我國(guó)近地小行星地基雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)和仿真分析

平勁松,孫靖

(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái),北京 100101)

1 引言

小行星是指圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的巖石或金屬天體,且不易釋放出氣體和塵埃。太陽(yáng)系中存在著大量的小行星,按照軌道半長(zhǎng)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(diǎn)上運(yùn)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(yáng)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(zhǎng)徑,q和Q分別代表近日距和遠(yuǎn)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(dá)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(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì) (International Astronomical Union,IAU)的定義,對(duì)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(duì)應(yīng)絕對(duì)星等小于22等)的小行星,定義其為對(duì)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(yáng)系大天體的軌道攝動(dòng)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(guó)國(guó)家航空航天局近地小行星研究中心首先公布了對(duì)這次事件的探測(cè)結(jié)果,如圖2所示,而中國(guó)官方僅地震局發(fā)布了由撞擊引起的微弱地震監(jiān)測(cè)結(jié)果。此事件集中反映出我國(guó)在對(duì)臨近地球目標(biāo)的探測(cè)、監(jiān)控以及應(yīng)急響應(yīng)方面與國(guó)際先進(jìn)水平存在較大差距,這將對(duì)航天活動(dòng)、空間資產(chǎn)安全、國(guó)家安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。我國(guó)學(xué)者近年來(lái)提出定義100年內(nèi)有可能會(huì)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(guó)需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警及防御應(yīng)對(duì)的小行星目標(biāo)[1]。

圖2 美國(guó)國(guó)家航空航天局探測(cè)到并公布的云南小行星撞擊地球事件,以及1988年以來(lái)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(duì)小行星的監(jiān)測(cè)預(yù)警手段包括多種技術(shù)和系統(tǒng),按照觀測(cè)點(diǎn)位置可以分為地基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和天基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。從技術(shù)原理上,地基和天基探測(cè)又可分為光學(xué)探測(cè)、紅外譜段探測(cè)和雷達(dá)探測(cè)。近距離空間探測(cè)器探測(cè) (如飛越探測(cè)、伴飛探測(cè)、附著探測(cè)、采樣返回探測(cè)等)也被視為監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要補(bǔ)充[2]。

地基雷達(dá)探測(cè)依托地面大口徑天線作為發(fā)射和接收天線,利用雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),通過(guò)檢測(cè)回波信號(hào)的時(shí)間延遲和多普勒 (Doppler)頻移實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè),是近地小行星探測(cè)的一種重要技術(shù)途徑,是行星學(xué)、射電天文學(xué)和雷達(dá)工程交叉的一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域[3]。地基雷達(dá)作為主動(dòng)探測(cè)設(shè)備,可觀測(cè)大的空域,具有全天候和全天時(shí)工作優(yōu)點(diǎn),建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用也比實(shí)施空間探測(cè)項(xiàng)目更加經(jīng)濟(jì),僅僅通過(guò)地基探測(cè)手段和資源,即可對(duì)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(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的探測(cè)和監(jiān)測(cè)。地基雷達(dá)探測(cè)方法不僅可以獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)對(duì)近地小行星的探測(cè),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(dòng)力學(xué)特性和電磁物理特性[4]。

美國(guó)引領(lǐng)了地基雷達(dá)天文領(lǐng)域的發(fā)展。自20世紀(jì)60年代起,美國(guó)就開(kāi)始了基于地基雷達(dá)和射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合的相關(guān)研究,通過(guò)使用地基雷達(dá)作為發(fā)射端,或直接在射電望遠(yuǎn)鏡上加裝發(fā)射設(shè)備,主動(dòng)對(duì)天體發(fā)射電磁信號(hào),并接收天體后向散射的回波,通過(guò)對(duì)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(duì)月球、太陽(yáng)系大行星、近地小行星等進(jìn)行檢測(cè)、成像、識(shí)別和監(jiān)視的能力。目前美國(guó)GSSR(Goldstone Solar System Radar)是世界上唯一一套在運(yùn)行的地基行星雷達(dá)系統(tǒng),可以探測(cè)1.5×107km范圍內(nèi)直徑大于1km的小行星[5]。Arecibo行星雷達(dá)系統(tǒng)歷史上也曾主導(dǎo)了地基雷達(dá)對(duì)太陽(yáng)系自然天體的探測(cè),可以探測(cè)3.5×107km范圍內(nèi)直徑大于1km的小行星。GSSR和Arecibo這兩套雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)不斷升級(jí),提高了工作頻率,配備了更大功率發(fā)射機(jī),在國(guó)際太陽(yáng)系研究中占據(jù)主導(dǎo)地位,探測(cè)過(guò)月球、金星、火星、水星、小行星、甚至太陽(yáng)系最邊遠(yuǎn)的冥王星等,對(duì)天體活動(dòng)、規(guī)律、構(gòu)成等進(jìn)行了大量研究,也對(duì)一些未知的小行星 (甚至行星帶)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行了探測(cè)和跟蹤。

