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我国建设的世界最大射电望远镜(500米FAST)专题:投入使用

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ssizz 发表于 2018-6-4 14:02 | 显示全部楼层

“天眼”FAST调试工作纪实:白天抠精度 晚上试观测

与脉冲星有关的中国故事
  “天眼”FAST调试与试观测工作纪实
  事情和想象的并不一样。
  “今天晚上从9点55分开始观测,持续到明天早上8点30分。” 记者终于争取到进入FAST基地总控制室体验望远镜观测的机会,决定瞪大眼睛熬一整夜。

                               
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500米口径球面射电望远镜FAST之上的星空。FAST摄影团队提供

  前不久,中国科学院国家天文台刚宣布了一个喜讯——500米口径球面射电望远镜(FAST)首次发现毫秒脉冲星,再次激发了大家对天文的热情,于是中国青年报·中青在线记者前往贵州,揭秘发现脉冲星背后的故事。
  但这个100平方米左右的总控制室太让人意外了——这里没有严阵以待穿着统一制服的工作人员,没有会变出奇异图形或复杂代码同时还闪着各种不同颜色光的大屏幕,没有紧张的口令,没有急促的脚步声,也没有击掌和欢呼声……只有一排电脑安静地端坐在桌子上,和一个同样安静地端坐在电脑前的年轻小伙子。
  “你的同事还没来吗?”记者试探着问。
  “他们输入完观测数据已经走了。我一会儿写完总结也走了。” 小伙子叫李志恒,操作笔记本电脑,身穿白T恤衫和牛仔裤,是FAST调试组的一名工程师。
  9点55分到了。从遥远的太空传来的电磁波无声无息地落在群山环抱的大窝凼里,然后转换为信号静谧地流淌进计算机集群,计算机沉默地跑着数据,凭借调试人员设计的程序努力辨别脉冲星信号。
  原来,那些惊天动地的新发现诞生得这么安静。
  与脉冲星有关的中国故事,就从这个万籁俱寂的地方开始。
  两位学者之争论
  古今中外,总有一些人想弄明白这几件事:我们从哪儿来?宇宙有多大?最小的粒子有多小?
  在贵州的深山里,就有这么一群人。
  写完工作总结的李志恒打开一款名为Stellarium的天象模拟软件,展示出一片效果逼真的太空。“我们的工作有点像淘金。” 他指着银河系的繁星对记者说。
  目前全球经认证的脉冲星共有2600多颗,它们可以成为人们研究“最小粒子”的实验室、帮忙探索宇宙到底有没有边界等。这种能对人类认知宇宙产生巨大帮助的天体就像金子一样稀有和珍贵。
  只是,在2016年FAST落成启用之前,这项为人类天文事业“淘金”的工作中国还没有成为主力。为此,FAST的总工程师南仁东生前说:“别人都有大射电望远镜,我们没有,我挺想试一试。”
  20世纪90年代初,在国家天文台工作的南仁东最初将中国的大射电望远镜梦寄托在了平方公里阵列望远镜SKA身上。那是一项大型国际科研合作项目,其技术路线是将上千个反射面天线和100万个低频天线组成一个超过100万平方米的接收区域,收集来自宇宙的电磁波信号。
  当时在国际射电天文圈里有两张活跃的中国面孔,一个是南仁东,另一个是他的师弟,后来成为FAST工程副经理的彭勃。他俩轮流飞往国外参加研讨,执着地想将SKA的建设引入中国,别人笑称彭勃是“SKA独立大队”、南仁东是“SKA独立支撑”。
  但有天这两个互为支柱的人吵起来了。
  这条路越往前走南仁东越觉得走不通,他开始反对在中国建SKA。“把SKA弄过来,弄死你我,都弄不成!” 他跟彭勃说,南仁东的学术风格以“谨慎保守”著称。
  “先弄过来!弄死你我,还有后来人!” 彭勃和南仁东正好相反,他外号叫“彭大将军”,出了名的敢想敢说敢干。
  而后经过多次争论和多方论证,南仁东和彭勃的同门师兄,天文学家吴盛殷计算出,在中国建设一个约500米口径的射电望远镜最合适,既能超越已有设备,又现实可行。大家便统一想法,将SKA的梦想,嫁接到现如今的FAST身上。
  于是一群对探索终极问题有热忱的人开始创业。
  为了解决望远镜的支撑问题,他们需要找到一个天然的“大坑”,让望远镜像一口锅一样“坐”在里面;为了解决电磁波信号接收机,即馈源舱的移动问题,他们需要设计一个可靠又省钱的机械结构;为了让望远镜能够在最大范围内灵活追踪天上的目标,他们需要望远镜反射面能动——正是这些挑战,逼出了FAST的三大技术创新。
  梦想裹挟着创新的风险一步一步把时间的坐标推到今天。他们成功了,FAST成为世界上最灵敏的射电望远镜。
  不过FAST工程团队名单上前三位中,南仁东和吴盛殷已去世,当年算得上是年轻人的彭勃也戴上了老花镜。
  彭勃记得他早年作为留学生代表接受德国电视节目采访时说:“中国也要在望远镜灵敏度发展曲线坐标图里点个点!” 朋友听了这话私下跟他说:“你敢在德国吹牛。要点个点,就必须做第一,当世界老大。”
  “当老大就当老大!” 他回答说。从FAST的想法成形,到今天成为全球最灵敏的宇宙“淘金”设备,过去了20年,尽管时间长了些,但彭勃并没有吹牛。
  “那个造望远镜的过程就像怀孕。” 准备收工的李志恒告诉记者,他回头看了一眼总控室的监测屏幕,接着说:“我们现在调试的过程,相当于要把这个孩子养育成才。”
  时间来到2018年,更年轻的人们继续探寻终极问题的答案。

