平勁松,孫靖

(中國科學(xué)院國家天文臺,北京 100101)

1 引言

小行星是指圍繞太陽運行的巖石或金屬天體,且不易釋放出氣體和塵埃。太陽系中存在著大量的小行星,按照軌道半長徑可分為以下幾類:近地小行星、主帶小行星 (位于火星和木星之間的地帶)、(木星)特洛伊小行星 (在其它行星軌道的拉格朗日點上運行的小行星)、半人馬天體 (木星和海王星之間)、柯伊伯帶天體(海王星以外的小行星)。在天文學(xué)上,定義距離太陽最小距離在1.3AU范圍內(nèi)的小行星為近地小行星 (Near Earth Asteroid,NEA)。近地小行星按其軌道特性主要分為四類:阿波羅型 (Apollos)、阿莫爾型 (Amors)、阿登型 (Atens)、阿提拉型(Atiras)。圖1為近地小行星的四種主要軌道類型,其中a代表軌道半長徑,q和Q分別代表近日距和遠日距。其中阿波羅型和阿登型近地小行星的軌道與地球的軌道相交,因此存在撞擊地球的可能。近地小行星有可能與地球的軌道發(fā)生近距離接觸 (即到達距離地球很近的位置,但并未發(fā)生碰撞)而改變其軌道類型。

圖1 近地小行星的四種主要軌道類型Fig.1 Four orbital types of near Earth asteroids

按照目前國際天文學(xué)聯(lián)合會 (International Astronomical Union,IAU)的定義,對于相距地球最小軌道距離 (Minimum Orbit Intersection Distance,MOID)在0.05AU(7.5×106km,約20倍地月距離)范圍內(nèi),直徑大于140m(對應(yīng)絕對星等小于22等)的小行星,定義其為對地球構(gòu)成潛在威脅的近地小行星 (Potentially Hazardous Asteroid,PHA),目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的PHA約占已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的近地小行星總數(shù)的十分之一。PHA的軌道由于受到太陽系大天體的軌道攝動影響而在空間中不斷變化,地球自身的軌道也是如此,因此某顆近地小行星的MOID并不是固定不變的,PHA的成員也不是固定不變的。

2017年10月4日晚,云南香格里拉發(fā)生了一次小行星撞擊事件,爆炸量相當(dāng)于540t TNT炸藥。事發(fā)后,美國國家航空航天局近地小行星研究中心首先公布了對這次事件的探測結(jié)果,如圖2所示,而中國官方僅地震局發(fā)布了由撞擊引起的微弱地震監(jiān)測結(jié)果。此事件集中反映出我國在對臨近地球目標(biāo)的探測、監(jiān)控以及應(yīng)急響應(yīng)方面與國際先進水平存在較大差距,這將對航天活動、空間資產(chǎn)安全、國家安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。我國學(xué)者近年來提出定義100年內(nèi)有可能會撞擊地球的小行星為短期威脅小行星 (Short-term Hazardous Asteroid,SHA),明確了我國需要重點監(jiān)測預(yù)警及防御應(yīng)對的小行星目標(biāo)[1]。

圖2 美國國家航空航天局探測到并公布的云南小行星撞擊地球事件,以及1988年以來其他較大規(guī)模的小行星撞擊事件Fig.2 Asteroid impact in Yunnan Province and other asteroid impacts since 1988 detected and announced by NASA

2 原理方法

針對小行星的監(jiān)測預(yù)警手段包括多種技術(shù)和系統(tǒng),按照觀測點位置可以分為地基監(jiān)測系統(tǒng)和天基監(jiān)測系統(tǒng)。從技術(shù)原理上,地基和天基探測又可分為光學(xué)探測、紅外譜段探測和雷達探測。近距離空間探測器探測 (如飛越探測、伴飛探測、附著探測、采樣返回探測等)也被視為監(jiān)測預(yù)警的重要補充[2]。

