1 .科學(xué)背景

　　毫米波射電是觀測(cè)研究宇宙各層次結(jié)構(gòu)和演化的一個(gè)重要波段，上世紀(jì)70年代逐漸發(fā)展起來。我國(guó)在國(guó)際上起步較早，上世紀(jì)80年代初就部署研制了國(guó)內(nèi)唯一的大中型設(shè)備13.7米毫米波望遠(yuǎn)鏡，也是迄今為止國(guó)際上為數(shù)不多的中型亞毫米波天文觀測(cè)設(shè)備。13.7米毫米波望遠(yuǎn)鏡是我國(guó)毫米波段重要的開放設(shè)備，自1996年該望遠(yuǎn)鏡3毫米波段接收機(jī)建成使用以來，已在國(guó)內(nèi)外開放觀測(cè)中完成了上百個(gè)天文研究課題，取得了一系列重要的天文發(fā)現(xiàn)。

　　隨著天文觀測(cè)研究的發(fā)展，現(xiàn)有的毫米波接收機(jī)性能越來越難以滿足要求。如星系中的恒星形成和演化、銀河系結(jié)構(gòu)、太陽系天體物理研究等各層次天文研究的發(fā)展，一臺(tái)天線配備一個(gè)接收單元的單點(diǎn)鉛筆束掃描方式限制了在空間上實(shí)現(xiàn)大范圍的觀測(cè)覆蓋，需要能夠在空間上同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)接收的“成像”探測(cè)器（或焦面陣列接收機(jī)）以提高空間覆蓋的能力。其次，原有的SIS接收機(jī)混頻器以雙邊帶方式工作，上、下邊帶的毫米波信號(hào)在混頻后同時(shí)進(jìn)入一個(gè)中頻信號(hào)。隨著研究工作的深入對(duì)整個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)探測(cè)靈敏度要求越來越高，需要探測(cè)的譜線信號(hào)都是更為微弱的信號(hào)，因此，上下邊帶譜線在同一路中頻內(nèi)的混淆問題逐漸顯現(xiàn)出來。在河外星系的觀測(cè)中，由于星系整體速度場(chǎng)常常達(dá)到幾百千米/秒，相應(yīng)的頻率展寬>400MHz。在這種情況下，目前的雙邊帶工作模式在觀測(cè)河外12CO和13CO (J=1-0) 譜線的時(shí)候，在中頻空間將出現(xiàn)嚴(yán)重的譜線混淆（重疊）現(xiàn)象。再者，由于118 GHz附近大氣中O2分子和大氣水汽的影響，工作在110 GHz附近的毫米波接收機(jī)上、下邊帶大氣的不透明度差異大并且變化劇烈，給觀測(cè)數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)精度帶來了嚴(yán)重的限制。

　　針對(duì)上述問題，在國(guó)家重大科研裝備研制專項(xiàng)支持下，紫金山天文臺(tái)利用最新開發(fā)成功的毫米波邊帶分離混頻技術(shù)，開展我國(guó)第一臺(tái)超導(dǎo)SIS混頻器的多像元成像頻譜儀的研制工作。該設(shè)備研制成功后，將使我國(guó)在毫米波探測(cè)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)從單像元向空間成像的突破，將目前毫米波望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力提升9倍，達(dá)到國(guó)際同類設(shè)備的領(lǐng)先水平，為河外星系中的毫米波譜線觀測(cè)研究、分子云與恒星形成研究、大氣科學(xué)研究等提供最強(qiáng)有力的觀測(cè)支持，使我國(guó)在毫米波段的空間探測(cè)技術(shù)進(jìn)入國(guó)際前沿。

　　2 .裝置綜述

　　超導(dǎo)成像頻譜儀是基于超導(dǎo)隧道結(jié)混頻技術(shù)和邊帶分離技術(shù)的焦平面陣列接收機(jī)，是為我國(guó)大型毫米波望遠(yuǎn)鏡自主研制的新一代接收系統(tǒng)。該設(shè)備在研制過程中發(fā)展了邊帶分離無調(diào)諧超導(dǎo)SIS混頻技術(shù)、高性能低溫中頻技術(shù)、毫米波數(shù)字合成本振及功率分配技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模毫米波系統(tǒng)集成。該設(shè)備是國(guó)際上毫米波段的第一例基于邊帶分離技術(shù)原理的多波束接收機(jī)，也是我國(guó)射電天文領(lǐng)域研制的第一臺(tái)多波束接收機(jī)。