http://www.chinanews.com/gn/2018/06-04/8529482.shtml
ssizz 发表于 2018-6-4 14:04 | 显示全部楼层
(续)
无先例可循
  FAST调试组正式成立于2017年4月,成员数10人,80后岳友岭是调试组的负责人之一。调试组成员大多是FAST团队中的第二代和第三代人,也是现在的中坚力量。
  当年FAST令人骄傲的三项自主创新延伸至今,便意味着调试工作在国际上“无先例可循”。这些平均年龄30多岁的科学家和工程师,正小心翼翼地为射电天文观测开辟一种新的、中国的解决方案。
  “简单来说,FAST相当于人类感官的延伸。”总控室里的计算机集群嗡嗡作响,晚上11点多,李志恒继续搜肠刮肚地打比方。
  我们的感官无法识别和处理宇宙中的天体传来的电磁波信号,FAST的运行系统就充当了媒介的角色,它将信号收集、处理、再翻译成人类能理解的形式。
  但中间这个转换的过程非常复杂。拿观测脉冲星来说,天体呈周期性发射的微弱的电磁波射向地球,有一部分落在FAST的反射面上,反射面将这种电信号汇聚到馈源舱接收机处,接收机将电信号转换成光信号,通过光缆将光信号传回总控室,再把光信号转换回电信号,进而转换成数字信号,计算机集群就根据事先设定好的程序将这些数字信号储存、计算,最终结合科学家的分析,识别出能够代表脉冲星的一串特殊的信息。
  由于FAST的技术路线新颖,以上每两个逗号之间,都有难以计数的问题等着调试人员去解决。
  岳友岭告诉中国青年报·中青在线记者:“截至去年年底,望远镜的功能性调试任务都已经完成,此后一直在调试性能。望远镜性能的提升,就是精度的提高。”
  所以他们现在的日常工作是白天“抠精度”,晚上试观测。
  远看FAST就像一口直径500米的大锅,“锅沿儿”上伫立着6个百米高塔,每个塔伸出一条钢索,6根钢索提着一个形状不规则的白色舱室移动,舱室的下方是由4450块三角形面板拼成的“锅面”,而“锅底”还有数千根钢索织成的索网,用来支撑这口“大锅”和牵引“锅面”运动。
  让这个庞大的装置达到豪米级精度殊为不易。“抠精度”的过程,可谓险、难、繁、重。大家经常卡在某个问题上,“一卡就是一两个月”。
  例如,FAST主动反射面的面板与面板之间有2225个节点,柔性钢索拉动节点位置运动以带动面板运动,形成不同的抛物面,以达到反射面能够“跟踪”的效果。每根钢索靠插在大窝凼草丛中的液压杆促动器驱动。工程师张志伟就管理着这2225个促动器。调试以来,“通信延迟”、下雨、大雾、鼠蚁作乱等状况频频发生,为了让反射面面板“听话”,张志伟他们在一年多的时间里设计出了上千套参数,以应对各种反射面变形需求。现在反射面节点的理论位置和实际位置误差被控制在了5毫米以内。
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500米口径球面射电望远镜FAST反射面上的测量靶标。FAST摄影团队提供
  再如,在精度达标的情况下,FAST采集到的数据就成了科学家可靠的分析资料,他们和他们设计的算法一起,在海量数据里搜索脉冲星的身影。但难就难在,尽管世人已知脉冲星可以发出周期性信号,可并不知道这个周期到底是多少,“可能是0.01秒、0.011秒、0.1秒……” 岳友岭说,因此科学家们需要不停地改进算法,去排查各种可能的周期,工作量着实不小。
  岳友岭认为,FAST调试进度很难量化,尽管试观测效果已经超越了现有的其他射电望远镜,但要达到“好用”,还要解决数不清的问题。
  “我们不怕折磨,我们能找出问题出在哪儿,就是需要想办法解决。”调试中遇到的“麻烦”在岳友岭眼里,都可以用“有趣”来形容。
