1 .科學背景

　　毫米波射電是觀測研究宇宙各層次結構和演化的一個重要波段，上世紀70年代逐漸發展起來。我國在國際上起步較早，上世紀80年代初就部署研制了國內唯一的大中型設備13.7米毫米波望遠鏡，也是迄今為止國際上為數不多的中型亞毫米波天文觀測設備。13.7米毫米波望遠鏡是我國毫米波段重要的開放設備，自1996年該望遠鏡3毫米波段接收機建成使用以來，已在國內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現。

　　隨著天文觀測研究的發展，現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、銀河系結構、太陽系天體物理研究等各層次天文研究的發展，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大范圍的觀測覆蓋，需要能夠在空間上同時進行多點接收的“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入一個中頻信號。隨著研究工作的深入對整個望遠鏡系統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的混淆問題逐漸顯現出來。在河外星系的觀測中，由于星系整體速度場常常達到幾百千米/秒，相應的頻率展寬>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，在中頻空間將出現嚴重的譜線混淆（重疊）現象。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，給觀測數據的校準精度帶來了嚴重的限制。

　　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成功的毫米波邊帶分離混頻技術，開展我國第一臺超導SIS混頻器的多像元成像頻譜儀的研制工作。該設備研制成功后，將使我國在毫米波探測技術上實現從單像元向空間成像的突破，將目前毫米波望遠鏡的觀測能力提升9倍，達到國際同類設備的領先水平，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進入國際前沿。

　　2 .裝置綜述

　　超導成像頻譜儀是基于超導隧道結混頻技術和邊帶分離技術的焦平面陣列接收機，是為我國大型毫米波望遠鏡自主研制的新一代接收系統。該設備在研制過程中發展了邊帶分離無調諧超導SIS混頻技術、高性能低溫中頻技術、毫米波數字合成本振及功率分配技術，成功實現了大規模毫米波系統集成。該設備是國際上毫米波段的第一例基于邊帶分離技術原理的多波束接收機，也是我國射電天文領域研制的第一臺多波束接收機。

　　超導成像頻譜儀主要包括：邊帶分離SIS混頻器、無調諧本振源、數字偏置源、獨立IF（Intermediate Frequency）以及數字頻譜儀等主要部分，具體由3×3個接收饋源，18套由超導SIS混頻器、低噪聲HEMT（High Electron Mobility Transistor）放大器、低溫SiGeHBT（Heterojunction Bipolar Transistor）放大器、數字SIS偏置電源和HEMT偏置電源、1GHz帶寬16 384通道數字頻譜儀組成的接收機，1套數字本振、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信號經過獨立的放大，輸入到數字頻譜儀進行頻譜分析。經過分離的上下邊帶的IF信號經過獨立放大，用FFT（Fast Fourier Transformation）數字頻譜儀進行頻譜分析，最終獲得毫米波天體譜線信息。

　　在該設備中，紫金山天文臺首次應用數字合成本振源LO（Local Oscillator）。LO信號來自數字合成的微波信號發生器（12.5—20 GHz），經過倍頻器（×2×3），提供75—120 GHz的本振信號，使混頻器工作在標準的75—116 GHz頻段內。使用這種數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優點，最主要的體現是接收機工作頻率的切換可以在瞬間完成，使系統進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用一個微波數字合成信號發生器（40 GHz）來提供。該信號發生器提供一致的頻率跟蹤，精度為0.01 Hz。微波信號經過3倍頻放大器，在80—120 GHz頻段內提供>8 mW的功率輸出。這些LO功率經過均分和耦合電橋被耦合到每一個混頻器單元中。

　　在該設備中，紫金山天文臺自行設計和研制了超導SIS混頻器數字偏置電源。該數字偏置源能提供偏置掃描、恒流、恒壓等輸出模式，并具備全部的遠程計算機操作功能，可滿足多像元成像系統中9個SIS混頻器的實用需求。

　　另外，在該設備中，紫金山天文臺首次應用了基于FPGA（Field Programmable Gate Array）的寬帶、高分辨數字FFT頻譜儀。頻譜儀共計接受18路獨立的IF輸入。每路獨立進行8-bit、1Gs/s采樣或單獨一路進行2Gs/s采樣，瞬時帶寬為1 GHz。采樣后的數據流用FPGA進行實時FFT頻譜運算。基于FPGA芯片，實時處理1GHz信號帶寬、頻點數為16 384的知識產權內核也由項目組研發，具有自主的知識產權。

　　除以上創新點以外，超導成像頻譜儀在研制過程中采用的其他關鍵技術主要還有：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），實現了低溫環境下后級中放集成，提高了中頻系統穩定性、集成度及噪聲性能；SIS混頻器實現了全頻段內動態阻抗接近50W，展寬了可穩定工作偏置電壓范圍，結合低溫MMIC LNA實現了無隔離器混頻前端；采用了簡單的透射型準光學系統，并引入低溫透鏡降低信號傳輸損耗對系統噪聲的貢獻。

　　3 .組織與管理

　　在組織管理方式方面，超導成像頻譜儀研制項目實行主管部門領導下的單位法定代表人負責制，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責項目的全過程管理，組長由紫金山天文臺臺長擔任，成員由單位主要領導、項目專家委員會、主要職能部門以及項目負責人和相關專家組成。研制項目組主要承擔項目整體設計、分系統研制任務。專家咨詢組對項目的技術方案和科學應用目標進行審核，對項目設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整和糾錯提出咨詢意見。#p#分頁標題#e#

　　4. 應用

　　超導成像頻譜儀于2010年底研制完成，其噪聲溫度和邊帶分離度兩個關鍵指標均超過設計要求。該設備于2010年11月成功安裝到青海德令哈13.7米望遠鏡，立即投入了超新星遺跡、星際分子云、恒星形成區等若干課題觀測。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“超導成像頻譜儀”結合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，覆蓋相同的區域，使用逐點掃描方式得到質量接近的結果則需要700分鐘。經過對比觀測結果可以清楚地看到，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鏡系統慢飄對背景影響的結果。另外，已完成的一系列應用對比顯示，與以往的單波束接收機相比，超導成像頻譜儀使望遠鏡的綜合觀測效能有了大幅的提高。基于該設備按計劃、高質量地完成了研制任務，2010年12月16日，超導成像頻譜儀研制項目順利通過驗收。

　　5. 發展展望

　　新的邊帶分離超導成像頻譜儀在天文觀測中的應用將使我國毫米波望遠鏡的探測能力在現有的水平上提高幾十倍，使我國毫米波射電望遠鏡在國際同類設備的競爭中取得“領先”地位。該成像譜儀將用來獲得星際氣體分布的“三維立體”數據，為天體演化和太陽系起源研究提供最詳實的資料。它的直接應用還包括空間和地面的大氣科學觀測、大氣臭氧層和微量分子探測、分子波譜實驗研究等領域，在其他科學和工程領域也將有重要的應用意義。最近，科研人員開始組織銀河系分子譜線的系統巡天-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，預計將取得一批系統的科學發現，巡天數據也將提供國內外各個天文研究領域的人員共享使用。

　　由于其具有高靈敏度的探測能力和多波束、大天區的覆蓋能力，使用該設備能夠以前所未有的高速度對宇宙毫米波射電源進行頻譜成像觀測，獲取天體的化學成分、溫度、分布和運動狀態等性質，使人們能夠對大量、彌散的星際介質進行系統、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展毫米波射電天文理論和技術具有重要的基礎意義。