正在阅读: 中国天眼最新进展 精抠细节,擦亮“天眼”
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

中国天眼最新进展 精抠细节,擦亮“天眼”

来源:光明网2018-06-13 10:42

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

    上期,我们了解到FAST团队在短期内克服重重困难,实现了“天眼”的全部功能性调试。本期,我们继续特邀FAST工程调试核心组组长姜鹏为大家带来FAST的性能调试故事。又会有哪些突破和挑战呢?

    上期文章介绍望远镜功能性调试的过程,此后便进入到性能调试阶段。

    这个性能不只是望远镜的灵敏度、指向精度等硬性指标,还包括可靠性、稳定性等软性指标。简单一点说就是,望远镜系统偶尔能达到最优性能和长期稳定地达到最优性能完全是两个概念,也是完全不同的难度系数。而我们的目标就是要做一台性能优异,同时又让科学家觉得十分好用的望远镜,这个目标从一开始就没有动摇过。

    望远镜性能的实现主要是指控制精度的实现。FAST直径500米,却要实现毫米级的多目标、大范围、高动态性能的控制精度,这是前所未有的挑战。下面我就尽我所能,尽量以通俗易懂的方式介绍这个精度的实现过程。

中国天眼最新进展 精抠细节,擦亮“天眼”

    图1 夜空下的FAST

    FAST有两个主要系统,即反射面系统和馈源支撑系统。反射面系统的主要作用就是精准地形成抛物面,这样才可以将天体发出来的平行光尽可能高效地汇聚到焦点上。而馈源支撑系统就是要将接收机控制到焦点的位置,并保证接收机的正确姿态,以最大效率地收集抛物面汇集的电磁波信号。所以FAST精准的控制指的是两个方面,一个是控制反射面系统形成尽量完美的抛物面,另外一个是控制馈源支撑系统使馈源接收机尽可能接近焦点位置,并保持正确的姿态。

    精确的控制离不开精准的测量,反射面系统和馈源支撑系统都是利用激光全站仪作为测量手段。全站仪是一种光学测量设备,可以测角和测距,通过极坐标的方式解算目标点的相对位置,是一种相对位置的测量技术。如果要实现绝对位置测量,就需要把它放在有精确绝对位置信息的基准站上,通过基准站的绝对位置反算目标点的绝对位置。所以要用它精准测量反射面的形状及接收机的位置姿态,需要有一个非常精确的基准网,为其测量精度的实现提供测量基准。

    FAST反射面内均匀地布设了24个测量基准站组成的基准网(见下图),第一步要做的,也是最关键的,就是精确测量24个基准站的绝对位置信息。基准网测量也需要用全站仪这种光学测量设备,可是现场高度差接近150米,这时候大气压会有20多个毫帕的变化,大气密度不均匀性非常明显。我们都知道,光穿过不同密度的介质时,会产生折射弯曲。

中国天眼最新进展 精抠细节,擦亮“天眼”

    图2 测量基准站的分布情况。反射面中露出来的小点点放大一点就是右边图的样子,每个测量基准站的基础都要打到持力层,而外面还有一层防护罩,以免其受温度和风的动作而产生变形。

    为了消除消光路折射的影响,调试团队研发了一套双靶互瞄模式的对向观测技术。其工作原理如下面左图所示,就是采用两台全站仪放在两个测量基准站上相互对视。如果两个互向对视的全站仪不受折光的影响,它们俩测量得到的垂直角度之和应该是180度。但是由于有折光的影响,这个角度之和就不再是180度了。而我们就可以通过这个角度的偏差,估计折光的影响并进行修正。

中国天眼最新进展 精抠细节,擦亮“天眼”

    图3 左图对向观测的原理示意,可有效消除大气折光误差的影响。右图是对自动化对向观测系统工作时的场景,怎么样,看起来是不是很高科技?

    由FAST在洼地里,大气的不均匀性及温、湿度场分布极为复杂,折光的影响也异常的大。实际数据处理的结果表明,FAST现场的折光系数达到了1.8左右,这是个惊人水平。要知道一般工况下,全站仪系统默认的折光系数是0.13,所以我们的折光系数要比一般情况高了一个数量级。一开始我们的工程师都不太敢使用这个结果,但多次测量一直重复出现这样的情况。直到后来查到一篇文献资料,提到一个山区里的折光系数的测量结果达到了1.0,与我们的情况接近。之后,我们才敢采信这个折光系数并使用。

    另外,全站仪是采用水准坐标系,所有全站仪的局部坐标系的垂向都是指向地球的中心。如果我们不作任何修正直接使用,500米尺度下地球曲率造成的误差可达到20mm左右,所以必须采用合理的坐标系转换来消除。