  岳友岭是个爱动手的天文专业博士后,38岁就头发花白,但仍有一双18岁的眼睛,里面写着理想和激情。他不觉得自己苦,“立下汗马功劳的是那些年轻人”。
  我们也挺伟大的
  在调试工作中,岳友岭的角色是站在望远镜硬件调试和搜索脉冲星算法的衔接处,负责确保信号准确无误地从望远镜流入到算法中。
  现在岳友岭隔三岔五从北京跑一次贵州,打扮得像个风尘仆仆的背包客。他就属于那种乐于追求人类终极问题的人。
  他可以耐着性子从FAST讲到脉冲星讲到引力波再讲到黑洞,绕一圈再讲回FAST,连续讲两个小时,只是一谈到自己就支吾不清。你要问他为什么这么喜欢留在FAST孜孜不倦地解决各种“麻烦”,他只能拍着大腿幸福地重复三遍:“我觉得这个事情特别有意思……就是特别有趣!就是……就是……就是你小时候学过的那些事,现在终于可以自己亲手做了!”
  南仁东和彭勃把自己的人生倾注在FAST上20年,岳友岭和张志伟他们也已经干了快10年,在这些“牛人”面前,李志恒觉得自己就像“小蚂蚁”一样微不足道。但他在这项举世瞩目的大工程里,也找到了自己的价值感。
  和李志恒在总控室里的谈话一直进行到夜里12点,话题从“谈技术”转移到“谈人生”和“谈理想”。
  “为什么说自己像蚂蚁?” 记者问。
  “我们做的其实都是很小、很基本的事情。” FAST团队里像李志恒一样做基础工作的人很多,他觉得:“大家就像蚂蚁搬家一样,举起块石头都不知道是谁出的力,但少了谁也不行。”
  趁着喘气的空当,他把写好的工作总结放在邮件里发给了上级。
  “发现脉冲星的时候你兴奋吗?” 记者问。
  “兴奋?是遗憾吧!” 这是他的第一反应。
  “我们探测到第一颗脉冲星候选体时没有立刻跟南老师说,等到被认证了才告诉他,发出的那封邮件他再也没回过。” 李志恒说,“南老师知道这个孩子会走了,会跑了,但没亲眼看到他拿奖。”
  2017年10月10日,中国科学院国家天文台宣布FAST取得首批成果——其探测到的脉冲星候选体中有6颗已通过国际认证,这是中国射电望远镜首次新发现脉冲星。而南仁东逝世于9月15日。
  “不过,也还是会高兴。” 李志恒又想了想说。
  宇宙之浩瀚难以想象。可观测的宇宙中含有1000亿个像银河系这样的星系,而人类所在的银河系中含有1000亿个像太阳一样的恒星。可想而知,这些天体发出的电磁波穿越遥远的时空传到地球上时已十分微弱。射电天文事业从上世纪60年代发展至今,接收到的电磁波都加在一起转换成热量,也烧不热一杯咖啡。
  李志恒觉得,尽管人类的感官没办法直接感知宇宙中如此微弱的信号,“却能凭着自己的一小坨脑花”,想出各种办法去探知宇宙里发生的事情,“有时候想想,我们也挺伟大的”!
  第二天下午,李志恒所说的“蚂蚁”工程师陆续聚到总控室,做当天的观测准备工作,继续以“蚂蚁搬家”的方式,为射电天文科学的发展探索中国解决方案。
  目前,FAST发现的脉冲星已超过15颗,接下来,它将从脉冲星“专业户”转型成多栖“观天利器”。
  最近,“天眼”将“眼珠”升级,安装了新的馈源——目前世界上唯一一台十九波束接收机。这个新装备与原来的单波束接收机相比,不仅可以将FAST的巡天效率提高数倍,还能够实现多科学目标同时观测。
  这意味着,未来不仅在脉冲星,而且在中性氢等天文观测成果中,会产生更多的中国故事。
  中国青年报·中青在线记者 张茜
http://www.chinanews.com/gn/2018/06-04/8529482.shtml
surfman 发表于 2018-9-9 01:02 | 显示全部楼层
“天眼”调试,让眼珠动起来!
发表日期:2018-06-13
http://www.nao.cas.cn/xwzx/zyxw/201806/t20180614_5026953.html
 