1968年6月,Goldstone太陽(yáng)系雷達(dá)對(duì)編號(hào)為1566的小行星 (Icarus)進(jìn)行探測(cè),拉開(kāi)了利用地基雷達(dá)進(jìn)行小行星探測(cè)的大幕。雷達(dá)探測(cè)的最大優(yōu)勢(shì)在于可以控制發(fā)射信號(hào)的所有特性 (包括強(qiáng)度、方向、偏振和時(shí)間/頻率結(jié)構(gòu)等),實(shí)現(xiàn)不同的探測(cè)目的[6]。雷達(dá)探測(cè)主要有兩種方式:(1)連續(xù)波探測(cè),可得到小行星表面的粗糙度等參數(shù);(2)延遲多普勒探測(cè),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(dá)技術(shù)在近地小行星探測(cè)中具有獨(dú)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(dá)探測(cè)小行星的主要核心部分就是通過(guò)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(shí)延,雷達(dá)天文技術(shù)直接和準(zhǔn)確地測(cè)定回波延遲,能精確地確定所測(cè)天體的距離,用于小行星軌道優(yōu)化。小行星相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)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(lái)測(cè)量小天體的空間指向和旋轉(zhuǎn)變化特性。測(cè)量雷達(dá)回波的頻率變化量,可以得到小行星相對(duì)雷達(dá)站的視向速度。測(cè)量雷達(dá)回波的多普勒致寬,可以計(jì)算小行星的自轉(zhuǎn)周期。由于公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),小行星同地球的相對(duì)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(chǎng)強(qiáng)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(duì)開(kāi)展小行星的動(dòng)力學(xué)演化有重要影響。Yarkovsky效應(yīng)對(duì)天體產(chǎn)生的作用力屬于非引力攝動(dòng),是小行星軌道無(wú)法精確預(yù)測(cè)的最主要原因[8]。小行星表面產(chǎn)生的各向異性熱輻射對(duì)小行星本身產(chǎn)生的微小推力,長(zhǎng)期改變小行星的軌道半長(zhǎng)徑,在百萬(wàn)年內(nèi)使得小行星軌道發(fā)生明顯遷移。

雷達(dá)探測(cè)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(dá)觀測(cè)可以很大程度上提高小行星的軌道計(jì)算精度,尤其是對(duì)于新發(fā)現(xiàn)的小行星,雷達(dá)數(shù)據(jù)往往決定了小行星再次飛越地球時(shí)能否被找到。地基雷達(dá)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(shí)了沿軌道相交平面發(fā)生碰撞的可能性。地基雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)4m測(cè)距精度和1mm/s多普勒測(cè)速精度下視線位置的天體測(cè)量,測(cè)量精度相比一般光學(xué)測(cè)量提高至少兩個(gè)數(shù)量級(jí),雷達(dá)觀測(cè)可以將一顆小行星的不確定位置從光學(xué)觀測(cè)提供的幾千公里縮小到幾米,潛在危險(xiǎn)的小行星造成的撞擊風(fēng)險(xiǎn)可以通過(guò)雷達(dá)觀測(cè)相對(duì)迅速地解決[9-12]。