地基雷達探測依托地面大口徑天線作為發(fā)射和接收天線,利用雷達與目標(biāo)的相對運動,通過檢測回波信號的時間延遲和多普勒 (Doppler)頻移實現(xiàn)對目標(biāo)的探測,是近地小行星探測的一種重要技術(shù)途徑,是行星學(xué)、射電天文學(xué)和雷達工程交叉的一個科學(xué)領(lǐng)域[3]。地基雷達作為主動探測設(shè)備,可觀測大的空域,具有全天候和全天時工作優(yōu)點,建設(shè)和運行費用也比實施空間探測項目更加經(jīng)濟,僅僅通過地基探測手段和資源,即可對大量不同的近地小行星目標(biāo)的軌道特性、自轉(zhuǎn)特性以及表層和次表層電磁物理特性等進行長期穩(wěn)定的探測和監(jiān)測。地基雷達探測方法不僅可以獨立地實現(xiàn)對近地小行星的探測,還可以與光學(xué)、空基等已經(jīng)獲得的信息相結(jié)合,揭示自然天體的動力學(xué)特性和電磁物理特性[4]。

美國引領(lǐng)了地基雷達天文領(lǐng)域的發(fā)展。自20世紀(jì)60年代起,美國就開始了基于地基雷達和射電望遠鏡聯(lián)合的相關(guān)研究,通過使用地基雷達作為發(fā)射端,或直接在射電望遠鏡上加裝發(fā)射設(shè)備,主動對天體發(fā)射電磁信號,并接收天體后向散射的回波,通過對回波的處理,提取地形地貌等幾何特征和電磁散射等物理特征信息,具備了對月球、太陽系大行星、近地小行星等進行檢測、成像、識別和監(jiān)視的能力。目前美國GSSR(Goldstone Solar System Radar)是世界上唯一一套在運行的地基行星雷達系統(tǒng),可以探測1.5×107km范圍內(nèi)直徑大于1km的小行星[5]。Arecibo行星雷達系統(tǒng)歷史上也曾主導(dǎo)了地基雷達對太陽系自然天體的探測,可以探測3.5×107km范圍內(nèi)直徑大于1km的小行星。GSSR和Arecibo這兩套雷達系統(tǒng)通過不斷升級,提高了工作頻率,配備了更大功率發(fā)射機,在國際太陽系研究中占據(jù)主導(dǎo)地位,探測過月球、金星、火星、水星、小行星、甚至太陽系最邊遠的冥王星等,對天體活動、規(guī)律、構(gòu)成等進行了大量研究,也對一些未知的小行星 (甚至行星帶)的運行軌跡進行了探測和跟蹤。

1968年6月,Goldstone太陽系雷達對編號為1566的小行星 (Icarus)進行探測,拉開了利用地基雷達進行小行星探測的大幕。雷達探測的最大優(yōu)勢在于可以控制發(fā)射信號的所有特性 (包括強度、方向、偏振和時間/頻率結(jié)構(gòu)等),實現(xiàn)不同的探測目的[6]。雷達探測主要有兩種方式:(1)連續(xù)波探測,可得到小行星表面的粗糙度等參數(shù);(2)延遲多普勒探測,用于反演小行星的三維形狀模型并確定自轉(zhuǎn)軸狀態(tài)[7]。地基雷達技術(shù)在近地小行星探測中具有獨特的重要作用,主要包括以下三方面。

2.1 近地小行星的軌道演化研究

地基雷達探測小行星的主要核心部分就是通過天線向小行星發(fā)射一定頻率的電磁波并接收其回波。小行星與地球的距離導(dǎo)致回波與發(fā)射波之間有一定時延,雷達天文技術(shù)直接和準(zhǔn)確地測定回波延遲,能精確地確定所測天體的距離,用于小行星軌道優(yōu)化。小行星相對地球的運動以及小行星的自轉(zhuǎn),能在回波頻率上表現(xiàn)為頻率的偏移和致寬等變化,可以用來測量小天體的空間指向和旋轉(zhuǎn)變化特性。測量雷達回波的頻率變化量,可以得到小行星相對雷達站的視向速度。測量雷達回波的多普勒致寬,可以計算小行星的自轉(zhuǎn)周期。由于公轉(zhuǎn)運動,小行星同地球的相對位置發(fā)生變化,因而多普勒致寬也相應(yīng)地變化。這樣,就可從累積的資料中分析出自轉(zhuǎn)的傾角。