　　超導(dǎo)成像頻譜儀主要包括：邊帶分離SIS混頻器、無調(diào)諧本振源、數(shù)字偏置源、獨(dú)立IF（Intermediate Frequency）以及數(shù)字頻譜儀等主要部分，具體由3×3個(gè)接收饋源，18套由超導(dǎo)SIS混頻器、低噪聲HEMT（High Electron Mobility Transistor）放大器、低溫SiGeHBT（Heterojunction Bipolar Transistor）放大器、數(shù)字SIS偏置電源和HEMT偏置電源、1GHz帶寬16 384通道數(shù)字頻譜儀組成的接收機(jī)，1套數(shù)字本振、4-K致冷杜瓦、前端控制臺(tái)及后端控制臺(tái)計(jì)算機(jī)等組成。

　　在每一個(gè)邊帶分離SIS混頻器單元中，毫米波信號(hào)從饋源被均分成兩路，輸入到兩個(gè)等同的（集成的）混頻器中，本振信號(hào)也同時(shí)被分配到兩個(gè)混頻器上，其中一路的相位被延遲90°。從兩個(gè)混頻器中輸出的中頻信號(hào)IF連接到一個(gè)中頻耦合器上并移相90°，在這里上、下邊帶的IF信號(hào)被分離出來，分別從耦合器的兩個(gè)輸出端導(dǎo)出，信號(hào)的邊帶分離度在10 dB以上。輸出的18路上、下邊帶IF信號(hào)經(jīng)過獨(dú)立的放大，輸入到數(shù)字頻譜儀進(jìn)行頻譜分析。經(jīng)過分離的上下邊帶的IF信號(hào)經(jīng)過獨(dú)立放大，用FFT（Fast Fourier Transformation）數(shù)字頻譜儀進(jìn)行頻譜分析，最終獲得毫米波天體譜線信息。

　　在該設(shè)備中，紫金山天文臺(tái)首次應(yīng)用數(shù)字合成本振源LO（Local Oscillator）。LO信號(hào)來自數(shù)字合成的微波信號(hào)發(fā)生器（12.5—20 GHz），經(jīng)過倍頻器（×2×3），提供75—120 GHz的本振信號(hào)，使混頻器工作在標(biāo)準(zhǔn)的75—116 GHz頻段內(nèi)。使用這種數(shù)字合成本振源相比毫米波接收機(jī)普遍采用的耿氏振蕩器本振信號(hào)解決方案而言具有顯著的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，最主要的體現(xiàn)是接收機(jī)工作頻率的切換可以在瞬間完成，使系統(tǒng)進(jìn)行頻率切換和大范圍頻譜巡查能力有新的提高。

　在多像元接收前端中，9個(gè)像素的本振信號(hào)LO用一個(gè)微波數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器（40 GHz）來提供。該信號(hào)發(fā)生器提供一致的頻率跟蹤，精度為0.01 Hz。微波信號(hào)經(jīng)過3倍頻放大器，在80—120 GHz頻段內(nèi)提供>8 mW的功率輸出。這些LO功率經(jīng)過均分和耦合電橋被耦合到每一個(gè)混頻器單元中。

　　在該設(shè)備中，紫金山天文臺(tái)自行設(shè)計(jì)和研制了超導(dǎo)SIS混頻器數(shù)字偏置電源。該數(shù)字偏置源能提供偏置掃描、恒流、恒壓等輸出模式，并具備全部的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)操作功能，可滿足多像元成像系統(tǒng)中9個(gè)SIS混頻器的實(shí)用需求。

　　另外，在該設(shè)備中，紫金山天文臺(tái)首次應(yīng)用了基于FPGA（Field Programmable Gate Array）的寬帶、高分辨數(shù)字FFT頻譜儀。頻譜儀共計(jì)接受18路獨(dú)立的IF輸入。每路獨(dú)立進(jìn)行8-bit、1Gs/s采樣或單獨(dú)一路進(jìn)行2Gs/s采樣，瞬時(shí)帶寬為1 GHz。采樣后的數(shù)據(jù)流用FPGA進(jìn)行實(shí)時(shí)FFT頻譜運(yùn)算。基于FPGA芯片，實(shí)時(shí)處理1GHz信號(hào)帶寬、頻點(diǎn)數(shù)為16 384的知識(shí)產(chǎn)權(quán)內(nèi)核也由項(xiàng)目組研發(fā)，具有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

　　除以上創(chuàng)新點(diǎn)以外，超導(dǎo)成像頻譜儀在研制過程中采用的其他關(guān)鍵技術(shù)主要還有：采用商用室溫微波器件，研制了4K溫度工作的高性能IF Hybrid和50K溫度工作的高性能SiGeMMIC（Monolithic Micro-wave Integrated Circuit） LNA（Low Noise Amplifier），實(shí)現(xiàn)了低溫環(huán)境下后級(jí)中放集成，提高了中頻系統(tǒng)穩(wěn)定性、集成度及噪聲性能；SIS混頻器實(shí)現(xiàn)了全頻段內(nèi)動(dòng)態(tài)阻抗接近50W，展寬了可穩(wěn)定工作偏置電壓范圍，結(jié)合低溫MMIC LNA實(shí)現(xiàn)了無隔離器混頻前端；采用了簡(jiǎn)單的透射型準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)，并引入低溫透鏡降低信號(hào)傳輸損耗對(duì)系統(tǒng)噪聲的貢獻(xiàn)。