一、“天眼”调试,让“眼珠”动起来!
  一般来说,巨型望远镜调试都会涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科领域,是一项强交叉学科的应用性研究,所以国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于四年。而FAST开创了建造巨型射电望远镜的新模式,它的调试工作也更具挑战性。
  FAST巨大的接收面积注定了它有其它望远镜无法比拟的优势,即超高的灵敏度。但任何事情都是两方面的,你不可能占尽所有的好处,所以FAST在取得灵敏度优势的同时也付出了代价。
  相对其它望远镜来说,它的系统构成更加复杂(见图1)。一般望远镜只有俯仰轴和自转轴两套驱动控制系统。相比之下,FAST仅反射面控制就需要2200多台促动器协同动作,并且索网把2200多台促动器联在了一起,形成了一个复杂的耦合控制系统,可以说“牵一发动全身”。

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图1:FAST与传统望远镜的对比,明显看出FAST系统构成要复杂得多,也更容易受设备故障的影响。同时,还有30吨馈源舱漂在高空,安全风险极大。所以调试初期,我们更多关注的是安全方面的问题,一方面制定严格的安全措施确保安全操作,另一方面发展新的技术方法提高望远镜正常工作对设备故障的容忍度。

  我们不太可能每坏一台促动器就马上去维修它,不然促动器维修工作就会占用大量的有效观测时长。这时候,如何评估索网的安全就非常重要了。
  如果布置大量的传感器,传感的失效率、精度漂移等问题,可能会导致漏报或虚报故障的问题,这会令我们的工程师很头疼。 为了提高整个系统对设备故障的容忍度,调试团队研发了一套非常有趣的主动安全评估系统,这个系统可以实时读取促动器的位置信息,并将其输入到力学模型中,实时地进行力学仿真计算。也就是说,索网怎么动作,计算机的索网模型就怎么动作,从而可以计算出所有索力并进行安全评估。
  必须得强调,这是实时力学仿真技术在安全评估领域的首次成功应用。力学仿真相比于传感器就可靠多了,它是数学工具,就像1+1永远会等于2,非常的简单可靠,非常适用于我们这个复杂的控制系统。
  馈源支撑系统也同样不简单(见图2)。它控制主要分两级。
  第一级是通过六根几百米的绳子对30吨的馈源舱实现的概略控制,要在140米高空、200多米的尺度范围内,把馈源舱定位精度控制在48毫米以内。
  第二级是通过舱内的AB轴(万向轴)和Stewart平台实现接收机二级精确定位,对安装在馈源舱内的接收机相位中心进行二次精调,最终需要实现的控制精度要达到10mm以内。同时,如果馈源舱在风、雨等动力载荷下产生晃动,二次精调平台,还可以起到消振的作用。怎么样,想想都觉得不可思议吧。
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   图2:馈源支撑控制系统原理图,可见馈源支撑系统的控制分两级,第一级是通过六根钢索实现馈源舱48mm的定位精度,第二级是通过舱内的精调平台实现10mm的定位精度,而且这个精度是在140米的高空,200多米的范围内实现,看着就很难吧?

  尽管FAST做了3米、10米、30米和50米的模型试验。但是动力学实验很难实现完整的相似性,例如阻尼特性的实验就很困难。所以不管你做多少实验,都不能说明600米尺度下会不会有问题。
  非常地幸运,经过调试团队半年左右的努力,发展的实时力学仿真技术大幅提升望远镜对设备故障的容忍度,馈源支撑系统也实现了系统集成,最终于2017年8月27日第一次完成了反射面和馈源支撑的协同动作,首次实现了对特定目标的跟踪观测,并稳定地获取了目标源射电信号(见图3)。这意味着天眼的“眼珠”可以转动了!