2.2 近地小行星的成像研究

通過(guò)對(duì)發(fā)射波進(jìn)行調(diào)制,接收回波可以同時(shí)得到回波的時(shí)延和多普勒位移,生成小行星的圖像 (即延遲多普勒?qǐng)D像),進(jìn)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?qǐng)D像是一種二維位圖,兩個(gè)維度分別為回波時(shí)延和回波的多普勒位移。圖像的每個(gè)像元代表一定時(shí)延和一定多普勒位移范圍,對(duì)應(yīng)小行星表面的一小部分甚至多個(gè)部分區(qū)域;像元的亮度代表這些區(qū)域的雷達(dá)截面之和。對(duì)小行星表面某個(gè)面元,其回波時(shí)延代表面元距雷達(dá)站距離,多普勒位移代表面元相對(duì)雷達(dá)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(gè)粗糙的初始模型,由此模型生成仿真的延遲多普勒?qǐng)D像;然后將仿真圖像與觀測(cè)得到的真實(shí)圖像比較,同時(shí)修改模型,使仿真圖像盡可能接近真實(shí)圖像;當(dāng)兩者差別小于一定范圍時(shí),則認(rèn)為模型是可靠的。Ostro等人則利用雷達(dá)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(dá)觀測(cè)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(jìn)后,形成了較為完善的SHAPE程序,是雷達(dá)反演建立小行星形狀模型的通用方法[14-16]。

雷達(dá)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(duì)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(guó)和平利用外層空間委員會(huì) 《近地目標(biāo)與行星防御》文件也突出強(qiáng)調(diào)了美國(guó)Goldstone和Arecibo兩部行星雷達(dá)對(duì)潛在威脅小行星的目標(biāo)成像貢獻(xiàn)。

2.3 近地小行星的表層特性研究

在地基雷達(dá)連續(xù)波探測(cè)中,雷達(dá)對(duì)小行星發(fā)射未經(jīng)調(diào)制的單頻偏振電磁波,并測(cè)量不同偏振情況下的回波信號(hào)強(qiáng)度。小行星表面反射雷達(dá)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(zhǎng)同尺度的表層結(jié)構(gòu)相關(guān)[17]。因此,通過(guò)地基雷達(dá)探測(cè)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(lái)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(huì)反向,所以雷達(dá)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(dá)波長(zhǎng)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(duì)光滑,則μC=0。對(duì)于近地小行星,μC平均值約為0.28。

雷達(dá)波具有一定的穿透性,可以對(duì)天體表層以下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè),雷達(dá)技術(shù)在小行星探測(cè)中的主要貢獻(xiàn)在于小行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)。通過(guò)UHF、L、S、X等多波段的聯(lián)合探測(cè),基于不同波長(zhǎng)的探測(cè)可以獲得不同深層區(qū)域的演化特征。面對(duì)未來(lái)可能發(fā)生的近地小行星對(duì)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(cè)其進(jìn)入地球大氣層后的運(yùn)行軌跡,進(jìn)而對(duì)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(jì)

地基雷達(dá)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(jī)房、電子機(jī)房、操控室和供電機(jī)房等組成。地基雷達(dá)各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖3所示。與傳統(tǒng)雷達(dá)相比,用于近地小行星探測(cè)的地基雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)來(lái)自行星際距離天體的反射回波,其典型特點(diǎn)是作用距離更遠(yuǎn),因而它是現(xiàn)存的最強(qiáng)大雷達(dá)系統(tǒng)。雷達(dá)回波信號(hào)強(qiáng)度是和距離的四次方成反比的,所以用來(lái)探測(cè)太陽(yáng)系天體的雷達(dá),一般要求有大口徑的天線和強(qiáng)功率的發(fā)射機(jī)。

圖3 雷達(dá)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(dá)探測(cè)過(guò)程中,首先根據(jù)探測(cè)目的設(shè)計(jì)雷達(dá)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(shí)序和波控碼。相應(yīng)激勵(lì)信號(hào)經(jīng)頻率源產(chǎn)生并經(jīng)發(fā)射機(jī)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(hào)被天饋分系統(tǒng)采集后傳輸至接收機(jī),經(jīng)處理后形成和、方位差、俯仰差窄帶數(shù)字I/Q信號(hào),通過(guò)光纖送至信號(hào)處理分系統(tǒng),信號(hào)處理首先對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮處理,之后完成恒虛警檢測(cè)。再經(jīng)由點(diǎn)跡處理進(jìn)行距離、速度、角度估計(jì)、解模糊以及距離、方位凝聚等處理,將目標(biāo)角誤差信號(hào)采集并送伺服分系統(tǒng),伺服分系統(tǒng)基于角誤差信號(hào)驅(qū)動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng),使天線對(duì)準(zhǔn)天體目標(biāo),并通過(guò)高數(shù)據(jù)率誤差電壓的更新對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度跟蹤測(cè)量。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)天體目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定后,能夠?qū)崟r(shí)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?dú)立自主的國(guó)內(nèi)技術(shù)條件,近地小行星地基雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的主要性能設(shè)計(jì)如下。

