一、FAST是球面還是拋物面的？

有人認為是球面的，還有人認為是拋物面的。其實，驗明正身很簡單，到FAST官網看一下就明白了。開啟FAST網站，首先映入眼簾便是非常醒目的中英文雙語標題：

中文名：500米口徑球面射電望遠鏡

英文名：Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope

請看下圖中紅框內的文字：FAST第3個字母S=Spherical=球面的

圖1：FAST網站首頁

從目前公開出版物發表的專業人士的學術文章來看，是“球面”望遠鏡確定無疑。

FAST望遠鏡技術指標：

球反射面：半徑 300m，口徑 500m有效照明口徑：300m焦比：0.467天空覆蓋：天頂角 40°工作頻率：70MHz～3GHz靈敏度(L波段)：2000

但是一些懷疑也是不無道理的，因為球面不能完美的匯聚來自遠方的平行光線（或電磁波），只有拋物面才能對平行光線有理想的聚焦。那麼固定球面望遠鏡是如何解決聚焦問題的呢？下面加以簡單的介紹。

二、常見望遠鏡反射面的型別簡介

大型射電望遠鏡的反射面，常見的有拋物面、球面和柱面等型別。

1）旋轉拋物面是大型全可動射電望遠鏡中應用最多的形式，國內已建成的國家天文臺雲南40米和密雲50米天線，上海天文臺25米天線等，都是傳統的拋物面天線。目前全可動拋物面射電望遠鏡的尺寸極限大約是百米量級，如果尺寸繼續加大，已經超過當前工程技術侷限了。我國雲南景東在建的120米天線，是當前世界最大的全可動拋物面射電望遠鏡。

圖2：雲南景東在建的120米全可動拋物面天線（在建）

2）固定球面是巨型望遠鏡所採用另外一種形式。因為把球面固定不動，可實現更大口徑射電望遠鏡的建設。球面和拋物面底部很接近，便於二次修正的聚焦補償。最具代表性的是美國的305米Arecibo望遠鏡和我國的500米FAST望遠鏡。FAST採取了不同於Arecibo的技術，後面將介紹固定球面如何解決聚焦的問題。

圖3：美國的305米Arecibo球面望遠鏡

圖4：中國的500米FAST球面望遠鏡

3）拋物柱面天線效率較低，一般應用於低頻或特殊需求的場合，例如天籟專案中用於暗能量射電探測的陣列即使用了拋物柱面天線。

圖5：新疆天籟拋物柱面天線

三、為什麼全可動望遠鏡是拋物面的

因為“全可動”首先解決了可視範圍寬的問題，所以剩下問題便是追求聚焦效果，對於接受平行光線而言，拋物面是比較理想的方式。拋物面能將平行光匯聚到一點，旋轉拋物面射電望遠鏡匯聚訊號的基本原理與汽車車燈裝置利用拋物面發射平行光的原理類似。

圖6：拋物面對入射的平行光線聚焦

而球面聚焦後得到的不是一個焦點, 而是一個對焦的區域, 集中在一條主焦線之上，對聚焦和成像的準確度產生影響。

圖7：球面反射焦點分散在一條主焦線上

因此，旋轉拋物面是大型全可動式射電望遠鏡最廣泛使用的形式，它可以獲得較高的天線效率，接近全天域的空間觀測範圍。但由於跟蹤觀測時整個天線需要隨目標源旋轉，天線口徑的增大也受到工程限制。目前，旋轉拋物面射電望遠鏡的最大孔徑仍然限制在百米的數量級。

四、為什麼巨型望遠鏡是固定球面的

首先它超過了全可動望遠鏡的尺寸極限，被迫選擇了固定式，這是基本前提條件。如果固定式望遠鏡被設計成一個拋物面形狀,那麼它只能被動的觀測區域性區域, 無法滿足觀測天文目標寬視場的要求。

圖8：  FAST 幾何光路圖

固定球面可以比固定拋物面觀測較大的區域。雖然聚焦區隨著天體的位置一直變化, 但是可以用饋源艙移動對焦, 從而實現跟蹤觀測。

圖9：可移動的饋源艙

五、Arecibo球面望遠鏡聚焦的方式

Arecibo望遠鏡選擇聚焦的方式是，首先接受固定球面反射的聚焦不理想的訊號，然後再採取補償修正的方法來改進訊號的質量。

Arecibo 305米望遠鏡採用固定球面設計方案。因為球面把光（電磁波）匯聚在一條線上，為了接收訊號，線饋必須是線狀的，Arecibo用了一個棍棒狀的線饋。但是由於訊號的色散，線饋能接收的頻率頻寬受仍然到了限制。

後來Arecibo又加以改進，增加二次鏡、三次鏡的反射來修正匯聚的焦點（類似Gregory望遠鏡採用的光路），使得固定球面的Arecibo能把訊號匯聚在一點上。

圖10：重達350多噸Arecibo的饋源艙

六、FAST球面望遠鏡聚焦的方式

FAST則從根源上入手，直接把基於球面基座的反射單元做成微動可調的。

先說一下FAST的結構，FAST其實不是一支500米的大眼睛，它這隻大眼睛是由4450個被稱作反射單元的小眼睛組成的，就像昆蟲的複眼一樣。

圖11：三角形單元的結構

4450個長度11米的三角形單元安裝在整體索網上，在2300個交叉索的節點處安裝下拉索和被稱作“促動器”的驅動機構。

圖12：工程師在檢查節點處的液壓促動器

這些反射單元統一由FAST總控室的計算機來進行控制，在“初始”狀態下，這些三角形單元拼合成500米口徑球冠，當它們集體動起來的時候有點像做團體操表演，根據需要生成瞬時拋物面。

圖13：FAST總控室

七、總結

1. FSAT和Arecibo屬於固定球面望遠鏡，因為反射單元都是安裝在固定的球面基座上。

2. Arecibo是傳統的固定球面望遠鏡，它的反射面是固定的，其焦距補償透過長條型的線饋接受訊號，以及增加二次鏡、三次鏡的反射來修正匯聚的焦點。

3.FAST是在傳統的固定球面望遠鏡基礎上，改進的新一代球面望遠鏡，它既有傳統的固定球面基座，又有獨立微動可調的反射單元，其焦距補償採用“主動反射面技術”，來實現在照明口徑內實時的形成瞬時拋物面。

參考資料：

科研資訊化技術與應用.201 2, 3 (4): 67–75

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