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图3:2017年8月27日,“天眼”首次实现对特定目标源的跟踪,一次跟踪10分钟,一次跟踪40分钟,稳定地测到目标源的信号。这标志望远镜最具难度及最具风险的功能性调试完成了,这是有历史意义的一刻。

  此后,“中国天眼”就可以克服地球的自转,对天体目标源进行跟踪观测。要知道望远镜的灵敏度不仅与其接收面积有关,还与望远镜的跟踪时间有关。就像人的眼睛一样,只是扫视一下的话,我们只能看个大概的轮廓。如果想看清细节,就需要对着目标仔细地端详一段时间。
  其实,这也是FAST最重要的一个功能,只有能跟踪了,天眼才能充分发挥它的最优性能。南仁东先生曾经说过,不能跟踪就不能叫FAST,可见他对望远镜跟踪功能的重视和期待!
  相比国际上现有的大型射电望远镜,FAST是一架非传统的巨型射电望远镜,工作方式更加特殊,其调试工作没有成熟的经验可供参考。而且系统构成更加复杂、安全风险大,FAST团队能在短期内实现望远镜的全部功能性调试,完成了最困难、最有风险的调试环节,其进度已经超过国际一般惯例及同行预期。
    在实现望远镜的功能性调试之后,余下的任务主要就是如何提升望远镜的性能,相对来说工作的风险性要小很多了,但工作的细节和琐碎性更加繁杂。
  二、精抠细节,擦亮“天眼”
  望远镜功能性调试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。
  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。
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  图四: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。
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    图五: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5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。
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    图六: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。
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图七: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。
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图八: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!
fly2014 发表于 2018-9-17 11:08 | 显示全部楼层
15日,首届中国·天泉湖天文论坛在江苏盱眙举行。中国500米口径球面射电望远镜(FAST)首席科学家、中国科学院国家天文台研究员李菂在论坛上表示,被誉为“中国天眼”的FAST经过两年的紧张调试工作,现已实现了跟踪、漂移扫描、运动中扫描等多种观测模式,数项关键指标超过预期。截至目前,已发现了44颗被确认的新脉冲星,有望明年下半年完成验收并向全国天文学家开放使用。