3.1 大口徑天線

地基雷達(dá)的大口徑天線常被用于射電觀測(cè),所以不少雷達(dá)站同時(shí)也是射電天文臺(tái)站。隨著我國(guó)近年來(lái)在大口徑射電望遠(yuǎn)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(gè)不同口徑的射電望遠(yuǎn)鏡。新疆天文臺(tái)于2015年啟動(dòng)了110m口徑全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡關(guān)鍵技術(shù)研究,云南景東120m射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目已于2020年開(kāi)工建設(shè)。所以,在近地小行星的地基雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮120m大口徑、方位俯仰全可動(dòng)、拋物面天線是技術(shù)自主可行的。

3.2 強(qiáng)功率發(fā)射

強(qiáng)功率發(fā)射是實(shí)現(xiàn)信號(hào)上行傳輸?shù)年P(guān)鍵,是地基雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)、核心組成部分。發(fā)射機(jī)可對(duì)送來(lái)的小功率信號(hào)進(jìn)行放大至需求的功率電平,滿功率工作狀態(tài)下可進(jìn)行各工種模式實(shí)時(shí)切換,并具有發(fā)射機(jī)前級(jí)功率上天線功能。強(qiáng)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(gè)國(guó)家國(guó)力與技術(shù)水平的綜合體現(xiàn)[19]。因此,國(guó)際主要航天大國(guó)都十分重視發(fā)射機(jī)技術(shù)的更新。美國(guó)Goldstone的70m天線集測(cè)控與雷達(dá)的功能于一體,不同的發(fā)射機(jī)對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用,進(jìn)行太陽(yáng)系天體探測(cè)常用的是X頻段連續(xù)波發(fā)射,即8560MHz頻率信號(hào)發(fā)射功率為500kW。Arecibo天線口徑達(dá)到305m,常用的主要是HF頻段 (430MHz)和S頻段 (2380MHz)發(fā)射,發(fā)射機(jī)輸出功率達(dá)到1mW。

考慮近年來(lái)我國(guó)在強(qiáng)功率發(fā)射機(jī)自主研發(fā)方面取得的進(jìn)展,并繼承目前成熟發(fā)射機(jī)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),近地小行星的地基雷達(dá)探測(cè)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(jī),并使用速調(diào)管作為功放器件。S波段發(fā)射機(jī)采用全相參兩級(jí)主振放大式,前級(jí)采用固態(tài)放大器,末級(jí)選用強(qiáng)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(jī)的工作原理是:從激勵(lì)源送來(lái)的脈沖射頻小信號(hào),其功率幅度約為1mW,送至前級(jí)放大器進(jìn)行放大。通過(guò)可變衰減器進(jìn)行增益調(diào)節(jié),將大小合適的輸出信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行不失真地放大。經(jīng)前級(jí)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(dá)探測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)為威力,對(duì)信號(hào)帶寬無(wú)特別要求。當(dāng)頻率相同時(shí),功率管平均功率越高,雷達(dá)威力越大?；趪?guó)內(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(cè)雷達(dá)選用寬帶速調(diào)管作為功放器件,發(fā)射機(jī)工作于S頻段,考慮帶寬為100MHz,S頻段峰值功率可達(dá)1MW,占空比3%～4%,則平均功率可達(dá)30～40kW。另外,發(fā)射機(jī)具備遠(yuǎn)程控制、無(wú)人值守等功能,具有故障自動(dòng)巡檢和故障診斷能力。

3.3 超低溫接收

整個(gè)地基雷達(dá)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(shí)現(xiàn)信號(hào)接收的核心設(shè)備,主要由其實(shí)現(xiàn) “大海撈針”式的信號(hào)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(guó)內(nèi)外的低噪聲放大器大都采用了液氦或液氮制冷場(chǎng)放,其噪聲溫度已基本趨于極限?？紤]國(guó)內(nèi)專業(yè)從事射電天文和深空測(cè)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(shí)現(xiàn)的低溫超導(dǎo)接收機(jī)覆蓋S頻段,接收機(jī)的噪聲溫度可達(dá)30K以下。

