精度位姿测量。但在MR方面，目前世界上尚无实现毫米级动态精度的成熟技术，所以毫米级MR技术研发对望远镜向更高观测频段的扩展有重要的现实意义。

FAST正在实践一套新型的基于微测距技术的多系统数据融合测量系统，计划采用双频法测距，以寻求测量精度与整周模糊度解算难度之间的平衡。大气折射率小于3 ppm、MR精度优于3 mm。数据融合处理后馈源精调平台的定位精度将优于5 mm、姿态角精度优于0.1°。这将为望远镜提供全时段的高精度相位中心测量结果，提升望远镜高指向精度的稳定输出能力，为FAST向更高观测频段扩展提供强有力的技术支撑，同时为科学家在中线氢谱线高精度成图等方面提供帮助。

3. 升级馈源舱，拓展望远镜观测范围

FAST目前的最大观测天顶角为40°，如果FAST最大观测天顶角可以提升至50°以上，接近甚至覆盖银心，将有可能在银心附近发现更多脉泽源，帮助科学家了解这个特殊区域的恒星形成过程。此外还有可能发现围绕超大质量黑洞转动的脉冲星，这将帮助我们了解银心附近的电子密度，测量超大质量黑洞的基本参数，在更极端的条件下验证广义相对论等。同样值得关注的是，基于相控阵接收机的研发和使用以及FAST雷达天文学的新发展方向和需求，馈源舱降低部分重量可用于新接收机和其他重要设备，从而实现FAST更高观测性能。

FAST提出采用索并联机器人替换馈源舱内刚性精调平台——“AB两轴转向机构+Stewart并联机器人”构型，主体构型为一个六索并联机器人，实现低速大角度运动，辅以下拉索或者辅助支链提升机构的动态特性。通过性能匹配，FAST可实现50°以上的观测天顶角，且有超过4吨的新设备安装裕量，为馈源接收机的平稳高精度定位和跟踪提供了更可靠保障。配合新型馈源接收机和高精度测量技术的使用，FAST的整体性能将有大幅提升。

(二) 开拓新功能

1. 开拓雷达天文学新方向

雷达天文学是天文学的一个新分支，它是利用雷达探测的原理，研究处于近地空间的自然和人造物体以及太阳系内天体的一门学科。雷达天文学采用的是主动发射无线电波并接收目标反射回波的探测方式，可以探测未被可见光照射、处于“阴影”中的目标，这是光学探测手段无法触及的区域。另外，在一些“低频”波段上，电磁波具有穿透能力，可以探测天体表面以下浅表层的地质形态构成信息。同时，利用对回波信号的时延、多普勒、极化信息测量，雷达天文学能够对遥远的目标进行精确定轨和高分辨率成像，其性能比光学探测高几个量级，这也是雷达天文学一项独具优势的研究内容。FAST凭借其高灵敏度，天然地适合用于开展雷达天文学探测，可借助现有的大功率发射雷达开展双基或多基观测，将在顶部电离层、月球探测、空间碎片探测和近地小天体探测等领域的研究中发挥重要作用。

FAST将与非相干散射雷达开展联合探测，借助FAST的接收能力可以探测1000 km以上的顶部电离层，成为国际上少有的几个能够探测顶部电离层的装置。在月球探测方面，雷达天文学的重点转向了未来最有希望建立月球基地的南极，可着重探测月球南极永久阴影区的水冰分布和含量。FAST开展联合探测，可将空间碎片的探测能力提升至1 cm以下。FAST有望探测更暗弱的近地小天体目标，尤其是对处在日照区外难以探测的目标，将是光学探测手段的有益补充，并可以精确测定近地小行星的形状，获得近地小行星的高分辨率成像和三维地形特征。

未来，借助FAST整体的升级，如果参照Arecibo望远镜，FAST能够在L或S波段扩展大功率发射功能，那么根据雷达方程，其探测能力将再次获得数量级的提升。

2. 构建脉冲星计时阵，制定全新的时间频率标准

当前最普遍使用的时间频率标准为国际原子时，测时精度可达3 × 10^-16。然而原子时并非毫无缺陷，它的稳定度会随着原子钟老化而降低，且目前并无其他时间标准可与其进行参考比对，因此建立独立自主、精度超过原子时的时间标准迫在眉睫。银河系中的脉冲星转动极其稳定，基于脉冲星信号的时间天然具备超高时频稳定性 。不同脉冲星的观测数据之间可进行相互比对，因此脉冲星时间的精确性不依赖于原子时，这使得脉冲星时间标准可成为独立于原子时的另一时间实现。FAST有着极高的灵敏度，用以观测脉冲星可获得信噪比超高的测时数据，极适合开展脉冲星时频工作。利用其对脉冲星进行测时观测，可大幅提高脉冲星测时观测精度并加快脉冲星时间标准的确立。

FAST综合了现有各类相关脉冲星数据处理程序的算法，重新编写了测时模块，统一了数据处理流程，调和了不同程序之间的冲突。新的脉冲星数据处理程序采用了新型数据结构与文件结构，前者便于在测时与时频分析过程中进行参数调整与结果分析，后者有助数据的保存、管理与分析。

使用FAST进行脉冲星测时观测确定脉冲星时间标准的同时，可构建FAST脉冲星测时数据库。这一数据库的应用是多方面的：对于空间探测，脉冲星测时数据库可为脉冲星导航技术打好基础；在天文研究方面，脉冲星测时数据库可用来完善太阳系行星星历测算、搜寻太阳系中未知天体，并可用于搜寻极低频河外引力波信号。

围绕射电天文技术与方法的实际需求，FAST团队针对性地制定研究工作计划。未来3~5年内开发新一代相控阵接收系统，将给望远镜带来大视场和宽带，这将数量级地提升望远镜的巡天效率；基于MR的馈源位姿测量技术，为望远镜提供全时段的高指向精度的稳定输出能力，为FAST向更高观测频段扩展提供强有力的技术支撑；新升级馈源舱完成后将进一步扩展FAST的观测天区，大大提高望远镜科学目标的覆盖率。FAST在雷达天文学方面的技术发展，很可能在近地天体预警以及行星科学等领域发挥不可替代的作用；基于FAST的超灵敏度，将脉冲星的时间测量精度提高到其他仪器的40~50倍，脉冲星的高测量精度可以帮助我们建立一个基于脉冲星时间的时间参考系统，并基于脉冲星计时阵开展多领域研究。这些技术的提升，将加快射电天文学等学科在世界前沿科学的原创突破。

FAST涵盖广泛的天文学内容，涉及宇宙初始混浊、暗物质暗能量与大尺度结构、星系与银河系的演化、恒星类天体、太阳系行星与邻近空间事件等的观测研究，具有非此莫属的竞争力。FAST拟回答的科学问题不仅是天文的，也是面向人类与自然的，它潜在的科学发现将不可限量。同时，也正在开展FAST的阵列研究，期望通过天文干涉测量技术将多个高性能射电望远镜进行组网，形成一台超巨型望远镜，该望远镜具备的高灵敏度和高角分辨角在射电天文领域有望达到世界领先水平，助力天文学家做出更多一流研究成果。