    如果采用传统方式对24个基准站组成的基准网进行测量,可能会需要至少半个月的时间。半个月时间很多参数都会有巨大的变化,例如大气的温度、湿度和气压,测量基准站也可能会产生温度变形。有这么多复杂的因素在变化,我们很难对这些因素解耦,精确得到这些因素变化对测量精度造成的影响 。

    所以,我们研发了一套基准网的自动化监测系统(见图3右),把基准网测量周期由至少半个月缩短至10分钟以内,这样就可以克服温度、湿度及基墩变形周期的限制,最终将望远镜测量基准网的精度提升至1mm以内。

    随着调试工作的精雕细琢,把测量精度不断提升,望远镜的性能也得到明显改善。下面左图就是精度提升之前的望远镜波束形状,可以看到在高频段有明显的分叉结构,就像一个近视的天眼,看东西都是模糊的。而随着精度的提高,波束慢慢地变成下面右图的形状,可以在高频段实现完美的聚焦,完成天眼的视力校正。与此同时,漂移观测的指向精度已经达到10角秒的水平,这些都是非常可喜的进展。

中国天眼最新进展 精抠细节,擦亮“天眼”

    图4 精度改变前后FAST波束形状的对比情况,也是近视眼和正常视力天眼的直观比较。

    随着天眼视力越来越好,脉冲星的批量发现就开始了。截止目前,FAST已经探测到59颗优质的脉冲星候选体,其中已经有42颗得到认证。并于今年2月探测到有史以来最暗弱的毫秒脉冲星,这颗脉冲星是其它国家很多望远镜看了很多次却都没有看到的。这充分证明FAST在灵敏度方面的优势。

    还必须提到的是,目前19波束已经完成安装调试。它可以将望远镜的视场扩大十九倍,从而大幅地提升望远镜的巡天效率,预期更多的脉冲星发现将由此开始了。

中国天眼最新进展 精抠细节,擦亮“天眼”

    图5 多波束的现场安装情况。具有优异性能的接收机系统,也是我们天眼的瞳孔。

    有了十九波束的支持,就可以开始向验收指标冲刺了,望远镜的验收指标的实现,要经过非常繁杂的指标分解,例如要实现设计的灵敏度,就要知道反射面的精度是多少,馈源的控制精度是多少,系统噪声要控制到多少,其中每一部分还要继续向下分解,例如测量精度是多少,控制精度是多少,制作精度是多少,安装精度是多少等等。总之,要分解到每一个可独立量化评估的技术指标,这是一个非常复杂的分解过程。

    截止目前,调试工作已经取得了一些非常可喜的进展。望远镜的系统噪声已经控制在20K左右的水平(见下图左),同时静态扫描模式下的效率已经达到50%以上,望远镜的灵敏度水平已经达到了1800平方米每K的水平(见下图右),可以说静态扫描工作模式已经达到了望远镜的验收指标。FAST已经是无可争议的世界第一灵敏的射电望远镜。下一步任务就是提高跟踪过程的控制精度,把跟踪过程的灵敏度也实现同样或相近的水平,那我们就可以说望远镜可以通过国家验收了。

中国天眼最新进展 精抠细节,擦亮“天眼”

    图6 左图是望远镜系统噪声的水平,已经控制到20k左右。右路图是天眼的灵敏度水平,毫无争议的世界第一。

    古人常言道:行百里者,半于九十。我们也要时刻提醒自己:最后的十里路依然艰辛!我们的目标不只是做一个世界上最大、最灵敏的望远镜,更是要做一个非常好用的望远镜,让科学家们随时想看就能看,想看哪儿就看哪儿。坦率的讲,这其中还有很多事情需要我们继续努力,其实并不容易,但我们不能忘记我们的初心!

