望远镜的发明是人类探索宇宙的里程碑。1609年，意大利天文学家伽利略·伽利雷首次利用自制的望远镜观测到了木星最大的四颗卫星（Io、Europa、Ganymede和Callisto），自此，天文学告别了裸眼观测，进入到望远镜的时代。

天文望远镜的成像能力优于人眼，但其成像原理与眼睛基本相同。如图1左图所示，光线经过角膜、瞳孔、晶状体后，到达视网膜，上面的感光细胞将光信号传递给大脑，使人们“看见”物体。望远镜也可以接收和放大来自宇宙天体的电磁辐射信息，然后将这些信息汇聚到“焦平面（焦点）”处，由安置在这里的终端仪器成像。可见，望远镜的焦面类似人眼的视网膜，终端成像设备则相当于人眼的感光细胞。

电磁辐射信号多种多样，根据波长或者频率，人们将其大致分为：无线电波（波长从几米到数千公里不等）、微波（波长从毫米级别到几米级别）、红外线（波长从接近1微米到毫米量级）、可见光（波长从380纳米左右到780纳米左右）、紫外线（波长从10纳米到可见光）、X射线（波长从0.01纳米到10纳米）、γ射线（波长小于0.01纳米）等。

各类电磁波在真空中传播时，没有介质干扰，波速相同，而且遵守波的传播特性。但如果遇到介质，不同波长和频率的电磁波与介质的作用方式会呈现明显差异。例如，无线电的波长接近或大于人类日常生活的空间尺度，工程技术中常利用电磁波的衍射、干涉、共振等波动性质实现工程目标；而对于近红外及波长更短的电磁波来说，工程技术常利用电磁波在微观领域的粒子特性，实现应用目标（电磁波的这种“波粒二象性”是由德国物理学家路易斯·德布罗意在1924年提出的）。射电望远镜接收来自宇宙的电磁辐射，不可避免的会受大气影响，其中只有波长在厘米量级到十几米左右的无线电波可以穿透大气，被射电望远镜接收（如图2所示）。

波长和频率的差异，使得射电望远镜与光学望远镜的成像设备相差迥异，当代光学望远镜大多搭载了CCD或CMOS的成像终端，而射电望远镜则利用接收机处理射电信号。

传统单天线射电望远镜的接收机受望远镜口径和系统温度限制，需要利用多波束技术同时接收射电信号，以提升望远镜效率。多波束接收机中的馈电波束类似光学焦面终端的像元，但与光学信号相比，射电信号的波长较长，波束少，致使射电图像相对“模糊”。

为了对焦平面有效覆盖，进一步提升巡天效率，发挥望远镜性能极限，相控阵馈源（Phased Array Feed, PAF）接收系统成为近年的热点。如图3所示，相控阵系统包括：相控阵列馈源和模拟前端、大规模采集及线性计算、高速数据实时交换、波束合成及多科学目标并行终端等。

PAF由大量馈电接收单元组成阵列的形式（如图4所示），每个单元类似光学像素，利用波束合成算法将接收的信号依不同权重组合，形成相互交叠的数字波束，实现对焦面场更高效的采样，大大提高射电望远镜的巡天观测效率。通过不同方向图匹配馈电照射算法，还可以提升观测的角分辨率，主动消减方向图差异的影响，提升抗电磁干扰能力。此外，相控阵的多接收单元还有利于提升系统的可靠性，若某个单元发生故障，其它单元仍可继续工作。

 图4 ：相控阵馈源（左）及高性能数字处理终端（右）

更多的接收单元，意味着更多的数据需要处理。以300个单元的PAF为例，系统实时交换和处理的数据流超过2Tbps，需要利用高性能终端技术，在异构计算体系下，发挥FPGA的高速接入及实时线性处理能力、GPU的密集并行计算优势和CPU的复杂流程控制优点，对大规模多通道的宽频带射电信号进行实时处理，兼顾不同科学目标的应用和需求，将望远镜性能发挥到极致。

PAF系统是一类先进的信号接收和计算系统，它将大规模接收单元优化排列分布后，集成在焦平面上，通过数字信号处理来提升射电望远镜的接收效率和视场覆盖范围，在提升观测效率的同时，配合并行计算引擎，满足不同科学目标的观测需求。PAF技术在射电望远镜领域的应用经验积累，还有望拓展用于地球科学、环境监测、通信和安全等领域。