小行星的自轉(zhuǎn)速率、自轉(zhuǎn)軸的指向、密度、形狀、磁場強度是影響小行星軌道演化的重要因素?？紤]到Y(jié)arkovsky效應(yīng)和YORP效應(yīng) (Yarkovsky-O'Keefe-Radzievskii-Paddackeffect,即Yarkovsky效應(yīng)的二階變化),小行星的自轉(zhuǎn)特性對開展小行星的動力學(xué)演化有重要影響。Yarkovsky效應(yīng)對天體產(chǎn)生的作用力屬于非引力攝動,是小行星軌道無法精確預(yù)測的最主要原因[8]。小行星表面產(chǎn)生的各向異性熱輻射對小行星本身產(chǎn)生的微小推力,長期改變小行星的軌道半長徑,在百萬年內(nèi)使得小行星軌道發(fā)生明顯遷移。

雷達探測的大規(guī)模應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代。Yeomans等人證明了雷達觀測可以很大程度上提高小行星的軌道計算精度,尤其是對于新發(fā)現(xiàn)的小行星,雷達數(shù)據(jù)往往決定了小行星再次飛越地球時能否被找到。地基雷達通常不能幫助發(fā)現(xiàn)新的目標(biāo),但可以精確地確定已知目標(biāo)的軌道,可以快速地優(yōu)化和提高已發(fā)現(xiàn)小行星的軌道精度,高精度定軌證實了沿軌道相交平面發(fā)生碰撞的可能性。地基雷達可以實現(xiàn)4m測距精度和1mm/s多普勒測速精度下視線位置的天體測量,測量精度相比一般光學(xué)測量提高至少兩個數(shù)量級,雷達觀測可以將一顆小行星的不確定位置從光學(xué)觀測提供的幾千公里縮小到幾米,潛在危險的小行星造成的撞擊風(fēng)險可以通過雷達觀測相對迅速地解決[9-12]。

2.2 近地小行星的成像研究

通過對發(fā)射波進行調(diào)制,接收回波可以同時得到回波的時延和多普勒位移,生成小行星的圖像 (即延遲多普勒圖像),進而研究小行星的諸多性質(zhì),如尺寸形狀和自轉(zhuǎn)狀況等[13]。延遲多普勒圖像是一種二維位圖,兩個維度分別為回波時延和回波的多普勒位移。圖像的每個像元代表一定時延和一定多普勒位移范圍,對應(yīng)小行星表面的一小部分甚至多個部分區(qū)域;像元的亮度代表這些區(qū)域的雷達截面之和。對小行星表面某個面元,其回波時延代表面元距雷達站距離,多普勒位移代表面元相對雷達站的視向速度。利用這些圖像,可建立小行星模型,其基本思路是:先建立一個粗糙的初始模型,由此模型生成仿真的延遲多普勒圖像;然后將仿真圖像與觀測得到的真實圖像比較,同時修改模型,使仿真圖像盡可能接近真實圖像;當(dāng)兩者差別小于一定范圍時,則認(rèn)為模型是可靠的。Ostro等人則利用雷達數(shù)據(jù)建立了一些粗糙的小行星模型,如 (433)Eros。1993年,Hudson提出了一種由雷達觀測數(shù)據(jù)反演小行星形狀模型的方法,該方法經(jīng)Magri等人改進后,形成了較為完善的SHAPE程序,是雷達反演建立小行星形狀模型的通用方法[14-16]。

雷達成像可以獲得小行星精確的尺寸形狀信息以及自轉(zhuǎn)狀況,對研究小行星形成演化規(guī)律和撞擊防御措施具有重要意義。聯(lián)合國和平利用外層空間委員會 《近地目標(biāo)與行星防御》文件也突出強調(diào)了美國Goldstone和Arecibo兩部行星雷達對潛在威脅小行星的目標(biāo)成像貢獻。