3.4 高精度時(shí)頻

雷達(dá)天文的工作原理與一般雷達(dá)基本相同,但是探測(cè)目標(biāo)的距離,前者比后者要遠(yuǎn)幾千倍乃至幾百萬(wàn)倍以上。因此,接收回波與發(fā)射信號(hào)之間有較大的時(shí)間延遲,從月球的幾秒鐘到外行星的幾個(gè)小時(shí)。基于高精度時(shí)頻技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間累積,可以滿足近地小行星探測(cè)的需求,將地基雷達(dá)的探測(cè)能力從目前的低軌延伸至高軌道、地月空間甚至更遠(yuǎn),為研究近地小行星預(yù)警等提供觀測(cè)數(shù)據(jù)。

地基雷達(dá)探測(cè)技術(shù)常采用地基雷達(dá)發(fā)射、射電望遠(yuǎn)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(dú)立的主振源,導(dǎo)致收、發(fā)初始觸發(fā)信號(hào)間存在固定的時(shí)間差和脈沖重復(fù)周期差。這種時(shí)間誤差將嚴(yán)重影響雷達(dá)天文探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)距精度;此外,收發(fā)兩個(gè)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(hào)存在相位誤差。因此,需要采用氫原子鐘提供高精度的時(shí)頻,用以滿足近地小行星的地基雷達(dá)探測(cè)需求。

3.5 多樣化信號(hào)

保持收發(fā)信號(hào)的相干特性、擁有足夠的觀測(cè)信號(hào)靈敏度,是這項(xiàng)技術(shù)的兩類核心關(guān)鍵問(wèn)題。為了既能提高信號(hào)噪聲比又不至于對(duì)發(fā)射信號(hào)要求過(guò)大的峰值功率,即為了使發(fā)射脈沖持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間以維持信號(hào)的功率水平,同時(shí)還能不降低距離分辨率,在考慮改善距離向分辨率策略時(shí)通常采用脈沖壓縮技術(shù),發(fā)射脈沖不是簡(jiǎn)單脈沖,而是幅度或相位按波形調(diào)制,在接收端經(jīng)過(guò)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(hào)作為發(fā)射信號(hào),再進(jìn)行距離向壓縮處理。這樣在時(shí)間上即使是重疊的脈沖也能經(jīng)壓縮處理而區(qū)分開(kāi)。脈沖雷達(dá)發(fā)射脈沖信號(hào)一般是對(duì)載頻波進(jìn)行方波調(diào)制,載頻是固定的。線性調(diào)頻信號(hào)是載頻隨時(shí)間線性變化,線性增加或線性減小。

考慮到國(guó)際上長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的實(shí)踐、理論和經(jīng)驗(yàn)確認(rèn),通用的超遠(yuǎn)距離作用行星探測(cè)雷達(dá)建議使用S波段模式,更長(zhǎng)波長(zhǎng)的頻段在行星際空間穿越行星際等離子體時(shí)電磁波信號(hào)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(yuǎn)大于S頻段的雷達(dá)波長(zhǎng),因此小行星目標(biāo)位于雷達(dá)散射的光學(xué)區(qū) (目標(biāo)尺寸遠(yuǎn)大于入射波長(zhǎng)),此時(shí)目標(biāo)的雷達(dá)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(jì)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(duì)直徑50m小行星,RCS約為196.25m2。

4.2 地基雷達(dá)天線的增益

地基雷達(dá)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(hào)波長(zhǎng),η為天線效率 (天線效率取值0.5),D為天線直徑。則對(duì)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(dá)探測(cè)的距離分辨能力

對(duì)于地基雷達(dá)來(lái)說(shuō),近地小行星回波信號(hào)的距離分辨能力與發(fā)射信號(hào)的帶寬有關(guān),帶寬越大,分辨率越高,距離分辨率ΔR的計(jì)算公式如下:

式中,Bw為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的帶寬。

近地小行星探測(cè)雷達(dá)主要追求較高的雷達(dá)探測(cè)威力,對(duì)距離測(cè)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(jí),為提高回波信噪比,雷達(dá)信號(hào)的距離分辨率不宜過(guò)高,因此雷達(dá)發(fā)射波形可以選用窄帶線性調(diào)頻信號(hào),有利于提升對(duì)小行星目標(biāo)的探測(cè)威力,且技術(shù)成熟,風(fēng)險(xiǎn)低。建議的發(fā)射波形帶寬100MHz,則距離分辨能力可以達(dá)到1.5m,如表1所示。

