FAST是一个主焦望远镜。馈源（也就是接收信号的装置）放在主焦点上。所以FAST的光路比较简单，只有一次反射。这有一些好处，也带来一些复杂性。

这是FAST的光路图，在观测的时候，使用下拉索调整口径300米区域的一部分反射面单元，可以形成一个抛物面，观测不同方向的源，使相应区域的反射面变形为抛物面。同时，馈源舱携带馈源在焦面上运动，保证相位中心总是处于抛物面焦点。

FAST光路图

信号聚焦之后，由接收机接收，转换为数字信号进行处理。由于望远镜和观测室距离超过一千米，为保证衰减较小，信号是通过光纤传输的。FAST目前有七套接收机，覆盖了70 MHz-3 GHz频段。其中超宽带接收机和多波束接收机是两台进行了试观测，取得了观测成果的接收机。

一台望远镜能观测什么，取决于和观测有关的一些因素。其中包括但不限于灵敏度、空间分辨率、时间分辨率、频率分辨率、带宽、积分时间、地理位置、天顶角、人力及思想（Human bandwidth）。

抛开积分时间、带宽等因素，评价一台望远镜的本征灵敏度可以用有效接收面积除以系统温度。所以要想本征灵敏度高，有效接收面积要大，系统温度要低。一度，我们对FAST的这个指标没有信心，觉得大概达到1600平方米每开尔文都很困难。但现在看来2000平方米每开尔文是可以达到的。有效接收面积当然不能增大，主要是系统温度降低了，近年来，世界上的接收机技术进步了。使用19波束接收机，FAST的系统温度大约为20 K，这就到达了2000平方米每开尔文。FAST在1.4 GHz的波束宽度是2.9角分，满月的宽度是30角分，人眼的分辨率大约是0.3角分。所以从看清楚的角度来说，FAST不如人眼，不过已经很不错了，很多射电望远镜看月亮都只是一个点。关于时间分辨率，由于FAST是数字采样，可以很高，首先的限制是时间宽度和频率宽度之间的不确定关系，这是傅里叶变换的性质造成的。目前为了探测毫秒脉冲星，时间分辨率设为几十微秒。关于频率分辨率，参考时间分辨率，也要满足不确定关系。为了搜索外星文明信号，最高频率分辨率为5 Hz。对应0.001 km/s的视向速度分辨率。另外，FAST位于北纬25.6度，可观测天顶角40度，不过，由于地球转动，FAST可观测天区可不是一个椎体！还有一个因素，经常被忽视，就是人和思想。望远镜能观测什么，自身因素固然重要，但如果人不能把望远镜用好，那望远镜能做的事也很有限。

焦距

球面半径乘以焦比，大约是138米。

再看一下光路图，FAST照明区域的口径是300米。所谓照明口径，就是将光路逆过来考虑，馈源所能照亮的区域。所以，FAST观测的时候的有效口径是300米。也就是说，计算灵敏度的时候，不能使用500米，而只能使用300米。另外，目前FAST的焦比是0.4621。

当然，FAST的一个特点是，焦比可以在一定范围内变化。以这样的焦距，我们可以根据验收要求的指向精度16角秒计算所需要达到的馈源位置精度，大约是1厘米。在500米尺度上达到这样的精度是相当有挑战的。

球面望远镜

我们知道，抛物面可以把平行光聚焦到美国的球面射电望远镜Arecibo通过两个改正镜实现了聚焦。代价是，Arecibo的馈源舱非常大、非常重。如果FAST使用同样的设计，馈源支撑平台的重量可能达到一万吨，这是无法接受的。

球面可以聚集到一条线，如果采用球面作为反射面，那么馈源通常需要使用线馈源，或者做复杂的二次、三次改正镜。如果想实现前面看到的那么简单的光路，必须对照明区域进行变形。

那么FAST是怎么做的呢？简单说就是变形，观测的时候把球面变形为抛物面。观测那个方向，就把相应区域的反射面变形为抛物面。

变形说起来就一句话，做起来一点也不简单。我们来看一个公式。这个公式说的是，如果反射面不是完美的抛物面，聚集信号的效率会损失多少?？梢钥吹剑蛭侵甘?，所以如果精度差一点，效率会差很多。一般可以接受的面型精度是波长的二十分之一。

FAST目前的频段是70 MHz到3 GHz，要求的精度是2毫米。这个要求也是比较高的。

射电波段的一个特点是波长和望远镜尺度相比不是很小，所以有明显的衍射效应。这是望远镜的波束，可以理解为接受信号的能力，波束主瓣接收信号的能力最强。除了主瓣还有旁瓣，这使得射电观测有一定复杂性，也容易受到外来信号的干扰。

我们可以算一下FAST在1.4 GHz的波束大小，也就是主瓣的半功率宽度，大约是2.9角分。为了给大家有个概念，提供一点信息，满月的角直径是30角分，人眼的分辨率是0.3角分。所以可以看到，单台射电望远镜的分辨率通常不好。

FAST目前有7套接收机，完整覆盖70 MHz到3 GHz。其中19波束的多波束接收机是主力，现在正在使用的就是19波束接收机。频段覆盖1.05 GHz-1.45 GHz。