2.3 近地小行星的表層特性研究

在地基雷達連續(xù)波探測中,雷達對小行星發(fā)射未經(jīng)調(diào)制的單頻偏振電磁波,并測量不同偏振情況下的回波信號強度。小行星表面反射雷達波,其反射率與表層物質(zhì)的密度相關(guān);而反射波的偏振情況又與波長同尺度的表層結(jié)構(gòu)相關(guān)[17]。因此,通過地基雷達探測可以得到小行星的表面性質(zhì)?，F(xiàn)在常用的是圓偏振的連續(xù)波,其回波能量在偏振方向上存在一定分布。這種能量分布常用圓偏振比 (circular polarization ratio)μC來衡量:

式中,SC代表回波偏振方向與發(fā)射波相同;OC代表回波偏振方向與發(fā)射波相反。圓偏振波在鏡面正反射中偏振方向會反向,所以雷達截面中OC部分主要代表單次反射;而SC部分則代表多次反射,以及小行星表面存在的與雷達波長尺度相同的結(jié)構(gòu) (如巖石)[18]。所以μC是衡量小行星表面粗糙程度的量,μC越大則表面越粗糙。如果目標(biāo)天體表面絕對光滑,則μC=0。對于近地小行星,μC平均值約為0.28。

雷達波具有一定的穿透性,可以對天體表層以下的結(jié)構(gòu)進行探測,雷達技術(shù)在小行星探測中的主要貢獻在于小行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測。通過UHF、L、S、X等多波段的聯(lián)合探測,基于不同波長的探測可以獲得不同深層區(qū)域的演化特征。面對未來可能發(fā)生的近地小行星對地球的碰撞,必須首先了解小行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成等特性,才能預(yù)測其進入地球大氣層后的運行軌跡,進而對不同結(jié)構(gòu)的小行星使用不同的攔截手段。

3 性能設(shè)計

地基雷達的結(jié)構(gòu)通常分為地面設(shè)備和地下設(shè)備兩部分。地面設(shè)備主要由天線、伺服、饋源及饋線等組成,地下部分主要由發(fā)射機房、電子機房、操控室和供電機房等組成。地基雷達各系統(tǒng)的設(shè)計如圖3所示。與傳統(tǒng)雷達相比,用于近地小行星探測的地基雷達系統(tǒng)檢測來自行星際距離天體的反射回波,其典型特點是作用距離更遠,因而它是現(xiàn)存的最強大雷達系統(tǒng)。雷達回波信號強度是和距離的四次方成反比的,所以用來探測太陽系天體的雷達,一般要求有大口徑的天線和強功率的發(fā)射機。

圖3 雷達各系統(tǒng)組成關(guān)系圖Fig.3 Diagram of radar system

在近地小行星的地基雷達探測過程中,首先根據(jù)探測目的設(shè)計雷達波形,產(chǎn)生具體的波形控制信息,經(jīng)光纖接口向頻率源發(fā)送控制參數(shù)、時序和波控碼。相應(yīng)激勵信號經(jīng)頻率源產(chǎn)生并經(jīng)發(fā)射機放大后被送至天饋分系統(tǒng)并輻射至自由空間。天體反射回波信號被天饋分系統(tǒng)采集后傳輸至接收機,經(jīng)處理后形成和、方位差、俯仰差窄帶數(shù)字I/Q信號,通過光纖送至信號處理分系統(tǒng),信號處理首先對回波數(shù)據(jù)進行脈沖壓縮處理,之后完成恒虛警檢測。再經(jīng)由點跡處理進行距離、速度、角度估計、解模糊以及距離、方位凝聚等處理,將目標(biāo)角誤差信號采集并送伺服分系統(tǒng),伺服分系統(tǒng)基于角誤差信號驅(qū)動天線轉(zhuǎn)動,使天線對準(zhǔn)天體目標(biāo),并通過高數(shù)據(jù)率誤差電壓的更新對目標(biāo)進行高精度跟蹤測量。當(dāng)系統(tǒng)對天體目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定后,能夠?qū)崟r獲取天體目標(biāo)的高精度徑向距離、方位角、俯仰角和速度等信息?；讵毩⒆灾鞯膰鴥?nèi)技術(shù)條件,近地小行星地基雷達探測系統(tǒng)關(guān)鍵部件的主要性能設(shè)計如下。

