贵州五百米口径球面射电望远镜（FAST）是人类历史上最大的单口径射电望远镜，它位于中国贵州省的大窝凼洼地，是一座令人瞩目的天文学工程。FAST的设计旨在提供高灵敏度和精确的天文观测能力，但在射电观测中，噪声是一个不可避免的因素。在本文中，我们将探讨噪声温度的概念，以及噪声系数与FAST望远镜性能的关系，以及如何计算噪声温度和噪声系数。

射电天文望远镜概述

射电天文望远镜是一种用于观测射电波段的天文仪器。射电波段是电磁波谱中的一部分，具有较长的波长，通常在毫米到米的范围内。射电望远镜利用这些射电波来观测宇宙中的天体和天体现象。

射电天文望远镜的工作原理可以概括为以下几个关键步骤：

• 接收射电信号：射电波从天体发射出来或经过宇宙空间传播后到达地球。望远镜的主要任务是收集这些微弱的射电信号。
• 抛物面反射：射电望远镜通常采用抛物面反射器，它的形状类似于抛物面。抛物面反射器能够将射电波聚焦到一个焦点上。
• 集中射电信号：当射电波经过抛物面反射器后，将被聚集到望远镜的焦点上，形成一个射电信号集中区域。
• 接收器：射电望远镜的接收器负责接收聚焦的射电信号，并将其转换为电信号。
• 放大和处理：接收到的电信号会经过放大和处理过程，以增强信号的强度和清晰度，并去除可能的噪声和干扰。
• 数据分析：处理后的信号会传送到数据处理单元，对数据进行分析和解释。科学家和天文学家将利用这些数据来研究天体的性质、宇宙的演化以及其他感兴趣的现象。

射电天文望远镜有很多种不同的设计和配置，包括单天线望远镜、干涉阵列望远镜等。干涉阵列望远镜是一种由多个单独的射电天线组成的网络，它们可以合并信号以获得更高的分辨率和灵敏度。

射电天文学通过观测射电信号，可以揭示宇宙中的许多重要信息，如宇宙射电背景辐射、脉冲星、星际气体、星系等。因此，射电望远镜在现代天文学研究中扮演着重要角色。

噪声温度的概念

噪声温度是射电望远镜中一个关键的概念，它是指望远镜所接收到的信号中由于环境和设备等因素产生的无用信号，也称为热噪声。在射电观测中，宇宙中存在各种射电源，包括星系、恒星和星际介质等，它们辐射出的信号会与望远镜接收到的噪声信号混合。噪声温度通常以温度单位（开尔文，K）来表示，代表着一个等效的热噪声信号。

FAST望远镜的噪声温度由多个因素引起。主要的贡献来自天空的热噪声，即宇宙微波背景辐射和射电源的辐射。其次，望远镜本身的结构和材料也会产生一定的热噪声。最后，接收系统中的元件（如前端放大器）也会引入一定程度的噪声。

噪声系数与FAST望远镜

噪声系数是评估射电接收系统性能的一个重要指标。它表示信号与噪声之间的比率，即望远镜接收到的信号功率与接收机内部噪声功率之比。噪声系数通常用dB（分贝）来表示。较低的噪声系数意味着接收器可以更高效地接收微弱的射电信号。

计算噪声系数（Noise Figure，NF）的公式如下：

其中，输入信号的信噪比（Si/Ni）是指在系统输入端的信号功率与输入端的噪声功率之比,输出信号的信噪比（So/No）是指在系统输出端的信号功率与输出端的噪声功率之比。

当噪声系数较小时，表示系统的噪声性能较好，信号相对于噪声来说更强；而当噪声系数较大时，表示系统的噪声性能较差，信号与噪声的强度差异较小。

请注意，噪声系数是一个与频率相关的参数，因此在不同频率点上可能会有不同的噪声系数值。在实际应用中，通常会指定特定频率范围内的噪声系数。

FAST望远镜接收机的噪声系数对其观测性能有直接的影响。较高的噪声系数会导致接收机的噪声功率较大，降低信噪比，从而使得对弱信号的探测和精确测量变得更加困难。因此，FAST望远镜接收机需要具备低噪声系数，以提高其灵敏度和准确性。

噪声温度和噪声系数的计算

噪声温度和噪声系数之间存在一定的关系。在了解了噪声温度和噪声系数的概念后，我们来看一下它们之间的具体计算方法。

计算噪声温度：

噪声温度的计算涉及到噪声系数和参考温度。参考温度通常选取宇宙微波背景辐射的温度，约为2.7K。

因此，FAST望远镜的噪声温度约为0.86K。

如果采用常规无线电接收系统，参考温度通常为290K，根据上述公式计算出的噪声温度为92.29K。

为什么射电望远镜的噪声温度计算采用参考温度为2.7K，而常规无线电接收系统计算采用290K？

射电望远镜和常规无线电接收系统采用不同的噪声温度参考值，是由于它们所处的不同应用环境和工作原理导致的。

射电望远镜噪声温度计算采用参考温度为2.7K是由于射电望远镜主要用于观测宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background, CMB），它是宇宙中的剩余热辐射，大约相当于一个黑体辐射源温度为2.7K。这是宇宙中普遍存在的微波辐射背景温度，被称为CMB温度。

噪声温度计算使用CMB温度作为参考值，是因为在射电望远镜的观测中，我们主要关心来自宇宙的信号和噪声。将噪声温度与CMB温度进行比较，可以直观地了解射电望远镜所探测的信号与来自宇宙的微波背景辐射的相对强度。

常规无线电接收系统计算采用参考温度为290K是由于其通常用于无线通信、雷达、卫星通信等应用，它们工作在地球表面的环境中。在地球表面，环境温度通常在数十摄氏度以上，且变化较大。为了在此类应用中准确计算噪声温度，通常使用一个统一的参考温度，被称为”热噪声温度”，通常取290K。

这个290K参考温度考虑了地球表面常见的环境温度，是为了使常规接收系统在不同地点和环境下的性能进行统一的评估和比较。在常规接收系统中，我们通常更关心接收机自身的噪声性能，而不需要特别考虑宇宙微波背景辐射这样的宇宙因素。

因此，两者的噪声温度计算采用不同的参考温度，是基于它们所应用的场景和工作环境的不同。

贵州FAST射电望远镜作为射电天文学领域的重要工具，噪声温度和噪声系数是影响其性能的关键因素。通过降低噪声温度和噪声系数，FAST可以更高效地探测微弱的宇宙射电信号，为天文学研究提供更准确、深入的数据。对于FAST望远镜及其他射电设备的设计和优化，深入理解噪声温度和噪声系数的概念，以及它们之间的计算关系，是实现高灵敏度观测的关键要素。