1 .科學(xué)背景

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

　　隨著天文觀測研究的發(fā)展，現(xiàn)有的毫米波接收機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，一臺天線配備一個接收單元的單點鉛筆束掃描方式限制了在空間上實現(xiàn)大范圍的觀測覆蓋，需要能夠在空間上同時進(jìn)行多點接收的“成像”探測器（或焦面陣列接收機）以提高空間覆蓋的能力。其次，原有的SIS接收機混頻器以雙邊帶方式工作，上、下邊帶的毫米波信號在混頻后同時進(jìn)入一個中頻信號。隨著研究工作的深入對整個望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)探測靈敏度要求越來越高，需要探測的譜線信號都是更為微弱的信號，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。在河外星系的觀測中，由于星系整體速度場常常達(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河外12CO和13CO (J=1-0) 譜線的時候，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上、下邊帶大氣的不透明度差異大并且變化劇烈，給觀測數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)精度帶來了嚴(yán)重的限制。

　　針對上述問題，在國家重大科研裝備研制專項支持下，紫金山天文臺利用最新開發(fā)成功的毫米波邊帶分離混頻技術(shù)，開展我國第一臺超導(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，將使我國在毫米波探測技術(shù)上實現(xiàn)從單像元向空間成像的突破，將目前毫米波望遠(yuǎn)鏡的觀測能力提升9倍，達(dá)到國際同類設(shè)備的領(lǐng)先水平，為河外星系中的毫米波譜線觀測研究、分子云與恒星形成研究、大氣科學(xué)研究等提供最強有力的觀測支持，使我國在毫米波段的空間探測技術(shù)進(jìn)入國際前沿。

　　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，是為我國大型毫米波望遠(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)，成功實現(xiàn)了大規(guī)模毫米波系統(tǒng)集成。該設(shè)備是國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，也是我國射電天文領(lǐng)域研制的第一臺多波束接收機。

　　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、獨立IF（Intermediate Frequency）以及數(shù)字頻譜儀等主要部分，具體由3×3個接收饋源，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，1套數(shù)字本振、4-K致冷杜瓦、前端控制臺及后端控制臺計算機等組成。

　　在每一個邊帶分離SIS混頻器單元中，毫米波信號從饋源被均分成兩路，輸入到兩個等同的（集成的）混頻器中，本振信號也同時被分配到兩個混頻器上，其中一路的相位被延遲90°。從兩個混頻器中輸出的中頻信號IF連接到一個中頻耦合器上并移相90°，在這里上、下邊帶的IF信號被分離出來，分別從耦合器的兩個輸出端導(dǎo)出，信號的邊帶分離度在10 dB以上。輸出的18路上、下邊帶IF信號經(jīng)過獨立的放大，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信號經(jīng)過獨立放大，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，紫金山天文臺首次應(yīng)用數(shù)字合成本振源LO（Local Oscillator）。LO信號來自數(shù)字合成的微波信號發(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，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普遍采用的耿氏振蕩器本振信號解決方案而言具有顯著的技術(shù)優(yōu)點，最主要的體現(xiàn)是接收機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個像素的本振信號LO用一個微波數(shù)字合成信號發(fā)生器（40 GHz）來提供。該信號發(fā)生器提供一致的頻率跟蹤，精度為0.01 Hz。微波信號經(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混頻器單元中。

　　在該設(shè)備中，紫金山天文臺自行設(shè)計和研制了超導(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)程計算機操作功能，可滿足多像元成像系統(tǒng)中9個SIS混頻器的實用需求。

　　另外，在該設(shè)備中，紫金山天文臺首次應(yīng)用了基于FPGA（Field Programmable Gate Array）的寬帶、高分辨數(shù)字FFT頻譜儀。頻譜儀共計接受18路獨立的IF輸入。每路獨立進(jìn)行8-bit、1Gs/s采樣或單獨一路進(jìn)行2Gs/s采樣，瞬時帶寬為1 GHz。采樣后的數(shù)據(jù)流用FPGA進(jìn)行實時FFT頻譜運算?；贔PGA芯片，實時處理1GHz信號帶寬、頻點數(shù)為16 384的知識產(chǎn)權(quán)內(nèi)核也由項目組研發(fā)，具有自主的知識產(chǎn)權(quán)。

　　除以上創(chuàng)新點以外，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），實現(xiàn)了低溫環(huán)境下后級中放集成，提高了中頻系統(tǒng)穩(wěn)定性、集成度及噪聲性能；SIS混頻器實現(xiàn)了全頻段內(nèi)動態(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實現(xiàn)了無隔離器混頻前端；采用了簡單的透射型準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)，并引入低溫透鏡降低信號傳輸損耗對系統(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)成像頻譜儀研制項目實行主管部門領(lǐng)導(dǎo)下的單位法定代表人負(fù)責(zé)制，成立了項目管理工作組和研制項目組，聘請項目專家組成咨詢組。項目管理工作組主要負(fù)責(zé)項目的全過程管理，組長由紫金山天文臺臺長擔(dān)任，成員由單位主要領(lǐng)導(dǎo)、項目專家委員會、主要職能部門以及項目負(fù)責(zé)人和相關(guān)專家組成。研制項目組主要承擔(dān)項目整體設(shè)計、分系統(tǒng)研制任務(wù)。專家咨詢組對項目的技術(shù)方案和科學(xué)應(yīng)用目標(biāo)進(jìn)行審核，對項目設(shè)計方案中的重大問題提出咨詢意見，對研制過程中的重大調(diào)整和糾錯提出咨詢意見。#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關(guān)鍵指標(biāo)均超過設(shè)計要求。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。以對超新星遺跡IC443 B點附件受到激波擾動氣體的分布成圖觀測為例，使用“超導(dǎo)成像頻譜儀”結(jié)合OTF（on-the-fly）觀測方式，僅用時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)過對比觀測結(jié)果可以清楚地看到，前者有更高的對比度和更小的背景起伏，這是大幅縮短了觀測時間后減小了大氣變化和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)慢飄對背景影響的結(jié)果。另外，已完成的一系列應(yīng)用對比顯示，與以往的單波束接收機相比，超導(dǎo)成像頻譜儀使望遠(yuǎn)鏡的綜合觀測效能有了大幅的提高?；谠撛O(shè)備按計劃、高質(zhì)量地完成了研制任務(wù)，2010年12月16日，超導(dǎo)成像頻譜儀研制項目順利通過驗收。

　　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中的應(yīng)用將使我國毫米波望遠(yuǎn)鏡的探測能力在現(xiàn)有的水平上提高幾十倍，使我國毫米波射電望遠(yuǎn)鏡在國際同類設(shè)備的競爭中取得“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、大氣臭氧層和微量分子探測、分子波譜實驗研究等領(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-銀河畫卷計劃。這個計劃將在今后5—10年的時間里將北天銀道面的星際分子云全面覆蓋，預(yù)計將取得一批系統(tǒng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，巡天數(shù)據(jù)也將提供國內(nèi)外各個天文研究領(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宇宙毫米波射電源進(jìn)行頻譜成像觀測，獲取天體的化學(xué)成分、溫度、分布和運動狀態(tài)等性質(zhì)，使人們能夠?qū)Υ罅俊浬⒌男请H介質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)、完整的毫米波段觀測，獲得行星、恒星及宇宙演化重要階段的圖像，對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。