3.1 大口徑天線

地基雷達的大口徑天線常被用于射電觀測,所以不少雷達站同時也是射電天文臺站。隨著我國近年來在大口徑射電望遠鏡研制方面的突破,在射電天文領(lǐng)域先后建設(shè)了25m、40m、50m、65m、500m等多個不同口徑的射電望遠鏡。新疆天文臺于2015年啟動了110m口徑全可動射電望遠鏡關(guān)鍵技術(shù)研究,云南景東120m射電望遠鏡項目已于2020年開工建設(shè)。所以,在近地小行星的地基雷達系統(tǒng)設(shè)計中考慮120m大口徑、方位俯仰全可動、拋物面天線是技術(shù)自主可行的。

3.2 強功率發(fā)射

強功率發(fā)射是實現(xiàn)信號上行傳輸?shù)年P(guān)鍵,是地基雷達探測系統(tǒng)的基礎(chǔ)、核心組成部分。發(fā)射機可對送來的小功率信號進行放大至需求的功率電平,滿功率工作狀態(tài)下可進行各工種模式實時切換,并具有發(fā)射機前級功率上天線功能。強功率發(fā)射涉及到高功率速調(diào)管技術(shù)、高壓高功率低紋波電源技術(shù)、高功率濾波技術(shù)、高功率傳輸技術(shù)等一系列關(guān)鍵、基礎(chǔ)技術(shù),也是一個國家國力與技術(shù)水平的綜合體現(xiàn)[19]。因此,國際主要航天大國都十分重視發(fā)射機技術(shù)的更新。美國Goldstone的70m天線集測控與雷達的功能于一體,不同的發(fā)射機對應(yīng)不同的應(yīng)用,進行太陽系天體探測常用的是X頻段連續(xù)波發(fā)射,即8560MHz頻率信號發(fā)射功率為500kW。Arecibo天線口徑達到305m,常用的主要是HF頻段 (430MHz)和S頻段 (2380MHz)發(fā)射,發(fā)射機輸出功率達到1mW。

考慮近年來我國在強功率發(fā)射機自主研發(fā)方面取得的進展,并繼承目前成熟發(fā)射機的技術(shù)和經(jīng)驗,近地小行星的地基雷達探測系統(tǒng)為了盡可能獲得較高的發(fā)射功率,選用S波段發(fā)射機,并使用速調(diào)管作為功放器件。S波段發(fā)射機采用全相參兩級主振放大式,前級采用固態(tài)放大器,末級選用強功率單注速調(diào)管放大器,除速調(diào)管外,其它全部為固態(tài)器件。S波段發(fā)射機的工作原理是:從激勵源送來的脈沖射頻小信號,其功率幅度約為1mW,送至前級放大器進行放大。通過可變衰減器進行增益調(diào)節(jié),將大小合適的輸出信號送到速調(diào)管放大器輸入端。速調(diào)管工作在飽和狀態(tài),以保證其既有較高的效率,又能對信號進行不失真地放大。經(jīng)前級放大器和速調(diào)管將輸出功率放大至1mW。

近地小行星地基雷達探測的關(guān)鍵指標(biāo)為威力,對信號帶寬無特別要求。當(dāng)頻率相同時,功率管平均功率越高,雷達威力越大?；趪鴥?nèi)目前自主研發(fā)的速調(diào)管功率水平,近地小行星地基探測雷達選用寬帶速調(diào)管作為功放器件,發(fā)射機工作于S頻段,考慮帶寬為100MHz,S頻段峰值功率可達1MW,占空比3%～4%,則平均功率可達30～40kW。另外,發(fā)射機具備遠程控制、無人值守等功能,具有故障自動巡檢和故障診斷能力。