在19波束接收机之前我们还使用过270 MHz-1620 MHz接收机?？梢宰⒁獾?620/270=6，这个比值代表了带宽，这是非常大带宽的接收机。

FAST的性能参数

灵敏度，可能和大家通常接触到的不一样，但是，这才是最本质的参数，就是两个量的比值，有效接收面积（聚集信号的能力）和系统温度（系统自身的噪声）。时间分辨可以达到几十微秒，目的是探测毫秒脉冲星和快速射电暴这些短时标现象。频率分辨率可以达到5 Hz，相当于1 m/s的速度分辨率。19波束的带宽是400 MHz。最大天顶角是40度。结合FAST的地理纬度可以计算FAST可以观测的天区。大约是赤纬-14.4度到65.6度。

天顶角超过26.4度的时候，照明区域超出了反射面边缘。

FAST还有一个更重要的参数，就是人力和思想，这是很不确定的，需要大家一起努力。

上面这些参数里需要注意的是时间分辨率和频率分辨率。想一下就可以知道，他们要满足不确定关系。所以无法同时要求非常高的时间分辨率和频率分辨率。

可以计算FAST的流量极限。流量极限和有效接收面积、系统温度、带宽和积分时间有关。需要注意，射电天文用的玻尔兹曼常数的单位是央斯基平方米每开尔文，这个单位可以方便计算。注意到1央斯基的流量和日常生活相比小得不得了。有一种说法是，几十年来射电天文观测接收到的所有能量还翻不动一页书。大家感兴趣可以算一下，我的博客里有这个计算。这几年射电天文大发展，或许这一页书慢慢就可以翻过去了。

大家经?；嵊幸桓鲇∠?，射电天文未来的方向是干涉仪。确实如此，但是单天线也是有独特价值的。事实上单天线望远镜Arecibo做出了很大贡献，很多发现都是事先没有预期到的。FAST也有希望做出很大贡献，而且可能也是没有预期到的，所以并不容易，要靠全国天文工作者乃至全世界天文学家的聪明才智。

现在我们能想到的FAST科学目标有这些，这些新的科学目标包括搜寻快速射电暴、寻找引力波源的射电对应体。虽然FAST期望能有新的发现，但工作的主体仍然是完成常规的科学目标，其中最重要的就是中性氢观测和脉冲星观测。

?效能

可靠性是工程中不可忽视的一项指标，它直接关系到最终的效能。

? ? ? ?对于一项实际的工程，经费有限，不可能每个指标都达到极致。这个时候就要考虑取舍的问题。在头脑里装着“效能”这个词有时候就能对这种取舍有所帮助。作为一个例子，考虑射电望远镜的馈源。

?????? 现在的射电望远镜已经进入多波束观测的时代，焦平面上通常有不止一个馈源。Arecibo望远镜L波段的多波束馈源共有7个波束，中心一个，其余六个围绕中心的这个馈源排成六边形。FAST望远镜L波束多波束馈源将有19个波束，中心七个波束的分布和Arecibo相同，在此基础上，外围还有12个波束， 每六个排成一个六边形。在进行中性氢观测时，将多波束馈源的六边形一边放为水平，逆时针转动19.9度，然后沿水平方向扫描，这时波束形成的扫描线间距相等。

对于Arecibo的7波束，这些波束的扫描线各不相同，而对于FAST的19波束，某些扫描线是互相重合的，一共有6对这样的扫描线。这些重复的扫描线就有助于提高多波束馈源的可靠性?？梢灾っ?，除了中心馈源，如果其它任意1个或2个馈源出现故障，只需要将馈源平面旋转60度，按原来的方向扫描，就可以保证每条扫描线都有正常工作的波束。

所以，在中性氢扫描观测中，中心波束是可靠性的关键，只有保证中心波束正常工作，多波束馈源才能正常工作。因此， 在经费有限的情况下，中心馈源就值得做得更好一些。

?????? 在射电望远镜中还有如多波束馈源的中心馈源这样的部件，它们对于望远镜的可靠性十分关键，只有保证了这些部件的可靠性才能保证望远镜的效能。效能装心中，可靠比山重。

对于不同波段的电磁波而言，表面精度的含义是不同的。对于射电波而言，反射面表面精度主要由面板单元的拼接误差主导，而对于可见光来说，拼接误差不一定作为表面精度。

?????? 按陈老师指出的，使用抛光铝板（表面精度可达到2微米），每个单元就相当于一面镜子，在拼接有误差的情况下，形成的反射面对可见光仍然有汇聚作用。可以联想关于阿基米德用镜子烧毁敌军船帆的传说（当然，这是值得怀疑的）。

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目前FAST最成功的科学观测还是脉冲星。脉冲星是发出周期脉冲的中子星。就好像是宇宙中的灯塔。

脉冲星的信号通过星际介质会产生色散，所以我们看到的不同频率的脉冲达到地球的时间也不相同。高频信号先到，低频信号后到。

根据色散的规律消除色散的影响后可以把不同频率的脉冲对齐，然后把不同频率的脉冲加起来就得到了常见的脉冲轮廓。

这是FAST发现的一颗毫秒脉冲星，是和Fermi卫星合作发现的。Fermi卫星提供可能是脉冲星的伽马射线点源，FAST在射电波段找到周期，用这个周期折叠Fermi卫星的观测数据得到这颗毫秒脉冲星的周期和周期变化率。

最近十几年，人们发现了FRB，现在已经发现了上百个，现在FRB的研究已经成为了一个新兴领域。这是FAST建设之初没有预料到的科学目标。FAST的视场比较小，不适合进行FRB的搜寻。但是FAST非常适合对FRB进行后续观测，寻找重复的FRB。

除此之外，FAST可以进行各种信号分析，包括寻找地外文明。