貴州五百米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）是人類歷史上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，它位于中國貴州省的大窩凼洼地，是一座令人矚目的天文學(xué)工程。FAST的設(shè)計(jì)旨在提供高靈敏度和精確的天文觀測能力，但在射電觀測中，噪聲是一個(gè)不可避免的因素。在本文中，我們將探討噪聲溫度的概念，以及噪聲系數(shù)與FAST望遠(yuǎn)鏡性能的關(guān)系，以及如何計(jì)算噪聲溫度和噪聲系數(shù)。
射電天文望遠(yuǎn)鏡概述
射電天文望遠(yuǎn)鏡是一種用于觀測射電波段的天文儀器。射電波段是電磁波譜中的一部分，具有較長的波長，通常在毫米到米的范圍內(nèi)。射電望遠(yuǎn)鏡利用這些射電波來觀測宇宙中的天體和天體現(xiàn)象。
射電天文望遠(yuǎn)鏡的工作原理可以概括為以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：
- 接收射電信號：射電波從天體發(fā)射出來或經(jīng)過宇宙空間傳播后到達(dá)地球。望遠(yuǎn)鏡的主要任務(wù)是收集這些微弱的射電信號。
- 拋物面反射：射電望遠(yuǎn)鏡通常采用拋物面反射器，它的形狀類似于拋物面。拋物面反射器能夠?qū)⑸潆姴ň劢沟揭粋€(gè)焦點(diǎn)上。
- 集中射電信號：當(dāng)射電波經(jīng)過拋物面反射器后，將被聚集到望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)上，形成一個(gè)射電信號集中區(qū)域。
- 接收器：射電望遠(yuǎn)鏡的接收器負(fù)責(zé)接收聚焦的射電信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。
- 放大和處理：接收到的電信號會經(jīng)過放大和處理過程，以增強(qiáng)信號的強(qiáng)度和清晰度，并去除可能的噪聲和干擾。
- 數(shù)據(jù)分析：處理后的信號會傳送到數(shù)據(jù)處理單元，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋?？茖W(xué)家和天文學(xué)家將利用這些數(shù)據(jù)來研究天體的性質(zhì)、宇宙的演化以及其他感興趣的現(xiàn)象。
射電天文望遠(yuǎn)鏡有很多種不同的設(shè)計(jì)和配置，包括單天線望遠(yuǎn)鏡、干涉陣列望遠(yuǎn)鏡等。干涉陣列望遠(yuǎn)鏡是一種由多個(gè)單獨(dú)的射電天線組成的網(wǎng)絡(luò)，它們可以合并信號以獲得更高的分辨率和靈敏度。
射電天文學(xué)通過觀測射電信號，可以揭示宇宙中的許多重要信息，如宇宙射電背景輻射、脈沖星、星際氣體、星系等。因此，射電望遠(yuǎn)鏡在現(xiàn)代天文學(xué)研究中扮演著重要角色。
噪聲溫度的概念
噪聲溫度是射電望遠(yuǎn)鏡中一個(gè)關(guān)鍵的概念，它是指望遠(yuǎn)鏡所接收到的信號中由于環(huán)境和設(shè)備等因素產(chǎn)生的無用信號，也稱為熱噪聲。在射電觀測中，宇宙中存在各種射電源，包括星系、恒星和星際介質(zhì)等，它們輻射出的信號會與望遠(yuǎn)鏡接收到的噪聲信號混合。噪聲溫度通常以溫度單位（開爾文，K）來表示，代表著一個(gè)等效的熱噪聲信號。
FAST望遠(yuǎn)鏡的噪聲溫度由多個(gè)因素引起。主要的貢獻(xiàn)來自天空的熱噪聲，即宇宙微波背景輻射和射電源的輻射。其次，望遠(yuǎn)鏡本身的結(jié)構(gòu)和材料也會產(chǎn)生一定的熱噪聲。最后，接收系統(tǒng)中的元件（如前端放大器）也會引入一定程度的噪聲。
噪聲系數(shù)與FAST望遠(yuǎn)鏡
噪聲系數(shù)是評估射電接收系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。它表示信號與噪聲之間的比率，即望遠(yuǎn)鏡接收到的信號功率與接收機(jī)內(nèi)部噪聲功率之比。噪聲系數(shù)通常用dB（分貝）來表示。較低的噪聲系數(shù)意味著接收器可以更高效地接收微弱的射電信號。
計(jì)算噪聲系數(shù)（Noise Figure，NF）的公式如下：
其中，輸入信號的信噪比（Si/Ni）是指在系統(tǒng)輸入端的信號功率與輸入端的噪聲功率之比,輸出信號的信噪比（So/No）是指在系統(tǒng)輸出端的信號功率與輸出端的噪聲功率之比。