研究脉冲星有望解决许多重大物理学问题

经过工作人员的精心调试,如今“天眼”视力越来越好,脉冲星的批量发现也随之开始。

去年10月10日中科院国家天文台就曾对外公布,FAST首次发现脉冲星,当时探测到数十颗优质脉冲星候选体,其中6颗通过国际认证。近一年过去,如今新发现脉冲星的数量又有突破。截至目前,FAST已经探测到59颗优质的脉冲星候选体,其中已经有44颗得到认证。

“特别是今年2月探测到有史以来最暗弱的毫秒脉冲星之一,这颗脉冲星是其他国家很多望远镜看了多次却都没有看到的。这充分证明了FAST在灵敏度方面的优势。”李菂说。

搜寻和发现射电脉冲星是FAST核心科学目标。脉冲星由恒星演化和超新星爆发产生,因发射周期性脉冲信号而得名。自1967年发现第一颗脉冲星以来,过去50年里,人类发现的脉冲星家族至少有2700个成员。

“脉冲星是一种高速自转的中子星,它的密度极高,每立方厘米重达上亿吨。它的自转速度很快、自转周期精确,是宇宙中最精确的时钟。”李菂说,“因此,它具有在地面实验室无法实现的极端物理性质,是理想的天体物理实验室,对其进行研究,有希望得到许多重大物理学问题的答案。譬如,脉冲星的自转周期极其稳定,准确的时钟信号为引力波探测、航天器导航等重大科学及技术应用提供了理想工具。”

“通过对快速旋转的射电脉冲星进行长期监测,选取一定数目的脉冲星组成计时阵列,就可以探测超大质量双黑洞等天体发出的低频引力波。”李菂说。



巨大的接收面积和超高灵敏度,才能看清天体目标的细节

自2016年9月25日落成启用后,FAST望远镜就正式进入为期3—5年的调试期。

一般来说,巨星望远镜调试期都会涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科领域,是一项强交叉学科的应用性研究,所以国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于4年。

FAST总工程师、中科院国家天文台研究员姜鹏说:“FAST巨大的接收面积注定了它有其他望远镜无法比拟的优势,即超高的灵敏度,但这也使得它的系统构成更为复杂,因此它的调试工作也更具有挑战性,也更容易受设备故障的影响。同时,还有30吨馈源舱(安放FAST望远镜用来接收宇宙外信号装置系统的舱体)漂在高空,安全风险也极大。”

但调试团队不畏困难,经过半年左右的努力,最终于2017年8月27日第一次完成了反射面和馈源支撑的协同动作,首次实现了对特定目标的跟踪观测,并稳定地获取了目标源射电信号。这意味着“天眼”的“眼珠”可以转动了,也标志望远镜最具难度及最具有风险的功能性调试完成了。

姜鹏说:“此后,‘天眼’就可以克服地球的自转,对天体目标源进行跟踪观测。要知道望远镜的灵敏度不仅与其接收面积有关,还与望远镜的跟踪时间有关。就像人的眼睛一样,只是扫视一下的话,我们只能看个大概的轮廓。如果想看清细节,就需要对着目标仔细地端详一段时间。其实,这也是FAST最重要的一个功能,只有能跟踪了,‘天眼’才能发挥它的最优性能。”

在实现望远镜的功能性调试之后,余下的任务主要是如何提升望远镜的性能。

姜鹏说:“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19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。”

静态扫描已达验收指标,正为观测河外星系脉冲星做准备

姜鹏表示,有了19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,还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等。”姜鹏说,截至目前,调试工作已取得了一些非常可喜的进展。比如,望远镜的系统噪声已经控制在20K左右的水平,同时静态扫描模式下的效率已经达到50%以上,望远镜的灵敏水平已经达到了1800平方米每K的水平,可以说静态扫描工作模式已经达到了望远镜的验收指标。下一步的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。