表1 近地小行星地基雷達(dá)探測(cè)的波形帶寬和距離分辨能力設(shè)計(jì)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(dá)探測(cè)的威力

小行星探測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)為雷達(dá)威力,脈沖雷達(dá)探測(cè)威力方程如下:

式中,Rmax為探測(cè)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(dá)散射截面積 (m2),f為雷達(dá)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(cè)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?？紤]到雷達(dá)的探測(cè)威力與積累時(shí)長(zhǎng)、小行星尺寸相關(guān),圖4給出了不同積累時(shí)間情況下雷達(dá)對(duì)不同尺寸小行星的探測(cè)能力,并在表2中給出了部分典型值。

表2 不同積累時(shí)間、小行星直徑時(shí)的雷達(dá)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(dá)威力與積累時(shí)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(jí)尺寸、公里尺寸的小行星,表2中列出了我國(guó)近地小行星地基雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)距離以及所需的積累時(shí)間。要達(dá)到美國(guó)GSSR的0.1AU(1500萬(wàn)千米)范圍內(nèi)直徑大于1km的小行星探測(cè)能力,我國(guó)近地小行星地基雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)需要積累時(shí)間達(dá)到小時(shí)量級(jí),這都需要高精度的時(shí)頻、精確的小行星先驗(yàn)信息等提供支撐。

4.5 近地小行星雙基地雷達(dá)探測(cè)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(dá)系統(tǒng)分為單站和雙站。單站雷達(dá)由同一天線承擔(dān)發(fā)射和接收工作;雙站雷達(dá)則由一個(gè)天線發(fā)射信號(hào)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(dá)發(fā)射功率確定的前提下,天線接收雷達(dá)回波信號(hào)的靈敏度是表征探測(cè)能力的主要約束條件,極端靈敏度給出約束的最遠(yuǎn)的探測(cè)距離能力。我國(guó)FAST(Five-hundredmeter Aperture Spherical radio Telescope)是世界上最大的單天線射電望遠(yuǎn)鏡,具有最高靈敏度。下面考慮120m雷達(dá)天線發(fā)射與FAST接收的雙基地探測(cè)模式。FAST工作的頻率上限不超過(guò)3GHz,這約束了雙基地探測(cè)近地小行星所使用的雷達(dá)頻段上限,也是我國(guó)近地小行星地基雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用S波段的重要原因之一。雷達(dá)利用S波段發(fā)射機(jī)產(chǎn)生窄帶信號(hào),通過(guò)120m天線發(fā)射,并利用FAST的500m天線接收,根據(jù)需要實(shí)時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù)處理或儲(chǔ)存數(shù)據(jù)待后期離線處理。FAST天線通過(guò)主動(dòng)控制在觀測(cè)方向可以形成300m口徑瞬時(shí)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(dá)天線發(fā)射、FAST接收的雙基地雷達(dá)探測(cè)式時(shí),需配置基于衛(wèi)星同步的高穩(wěn)定時(shí)頻源,以保證兩部天線的時(shí)頻同步。

從表3中可以看出,對(duì)于200萬(wàn)千米遠(yuǎn)、直徑50m的近地小行星探測(cè),使用120m天線自發(fā)自收時(shí),S頻段的積累時(shí)間為1397s,使用120m天線發(fā)射與FAST天線接收的雙基地雷達(dá)探測(cè)模式時(shí),積累時(shí)間大幅下降至223s左右。同理計(jì)算了0.1AU距離直徑大于1km的小行星探測(cè)所需的積累時(shí)間從小時(shí)量級(jí)降為半小時(shí)以內(nèi)。故120m天線采用S頻段發(fā)射時(shí),可以與FAST的500m口徑天線聯(lián)合探測(cè),極大提升雷達(dá)對(duì)小行星的探測(cè)威力。

表3 小行星探測(cè)時(shí)雷達(dá)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(duì)的挑戰(zhàn)。首先是探測(cè)和跟蹤它們,然后才是偏轉(zhuǎn)和行星防御。開(kāi)展近地小行星探測(cè)研究可以為將來(lái)采取有效的措施來(lái)規(guī)避潛在威脅提供關(guān)鍵的科學(xué)依據(jù)。我國(guó)只有具備獨(dú)立自主的近地小行星精準(zhǔn)探測(cè)識(shí)別能力,才能將命運(yùn)掌握在自己手上,確保國(guó)家安全利益。

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

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