3.3 超低溫接收

整個地基雷達系統(tǒng)的噪聲由低噪聲放大器的噪聲、天線的噪聲和饋線損耗的噪聲三部分決定。低噪聲放大器是實現(xiàn)信號接收的核心設(shè)備,主要由其實現(xiàn) “大海撈針”式的信號放大功能,降低接收系統(tǒng)的噪聲是提高信噪比的有效途徑。目前,國內(nèi)外的低噪聲放大器大都采用了液氦或液氮制冷場放,其噪聲溫度已基本趨于極限?？紤]國內(nèi)專業(yè)從事射電天文和深空測控射電接收前端的技術(shù)能力,采用低溫制冷的方式使核心器件饋源、低噪聲放大器和超導(dǎo)濾波器等器件工作在-253℃,降低接收前端引入的噪聲,大幅提高接收系統(tǒng)的靈敏度。目前成熟可實現(xiàn)的低溫超導(dǎo)接收機覆蓋S頻段,接收機的噪聲溫度可達30K以下。

3.4 高精度時頻

雷達天文的工作原理與一般雷達基本相同,但是探測目標(biāo)的距離,前者比后者要遠幾千倍乃至幾百萬倍以上。因此,接收回波與發(fā)射信號之間有較大的時間延遲,從月球的幾秒鐘到外行星的幾個小時?；诟呔葧r頻技術(shù),實現(xiàn)對雷達回波信號的長時間累積,可以滿足近地小行星探測的需求,將地基雷達的探測能力從目前的低軌延伸至高軌道、地月空間甚至更遠,為研究近地小行星預(yù)警等提供觀測數(shù)據(jù)。

地基雷達探測技術(shù)常采用地基雷達發(fā)射、射電望遠鏡接收的雙基地形式,發(fā)射與接收系統(tǒng)分置,且各自采用獨立的主振源,導(dǎo)致收、發(fā)初始觸發(fā)信號間存在固定的時間差和脈沖重復(fù)周期差。這種時間誤差將嚴(yán)重影響雷達天文探測系統(tǒng)的測距精度;此外,收發(fā)兩個頻率源之間的任何頻率誤差或頻率不穩(wěn)定,均將導(dǎo)致解調(diào)后回波信號存在相位誤差。因此,需要采用氫原子鐘提供高精度的時頻,用以滿足近地小行星的地基雷達探測需求。

3.5 多樣化信號

保持收發(fā)信號的相干特性、擁有足夠的觀測信號靈敏度,是這項技術(shù)的兩類核心關(guān)鍵問題。為了既能提高信號噪聲比又不至于對發(fā)射信號要求過大的峰值功率,即為了使發(fā)射脈沖持續(xù)足夠長的時間以維持信號的功率水平,同時還能不降低距離分辨率,在考慮改善距離向分辨率策略時通常采用脈沖壓縮技術(shù),發(fā)射脈沖不是簡單脈沖,而是幅度或相位按波形調(diào)制,在接收端經(jīng)過壓縮處理使得接收脈沖仿佛是由短脈沖發(fā)生的。利用線性調(diào)頻信號作為發(fā)射信號,再進行距離向壓縮處理。這樣在時間上即使是重疊的脈沖也能經(jīng)壓縮處理而區(qū)分開。脈沖雷達發(fā)射脈沖信號一般是對載頻波進行方波調(diào)制,載頻是固定的。線性調(diào)頻信號是載頻隨時間線性變化,線性增加或線性減小。

考慮到國際上長達數(shù)十年的實踐、理論和經(jīng)驗確認(rèn),通用的超遠距離作用行星探測雷達建議使用S波段模式,更長波長的頻段在行星際空間穿越行星際等離子體時電磁波信號能量損失衰減更小。

