貴州五百米口徑球面射電望遠鏡（FAST）是人類歷史上最大的單口徑射電望遠鏡，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工程。FAST的設計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，以及噪聲系數與FAST望遠鏡性能的關系，以及如何計算噪聲溫度和噪聲系數。

射電天文望遠鏡概述

射電天文望遠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。射電望遠鏡利用這些射電波來觀測宇宙中的天體和天體現象。

射電天文望遠鏡的工作原理可以概括為以下幾個關鍵步驟：

• 接收射電信號：射電波從天體發射出來或經過宇宙空間傳播后到達地球。望遠鏡的主要任務是收集這些微弱的射電信號。
• 拋物面反射：射電望遠鏡通常采用拋物面反射器，它的形狀類似于拋物面。拋物面反射器能夠將射電波聚焦到一個焦點上。
• 集中射電信號：當射電波經過拋物面反射器后，將被聚集到望遠鏡的焦點上，形成一個射電信號集中區域。
• 接收器：射電望遠鏡的接收器負責接收聚焦的射電信號，并將其轉換為電信號。
• 放大和處理：接收到的電信號會經過放大和處理過程，以增強信號的強度和清晰度，并去除可能的噪聲和干擾。
• 數據分析：處理后的信號會傳送到數據處理單元，對數據進行分析和解釋?？茖W家和天文學家將利用這些數據來研究天體的性質、宇宙的演化以及其他感興趣的現象。

射電天文望遠鏡有很多種不同的設計和配置，包括單天線望遠鏡、干涉陣列望遠鏡等。干涉陣列望遠鏡是一種由多個單獨的射電天線組成的網絡，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，射電望遠鏡在現代天文學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鏡中一個關鍵的概念，它是指望遠鏡所接收到的信號中由于環境和設備等因素產生的無用信號，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、恒星和星際介質等，它們輻射出的信號會與望遠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，代表著一個等效的熱噪聲信號。

FAST望遠鏡的噪聲溫度由多個因素引起。主要的貢獻來自天空的熱噪聲，即宇宙微波背景輻射和射電源的輻射。其次，望遠鏡本身的結構和材料也會產生一定的熱噪聲。最后，接收系統中的元件（如前端放大器）也會引入一定程度的噪聲。

噪聲系數與FAST望遠鏡

噪聲系數是評估射電接收系統性能的一個重要指標。它表示信號與噪聲之間的比率，即望遠鏡接收到的信號功率與接收機內部噪聲功率之比。噪聲系數通常用dB（分貝）來表示。較低的噪聲系數意味著接收器可以更高效地接收微弱的射電信號。

計算噪聲系數（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）是指在系統輸出端的信號功率與輸出端的噪聲功率之比。

當噪聲系數較小時，表示系統的噪聲性能較好，信號相對于噪聲來說更強；而當噪聲系數較大時，表示系統的噪聲性能較差，信號與噪聲的強度差異較小。

請注意，噪聲系數是一個與頻率相關的參數，因此在不同頻率點上可能會有不同的噪聲系數值。在實際應用中，通常會指定特定頻率范圍內的噪聲系數。

FAST望遠鏡接收機的噪聲系數對其觀測性能有直接的影響。較高的噪聲系數會導致接收機的噪聲功率較大，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，FAST望遠鏡接收機需要具備低噪聲系數，以提高其靈敏度和準確性。

噪聲溫度和噪聲系數的計算

噪聲溫度和噪聲系數之間存在一定的關系。在了解了噪聲溫度和噪聲系數的概念后，我們來看一下它們之間的具體計算方法。

計算噪聲溫度：

噪聲溫度的計算涉及到噪聲系數和參考溫度。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，FAST望遠鏡的噪聲溫度約為0.86K。

如果采用常規無線電接收系統，參考溫度通常為290K，根據上述公式計算出的噪聲溫度為92.29K。

為什么射電望遠鏡的噪聲溫度計算采用參考溫度為2.7K，而常規無線電接收系統計算采用290K？

射電望遠鏡和常規無線電接收系統采用不同的噪聲溫度參考值，是由于它們所處的不同應用環境和工作原理導致的。

射電望遠鏡噪聲溫度計算采用參考溫度為2.7K是由于射電望遠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，大約相當于一個黑體輻射源溫度為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。

噪聲溫度計算使用CMB溫度作為參考值，是因為在射電望遠鏡的觀測中，我們主要關心來自宇宙的信號和噪聲。將噪聲溫度與CMB溫度進行比較，可以直觀地了解射電望遠鏡所探測的信號與來自宇宙的微波背景輻射的相對強度。

常規無線電接收系統計算采用參考溫度為290K是由于其通常用于無線通信、雷達、衛星通信等應用，它們工作在地球表面的環境中。在地球表面，環境溫度通常在數十攝氏度以上，且變化較大。為了在此類應用中準確計算噪聲溫度，通常使用一個統一的參考溫度，被稱為”熱噪聲溫度”，通常取290K。

這個290K參考溫度考慮了地球表面常見的環境溫度，是為了使常規接收系統在不同地點和環境下的性能進行統一的評估和比較。在常規接收系統中，我們通常更關心接收機自身的噪聲性能，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，兩者的噪聲溫度計算采用不同的參考溫度，是基于它們所應用的場景和工作環境的不同。

貴州FAST射電望遠鏡作為射電天文學領域的重要工具，噪聲溫度和噪聲系數是影響其性能的關鍵因素。通過降低噪聲溫度和噪聲系數，FAST可以更高效地探測微弱的宇宙射電信號，為天文學研究提供更準確、深入的數據。對于FAST望遠鏡及其他射電設備的設計和優化，深入理解噪聲溫度和噪聲系數的概念，以及它們之間的計算關系，是實現高靈敏度觀測的關鍵要素。