    作者简介:姜鹏,国家天文台研究员,博士生导师,FAST调试核心组组长。曾获北京市科学技术奖一等奖,广西技术发明奖一等奖。北京青年五四奖章获得者。

    本期编辑:邵婷

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 甘肃敦煌:四万盏太阳能灯点亮鸣沙山

  • 海南保亭:嬉水狂欢 浪漫七夕

独家策划

推荐阅读
当前,全球科技革命与产业变革加速演进,人工智能(AI)正从“辅助工具”跃升为驱动社会变革的核心引擎。
2025-08-29 09:40
中国科幻完成了从文学、影视到互动娱乐的全产业链突破,步入业态融合与创新驱动的关键阶段。科幻阅读作为科幻产业链上游的基础产业,需率先探索高质量发展路径。
2025-08-29 09:38
作为太阳系中目前已知唯一拥有生命的天体,地球宜居性的形成与演化是地球系统科学研究的核心议题。
2025-08-29 09:35
国家气候中心统计数据显示,截至8月28日,华北雨季已持续55天,较常年雨季长度(30天)明显偏长。截至8月25日,华北雨季监测区累计雨量较雨季常年值偏多131%。
2025-08-29 09:18
8月29日是七夕节,在古代神话中,牛郎和织女因为被天上的银河隔开,只有在每年农历的七月初七才能通过鹊桥相会。那么,银河到底有多宽?
2025-08-29 09:17
浙江大学物理学院王浩华团队、杭州国际科创中心郭秋江超导量子计算团队联合清华大学邓东灵团队,在百比特超导量子芯片上观测到,“预热化”机制能有效抵御热激发扰动,使有限温度下的拓扑边缘态展现出了足够的稳定性,为保护脆弱的量子信息提供了新可能。
2025-08-28 09:47
6G时代,无论在城市楼群还是偏远山区,都需要数据的高速传输和快速接入,但基于纯电子技术的传统无线设备带宽受限、频段单一,难以动态调度频谱资源。
2025-08-28 09:47
8月26日,《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》发布。为何要出台这份文件?这份文件重点说了些什么?记者采访了国家发展改革委参与文件起草的专家。
2025-08-28 09:45
从“人工智能+”发展进展来看,朱克力认为,在政策层面,形成了举国体制,算力基础设施、数据供给、人才体系等基础支撑全面强化。
2025-08-28 09:37
工业和信息化部近日印发《关于优化业务准入促进卫星通信产业发展的指导意见》。意见明确,鼓励卫星通信在工业、农业、交通、能源、城市治理等各行业各领域创新应用。
2025-08-28 09:35
8月26日,国新办举行“高质量完成‘十四五’规划”系列主题新闻发布会,介绍“十四五”时期能源高质量发展成就。
2025-08-27 09:36
王蜜所在团队养蜗牛的装置和她用指甲油给蜗牛壳做的标记(首次发表,非授权禁止转载)。在中科院地球环境所,针对蜗牛壳体季节尺度研究,副所长晏宏提出的理念是,用空间换时间。
2025-08-27 09:47
8月8日至12日,第十届世界机器人大会在北京举行。”  近年来,更多养老机器人在家中、社区及养老机构落地应用,从桌面式机器人、轮式底盘型机器人到人形机器人,“人机共栖”的智慧养老图景正加速照进现实。
2025-08-27 09:45
作为海洋生物医药研发的特色方向,海洋中药尚不能满足中医药产业发展需求,其开发和利用还处于起步阶段。在产业转化环节,郑明月指出,应借鉴“算法开发—标靶确证—临床转化”范式,构建海洋天然产物专属数据库和AI工具。
2025-08-27 09:45
一项近日发表于《应用生理学、营养学与代谢》的研究发现,摄入动物蛋白质食物与更高的死亡风险无关,甚至可能降低与癌症相关的死亡率。论文第一兼通讯作者、加拿大营养策略公司负责人Yanni Papanikolaou表示,“综合这类观察数据与临床研究,很明显,动物蛋白和植物蛋白均有益于健康长寿。
2025-08-27 09:43
近日,我国科学家利用中国空间站上的无容器材料科学实验柜,成功把钨合金加热到超过3100℃,创造了新的世界纪录。“这项工作不仅验证了我国自主设计的空间材料科学实验柜具有非常优异的性能,也积累了大量的超高温材料在轨实验的原始数据。
2025-08-27 09:42
随着AI(人工智能)技术快速发展,AI应用已渗透社会生活各领域。深入分析AI“信口开河”成因,需从技术、数据和监管三个维度进行考量。(摘编自《工人日报》,原题为《防止AI“信口开河”,技术伦理建设刻不容缓》)
2025-08-26 10:27
市场监管总局(国家标准委)日前批准发布《动力锂电池运输安全及多式联运技术要求》国家标准,将于2026年2月1日起实施。动力锂电池是新能源汽车的“心脏”,其安全高效运输是提高产业链供应链韧性的关键。
2025-08-26 10:27
截至2025年8月22日,今年中国空间站空间应用系统已在轨实施58个科学与应用项目,实验次数2.6万余次,上行科学与应用任务800余公斤科学物资,下行空间科学实验样品27种,获取科学数据110TB。
2025-08-26 10:27
暑期,不少家庭选择前往户外戏水游玩。胡越凯介绍,大家常说的“食脑虫”属于“自由生活阿米巴原虫”,多生于潮湿的土壤和淡水中,包括福氏耐格里属阿米巴原虫、狒狒巴拉姆希阿米巴原虫和棘阿米巴原虫。
2025-08-26 10:26
加载更多