4 仿真分析

4.1 近地小行星的RCS特性

小行星目標(biāo)直徑通常在數(shù)十米以上,這一尺寸遠大于S頻段的雷達波長,因此小行星目標(biāo)位于雷達散射的光學(xué)區(qū) (目標(biāo)尺寸遠大于入射波長),此時目標(biāo)的雷達散射截面積 (Radar Cross Section,RCS)與自身橫截面積成正比。小行星目標(biāo)的RCS可用如下公式計算:

式中,R為小行星的半徑,ρ為小行星表面的RCS反射系數(shù)?？紤]小行星表面RCS反射系數(shù)平均值,即ρ≈0.1,對直徑50m小行星,RCS約為196.25m2。

4.2 地基雷達天線的增益

地基雷達天線的增益Gt=Aeff4π/λ2,Aeff為天線的有效面積,即Aeff=ηπ(D/2)2,其中λ為信號波長,η為天線效率 (天線效率取值0.5),D為天線直徑。則對于120m直徑大口徑天線,天線在S波段 (2400MHz)的增益約為66dB。

4.3 近地小行星地基雷達探測的距離分辨能力

對于地基雷達來說,近地小行星回波信號的距離分辨能力與發(fā)射信號的帶寬有關(guān),帶寬越大,分辨率越高,距離分辨率ΔR的計算公式如下:

式中,Bw為雷達發(fā)射信號的帶寬。

近地小行星探測雷達主要追求較高的雷達探測威力,對距離測量精度和距離分辨率要求較低,考慮到小行星目標(biāo)尺寸往往在數(shù)十至數(shù)千米量級,為提高回波信噪比,雷達信號的距離分辨率不宜過高,因此雷達發(fā)射波形可以選用窄帶線性調(diào)頻信號,有利于提升對小行星目標(biāo)的探測威力,且技術(shù)成熟,風(fēng)險低。建議的發(fā)射波形帶寬100MHz,則距離分辨能力可以達到1.5m,如表1所示。

表1 近地小行星地基雷達探測的波形帶寬和距離分辨能力設(shè)計Table 1 Parameters of waveform bandwidth and range resolution for ground-based radar detection of near Earth asteroids

4.4 近地小行星地基雷達探測的威力

小行星探測的關(guān)鍵指標(biāo)為雷達威力,脈沖雷達探測威力方程如下:

式中,Rmax為探測距離 (km),Pt為峰值功率(kW),τ為脈沖寬度 (μs),n為脈沖相參積累數(shù)量,Gt為發(fā)射增益,Gr為接收增益,σ為目標(biāo)的雷達散射截面積 (m2),f為雷達工作頻率 (MHz),Ts為折合至天線輸入端的等效噪聲系數(shù),D0為檢測力因子,CB為帶寬校正因子,L為系統(tǒng)損耗,主要指大氣損耗。考慮到雷達的探測威力與積累時長、小行星尺寸相關(guān),圖4給出了不同積累時間情況下雷達對不同尺寸小行星的探測能力,并在表2中給出了部分典型值。

表2 不同積累時間、小行星直徑時的雷達威力典型值 (S波段)Table 2 Typical values of radar power,integration time,and asteroid diameter(S band)

圖4 S波段地基雷達威力與積累時間、小行星直徑的關(guān)系Fig.4 The relation between S-band ground-based radar power,integration time,and asteroid diameter

分別考慮50m尺寸、PHA百米量級尺寸、公里尺寸的小行星,表2中列出了我國近地小行星地基雷達探測系統(tǒng)的探測距離以及所需的積累時間。要達到美國GSSR的0.1AU(1500萬千米)范圍內(nèi)直徑大于1km的小行星探測能力,我國近地小行星地基雷達探測系統(tǒng)需要積累時間達到小時量級,這都需要高精度的時頻、精確的小行星先驗信息等提供支撐。