对于观测范围可达已知宇宙边缘的“天眼”来说,发现脉冲星只是使命之一。未来,它还将在中性氢观测、谱线观测、寻找可能的星际通讯信号等方面进行探索发现。

中外科学家也都期待“天眼”的发现从量变转为质变。“天眼”若能第一个捕获河外星系脉冲星,将具有开创性意义。李菂和他的研究小组已经在为观测河外星系脉冲星做技术上的准备,最早于明年初会进行尝试。
http://tech.ifeng.com/a/20180917/45169704_0.shtml
StdNormDist 发表于 2018-9-19 21:21 | 显示全部楼层
“中国天眼”旅游火了,到底会不会影响科学探测?
2018 09/19 08:01   科技日报
https://new.qq.com/cmsn/20180919/20180919002675.html

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贵州平塘被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)。 新华社 图

“我们就想来看看,这口‘大锅’到底是怎么样的……”一位来自南京的游客说。9月中旬,贵州境内大范围降温,细雨绵绵,但这丝毫抵挡不住游客的热情。在天文小镇,一辆辆标着“平塘天文科学旅游”字样的旅游大巴接踵而至。毫无疑问,10公里外的FAST——这个世界最大的单口径射电望远镜,才是游客的目的地。蜂拥而至的游客,让贵州的科普旅游炙手可热。

与此同时,一个不容忽视的事实是,FAST调试两年来,来自外界的疑问始终未消失:旅游火了,到底会不会影响FAST的科学探测?

抵达景区须经三道关卡

FAST景区并不售卖门票,游客只需支付50元的摆渡车费用,便可前往免费参观。当然,更多的游客还愿意多花上50元,进入天文体验馆开开眼界。

尽管只有10公里多一点的路程,但游客从天文小镇抵达FAST景区并不容易,须经三道关卡、两次安检。

按照规定,乘坐摆渡车之前,游客须将手机、智能手环、平板电脑等一切电子产品寄存在游客服务中心。如果拒绝配合,则将被谢绝进入FAST景区。为此,游客服务中心还在醒目的地方打出了警示提醒。被禁止带入的,还有车钥匙、火机、火柴,以及水果刀、剪刀等物品。安检之严格,远胜机场。

前往FAST景区的摆渡车也是改装过的,GPS被卸掉,而且游客并不能进入FAST台址,只能乘坐摆渡车从旁边绕过,在经过一道更为严格的安检后,登上观景台远远眺望。

想拍照怎么办?可以租用景区提供的全手动胶卷相机。FAST周围没有手机信号覆盖,只有有线电话亭可以免费使用。

“虽然比较麻烦,但是完全能理解,我们也不想给FAST带来任何干扰。”来自贵州兴义的游客黄祎表示。事实上,为了一睹FAST的真面目,“不怕麻烦”的游客,又何止黄祎一人?

《黔南日报》报道称,2018年上半年,平塘县实现旅游总收入55.18亿元,同比增长38.74%,共接待游客513.63万人次,同比增长40.58%。其中,省外游客为296.74万人次,同比增长42.05%。

虽然FAST景区的游客接待量不得而知,但科普旅游之火,可见一斑。

作为首批中国十大科技旅游基地,FAST景区的科普旅游经济初见雏形。星辰、星缘、吉星……在天文小镇,随处可见带着这些字样的酒店、农家乐。从FAST核心区搬迁出来的村民龙宝学,在天文小镇经营一家餐馆,开业第一天的营业额高达3万元,“每逢节假日,天文小镇的大街都被挤得水泄不通,餐馆和宾馆根本供不应求”。