　　3 .組織與管理

　　在組織管理方式方面，超導(dǎo)成像頻譜儀研制項(xiàng)目實(shí)行主管部門領(lǐng)導(dǎo)下的單位法定代表人負(fù)責(zé)制，成立了項(xiàng)目管理工作組和研制項(xiàng)目組，聘請(qǐng)項(xiàng)目專家組成咨詢組。項(xiàng)目管理工作組主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目的全過程管理，組長(zhǎng)由紫金山天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)擔(dān)任，成員由單位主要領(lǐng)導(dǎo)、項(xiàng)目專家委員會(huì)、主要職能部門以及項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和相關(guān)專家組成。研制項(xiàng)目組主要承擔(dān)項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)研制任務(wù)。專家咨詢組對(duì)項(xiàng)目的技術(shù)方案和科學(xué)應(yīng)用目標(biāo)進(jìn)行審核，對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案中的重大問題提出咨詢意見，對(duì)研制過程中的重大調(diào)整和糾錯(cuò)提出咨詢意見。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　4. 應(yīng)用

　　超導(dǎo)成像頻譜儀于2010年底研制完成，其噪聲溫度和邊帶分離度兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)均超過設(shè)計(jì)要求。該設(shè)備于2010年11月成功安裝到青海德令哈13.7米望遠(yuǎn)鏡，立即投入了超新星遺跡、星際分子云、恒星形成區(qū)等若干課題觀測(cè)。以對(duì)超新星遺跡IC443 B點(diǎn)附件受到激波擾動(dòng)氣體的分布成圖觀測(cè)為例，使用“超導(dǎo)成像頻譜儀”結(jié)合OTF（on-the-fly）觀測(cè)方式，僅用時(shí)40分鐘即得到了高信噪比圖像。而采用原有單像元系統(tǒng)，覆蓋相同的區(qū)域，使用逐點(diǎn)掃描方式得到質(zhì)量接近的結(jié)果則需要700分鐘。經(jīng)過對(duì)比觀測(cè)結(jié)果可以清楚地看到，前者有更高的對(duì)比度和更小的背景起伏，這是大幅縮短了觀測(cè)時(shí)間后減小了大氣變化和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)慢飄對(duì)背景影響的結(jié)果。另外，已完成的一系列應(yīng)用對(duì)比顯示，與以往的單波束接收機(jī)相比，超導(dǎo)成像頻譜儀使望遠(yuǎn)鏡的綜合觀測(cè)效能有了大幅的提高?；谠撛O(shè)備按計(jì)劃、高質(zhì)量地完成了研制任務(wù)，2010年12月16日，超導(dǎo)成像頻譜儀研制項(xiàng)目順利通過驗(yàn)收。

　　5. 發(fā)展展望

　　新的邊帶分離超導(dǎo)成像頻譜儀在天文觀測(cè)中的應(yīng)用將使我國(guó)毫米波望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)能力在現(xiàn)有的水平上提高幾十倍，使我國(guó)毫米波射電望遠(yuǎn)鏡在國(guó)際同類設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)中取得“領(lǐng)先”地位。該成像譜儀將用來獲得星際氣體分布的“三維立體”數(shù)據(jù)，為天體演化和太陽系起源研究提供最詳實(shí)的資料。它的直接應(yīng)用還包括空間和地面的大氣科學(xué)觀測(cè)、大氣臭氧層和微量分子探測(cè)、分子波譜實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域，在其他科學(xué)和工程領(lǐng)域也將有重要的應(yīng)用意義。最近，科研人員開始組織銀河系分子譜線的系統(tǒng)巡天-銀河畫卷計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃將在今后5—10年的時(shí)間里將北天銀道面的星際分子云全面覆蓋，預(yù)計(jì)將取得一批系統(tǒng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，巡天數(shù)據(jù)也將提供國(guó)內(nèi)外各個(gè)天文研究領(lǐng)域的人員共享使用。

　　由于其具有高靈敏度的探測(cè)能力和多波束、大天區(qū)的覆蓋能力，使用該設(shè)備能夠以前所未有的高速度對(duì)宇宙毫米波射電源進(jìn)行頻譜成像觀測(cè)，獲取天體的化學(xué)成分、溫度、分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等性質(zhì)，使人們能夠?qū)Υ罅?、彌散的星際介質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)、完整的毫米波段觀測(cè)，獲得行星、恒星及宇宙演化重要階段的圖像，對(duì)探索天體物理重大問題和發(fā)展毫米波射電天文理論和技術(shù)具有重要的基礎(chǔ)意義。