4.5 近地小行星雙基地雷達探測威力的提升

根據(jù)發(fā)射天線和接收天線是否為同一天線,雷達系統(tǒng)分為單站和雙站。單站雷達由同一天線承擔(dān)發(fā)射和接收工作;雙站雷達則由一個天線發(fā)射信號后,另一天線接收,且發(fā)射和接收天線之間要有一定距離。在雷達發(fā)射功率確定的前提下,天線接收雷達回波信號的靈敏度是表征探測能力的主要約束條件,極端靈敏度給出約束的最遠的探測距離能力。我國FAST(Five-hundredmeter Aperture Spherical radio Telescope)是世界上最大的單天線射電望遠鏡,具有最高靈敏度。下面考慮120m雷達天線發(fā)射與FAST接收的雙基地探測模式。FAST工作的頻率上限不超過3GHz,這約束了雙基地探測近地小行星所使用的雷達頻段上限,也是我國近地小行星地基雷達探測系統(tǒng)設(shè)計選用S波段的重要原因之一。雷達利用S波段發(fā)射機產(chǎn)生窄帶信號,通過120m天線發(fā)射,并利用FAST的500m天線接收,根據(jù)需要實時傳回數(shù)據(jù)處理或儲存數(shù)據(jù)待后期離線處理。FAST天線通過主動控制在觀測方向可以形成300m口徑瞬時拋物面,天線在S波段 (2400MHz)的增益約為75dB。需要指出的是,采用120m雷達天線發(fā)射、FAST接收的雙基地雷達探測式時,需配置基于衛(wèi)星同步的高穩(wěn)定時頻源,以保證兩部天線的時頻同步。

從表3中可以看出,對于200萬千米遠、直徑50m的近地小行星探測,使用120m天線自發(fā)自收時,S頻段的積累時間為1397s,使用120m天線發(fā)射與FAST天線接收的雙基地雷達探測模式時,積累時間大幅下降至223s左右。同理計算了0.1AU距離直徑大于1km的小行星探測所需的積累時間從小時量級降為半小時以內(nèi)。故120m天線采用S頻段發(fā)射時,可以與FAST的500m口徑天線聯(lián)合探測,極大提升雷達對小行星的探測威力。

表3 小行星探測時雷達主要指標(biāo)Table 3 Parameters of radar for asteroid detection

5 小結(jié)

近地小行星的軌道與地球軌道接近或相交,是地球與人類安全的主要威脅,防御小行星重大隕擊仍是人類終將面對的挑戰(zhàn)。首先是探測和跟蹤它們,然后才是偏轉(zhuǎn)和行星防御。開展近地小行星探測研究可以為將來采取有效的措施來規(guī)避潛在威脅提供關(guān)鍵的科學(xué)依據(jù)。我國只有具備獨立自主的近地小行星精準(zhǔn)探測識別能力,才能將命運掌握在自己手上,確保國家安全利益。

隨著我國雷達技術(shù)的快速發(fā)展、深空探測工程的穩(wěn)步推進和射電天文觀測能力的不斷增強,我國已經(jīng)具備了構(gòu)建自主的近地小行星地基雷達系統(tǒng)的基本能力。發(fā)展大口徑天線、強功率發(fā)射、超低溫接收、高精度時頻的發(fā)射裝置,搭建國內(nèi)射電天文觀測系統(tǒng)大口徑天線共同接收的雙/多基地小行星探測雷達系統(tǒng),并按照一次規(guī)劃設(shè)計、分步建設(shè)實施、逐漸擴大規(guī)模和能力的步驟進行建設(shè)發(fā)展,將是未來該系統(tǒng)的最佳發(fā)展技術(shù)途徑。

中國國家航天局作為成員單位已于2018年1月正式加入國際小行星預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。我國地處東半球,建設(shè)近地小行星探測雷達系統(tǒng)之后可以與西半球美國的行星雷達形成覆蓋時段上的互補,能夠?qū)τ凶矒舻厍蛲{的近地小行星實現(xiàn)連續(xù)跟蹤監(jiān)測,大幅度提高識別和評估的效率。利用地基雷達探測近地小行星是對我國深空探測的有益補充,也是確保深遠空天安全的重要技術(shù)手段,對于提高我國天文學(xué)和行星科學(xué)水平和國際影響力,增強空天安全能力都具有重要意義。