为了加强管控,贵州平塘方面规定,FAST景区每天接待游客限额2000人。从9月20日起,FAST景区一律实行实名制网上订票,不再提供现场售票服务。

30公里宁静区为FAST保驾护航

和龙宝学一样,从FAST核心区搬迁出来的,达上千户数千人。

事实上,贵州所做的,远远不止移民搬迁。在中科院国家天文台FAST工程副经理兼办公室主任张蜀新看来,无论是在核心区清理无线电台,还是永久关停移动通信基站,乃至关停矿山,贵州在FAST宁静区特别是核心区的电磁波环境管控上,力度不可谓不大。

和光一样,无线电波也是一种电磁辐射,在太空中穿行遥远的距离,非常暗弱。要保证FAST能“捕捉”到那些来自太空深处天体发出的极其微弱的无线电波,必须确保其免受周边无线电射频信号的干扰。

鉴于FAST望远镜的高灵敏度,以及台址周边情况复杂,早在2013年,贵州省就以省长令的形式发布了《贵州省500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》,以FAST台址为圆心,将周边30公里内设置为宁静区,分层级严控电磁波干扰。其中规定,半径5公里内为核心区,5至10公里内为中间区,10至30公里内为边远区。

2016年9月颁布实施的《黔南布依族苗族自治州500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区运行环境保护条例》,则把保护FAST运行环境上升到了法律的高度。在30公里宁静区内,电磁波管控、植被地貌保护以及森林防火等工作都被纳入法律保护的范畴,特别是在核心区内,杜绝一切和FAST无关的建设项目,严禁设置、使用无线电台(站),严禁建设产生辐射电磁波的设施。这意味着,核心区内将不得使用手机、电视、微波炉、汽油车等。此外,在中间区和边远区,电台等设备的发射频率和功率也受到相应的限制。

为什么宁静区是30公里,而不是40或50公里?张蜀新解释说,保护范围的划定,主要考虑既要保障FAST的正常运行和科学探测,又要尽可能减少对地方经济发展的影响。同时,这也是国家天文台基于电磁环境跟踪监测及实验而提出的意见与建议,经过了国家天文台和贵州省的反复论证。

电磁环境质量“比较优良”

远观FAST的游客尚且受到严格约束,驻守台址的科学家和工作人员更像过着深山隐居的生活。由于附近的通信基站已被悉数关闭,他们只能借助固定电话和外界联系。手机、手环不能打开,没有微波炉,数码照相机和无线网络也不能随便使用,就连看似无害的电吹风之类,也因为会发出射频干扰而受限。进入台址的考察人员,即便是国内外重量级嘉宾,也无一例外要严格遵守这里的“游戏规则”。

即便如此,防干扰措施仍必不可少。除了配备高标准的屏蔽和滤波装置,早在FAST正式投用之前,电磁兼容工作组就已经进驻,专门负责FAST周边地区无线电环境的监测、保护和协调,以及FAST的电磁兼容设计和整改、测试工作。为保障FAST正常运行,从2005年起,国家天文台就与贵州无线电管理机构一起重点进行了无线电干扰监测和分析。

中科院国家天文台FAST工程总工程师姜鹏说,电磁环境对FAST望远镜的科学意义重大,通过周边电磁环境监测分析,到目前为止FAST电磁环境总体质量还是比较优良的。“同时,需要说明的是,虽然游客增多会给管理带来相应的压力,但只要管理得当,游客人数并不是一个重要的影响因素,只是需要强有力的管控措施。从目前的情况看,地方政府对FAST核心区电磁环境的保护还是卓有成效的。”

其实,FAST能落户贵州,科研人员也乐于见到科普旅游拉动地方经济发展,助力脱贫攻坚。只是,如何在科学探测和经济发展之间找到平衡点,让FAST发挥最大的功效,或许是国家天文台和贵州省必须共同面对的问题。

姜鹏说,根据调试工作的进展,FAST即将全面开始科学运行,这需要国家天文台和地方政府、无线电管理机构强化协作,特别是在中间区和边远区深化保护措施。同时,当地有关部门正在考虑设立专项,开展常态化的监测工作,完善保护策略,以稳定并提升电磁波环境质量,保障FAST充分发挥其科学能力。

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