當(dāng)噪聲系數(shù)較小時(shí)，表示系統(tǒng)的噪聲性能較好，信號相對于噪聲來說更強(qiáng)；而當(dāng)噪聲系數(shù)較大時(shí)，表示系統(tǒng)的噪聲性能較差，信號與噪聲的強(qiáng)度差異較小。
請注意，噪聲系數(shù)是一個(gè)與頻率相關(guān)的參數(shù)，因此在不同頻率點(diǎn)上可能會有不同的噪聲系數(shù)值。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會指定特定頻率范圍內(nèi)的噪聲系數(shù)。
FAST望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的噪聲系數(shù)對其觀測性能有直接的影響。較高的噪聲系數(shù)會導(dǎo)致接收機(jī)的噪聲功率較大，降低信噪比，從而使得對弱信號的探測和精確測量變得更加困難。因此，F(xiàn)AST望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)需要具備低噪聲系數(shù)，以提高其靈敏度和準(zhǔn)確性。
噪聲溫度和噪聲系數(shù)的計(jì)算
噪聲溫度和噪聲系數(shù)之間存在一定的關(guān)系。在了解了噪聲溫度和噪聲系數(shù)的概念后，我們來看一下它們之間的具體計(jì)算方法。
計(jì)算噪聲溫度：
噪聲溫度的計(jì)算涉及到噪聲系數(shù)和參考溫度。參考溫度通常選取宇宙微波背景輻射的溫度，約為2.7K。
因此，F(xiàn)AST望遠(yuǎn)鏡的噪聲溫度約為0.86K。
如果采用常規(guī)無線電接收系統(tǒng)，參考溫度通常為290K，根據(jù)上述公式計(jì)算出的噪聲溫度為92.29K。
為什么射電望遠(yuǎn)鏡的噪聲溫度計(jì)算采用參考溫度為2.7K，而常規(guī)無線電接收系統(tǒng)計(jì)算采用290K？
射電望遠(yuǎn)鏡和常規(guī)無線電接收系統(tǒng)采用不同的噪聲溫度參考值，是由于它們所處的不同應(yīng)用環(huán)境和工作原理導(dǎo)致的。
射電望遠(yuǎn)鏡噪聲溫度計(jì)算采用參考溫度為2.7K是由于射電望遠(yuǎn)鏡主要用于觀測宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background, CMB），它是宇宙中的剩余熱輻射，大約相當(dāng)于一個(gè)黑體輻射源溫度為2.7K。這是宇宙中普遍存在的微波輻射背景溫度，被稱為CMB溫度。
噪聲溫度計(jì)算使用CMB溫度作為參考值，是因?yàn)樵谏潆娡h(yuǎn)鏡的觀測中，我們主要關(guān)心來自宇宙的信號和噪聲。將噪聲溫度與CMB溫度進(jìn)行比較，可以直觀地了解射電望遠(yuǎn)鏡所探測的信號與來自宇宙的微波背景輻射的相對強(qiáng)度。
常規(guī)無線電接收系統(tǒng)計(jì)算采用參考溫度為290K是由于其通常用于無線通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等應(yīng)用，它們工作在地球表面的環(huán)境中。在地球表面，環(huán)境溫度通常在數(shù)十?dāng)z氏度以上，且變化較大。為了在此類應(yīng)用中準(zhǔn)確計(jì)算噪聲溫度，通常使用一個(gè)統(tǒng)一的參考溫度，被稱為”熱噪聲溫度”，通常取290K。
這個(gè)290K參考溫度考慮了地球表面常見的環(huán)境溫度，是為了使常規(guī)接收系統(tǒng)在不同地點(diǎn)和環(huán)境下的性能進(jìn)行統(tǒng)一的評估和比較。在常規(guī)接收系統(tǒng)中，我們通常更關(guān)心接收機(jī)自身的噪聲性能，而不需要特別考慮宇宙微波背景輻射這樣的宇宙因素。
因此，兩者的噪聲溫度計(jì)算采用不同的參考溫度，是基于它們所應(yīng)用的場景和工作環(huán)境的不同。
貴州FAST射電望遠(yuǎn)鏡作為射電天文學(xué)領(lǐng)域的重要工具，噪聲溫度和噪聲系數(shù)是影響其性能的關(guān)鍵因素。通過降低噪聲溫度和噪聲系數(shù)，F(xiàn)AST可以更高效地探測微弱的宇宙射電信號，為天文學(xué)研究提供更準(zhǔn)確、深入的數(shù)據(jù)。對于FAST望遠(yuǎn)鏡及其他射電設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，深入理解噪聲溫度和噪聲系數(shù)的概念，以及它們之間的計(jì)算關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)高靈敏度觀測的關(guān)鍵要素。
