楊 嵩 ,丁宗華,苗建蘇,代連東,吳 健
月球探測(cè)對(duì)推動(dòng)我國(guó)空間與行星科學(xué)、深空探測(cè)技術(shù)跨越式發(fā)展、促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,具有重大的軍事、科技與經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略需求。開展地基雷達(dá)天文探測(cè),將很大程度上突破深空探測(cè)目標(biāo)任務(wù)少的限制,獲取大量的月球地形地貌等幾何特征和電磁散射等物理特征信息,以及對(duì)不同月相的月球正面和極區(qū)表層、次表層物質(zhì)電磁時(shí)變特性進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的探測(cè)和監(jiān)測(cè)。當(dāng)前我國(guó)對(duì)月球環(huán)境(如月壤電導(dǎo)率、月表粗糙度等)認(rèn)知非常有限,探測(cè)能力非常不足,急需發(fā)展各種探測(cè)技術(shù),提供多種探測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐。
地基月球探測(cè)一般需要大口徑天線、高功率發(fā)射機(jī)、低噪聲接收機(jī)、高速數(shù)據(jù)獲取與處理等條件。作為目前最強(qiáng)大的地基電離層監(jiān)測(cè)手段,非相干散射雷達(dá)具有天線增益大(40 dB以上)、發(fā)射功率高(1 MW以上)、系統(tǒng)噪聲溫度低等特點(diǎn),在月球探測(cè)方面具有重要應(yīng)用潛力。美國(guó)Arecibo與北歐Tromso非相干散射雷達(dá)均成功開展了月球探測(cè)實(shí)驗(yàn)。在國(guó)家“子午工程”等支持下,中國(guó)電波傳播研究所于2012年初在云南曲靖(25.6° N,103.8° E)建成了我國(guó)首套非相干散射雷達(dá),為開展我國(guó)自主的地基月球探測(cè)提供了條件。
電離層中的電子、離子等隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)對(duì)入射電磁波產(chǎn)生的湯姆遜散射稱為非相干散射。最初認(rèn)為這種散射來自彼此獨(dú)立不相干的自由運(yùn)動(dòng)電子,但后來研究發(fā)現(xiàn),由于受離子的影響,自由電子的運(yùn)動(dòng)并非“非相干”而是“部分相干”,但由于歷史原因,“非相干”這一名詞沿用至今。由于電離層非相干散射非常微弱,因此非相干散射雷達(dá)需要采用高功率發(fā)射、大口徑天線(數(shù)十米口徑)或數(shù)萬天線單元組陣等技術(shù)。
自20世紀(jì)50年代末,美國(guó)人Gordon提出電離層非相干散射探測(cè)概念以來,國(guó)外以美國(guó)和歐洲非相干散射科學(xué)聯(lián)合會(huì)(European Incoherent Scatter Scientific Association, EISCAT)為代表先后建設(shè)了10多套非相干散射雷達(dá)(Incoherent Scatter Radar,ISR)。早期的非相干散射雷達(dá)一般屬于脈沖機(jī)械掃描雷達(dá),采用大功率發(fā)射機(jī)和大口徑天線,存在系統(tǒng)復(fù)雜、波束掃描不靈活等局限,近年來發(fā)展了基于相控陣體制的新型非相干散射雷達(dá),其中最典型的是美國(guó)先進(jìn)模塊化非相干散射雷達(dá)(AMISR)和正在建設(shè)中的歐洲下一代非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)(EISCAT 3D)。截至2022年1月,全球已建成的ISR雷達(dá)的分布如圖1所示,其中位于波多黎各的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡于2021年12月正式停止使用。
圖1 全球非相干散射雷達(dá)分布
曲靖非相干散射雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱曲靖雷達(dá))建于云南省曲靖市沾益區(qū)勁松山(25.6° N,103.8° E),主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
表1 曲靖非相干散射雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)
曲靖非相干散射雷達(dá)利用了原110雷達(dá)的天線面和天線座等,將原25 m口徑天線面擴(kuò)展到29 m,以滿足電離層非相干散射探測(cè)對(duì)天線增益要求;重新研制了發(fā)射、接收、信號(hào)處理、監(jiān)控、時(shí)頻、冷卻、數(shù)據(jù)處理等分系統(tǒng)。圖2展示了曲靖雷達(dá)的外觀結(jié)構(gòu)以及部分內(nèi)部構(gòu)造。
圖2 曲靖非相干散射雷達(dá)天線罩、天線以及發(fā)射機(jī)的實(shí)物圖
發(fā)射機(jī)是雷達(dá)的關(guān)鍵部件,一般具有高壓和大功率的特點(diǎn),技術(shù)復(fù)雜,造價(jià)昂貴。曲靖非相干散射雷達(dá)的發(fā)射機(jī)屬于主振放大式脈沖發(fā)射機(jī),通過激勵(lì)源產(chǎn)生低功率、相位穩(wěn)定的射頻振蕩信號(hào)源,前級(jí)固態(tài)放大器將該小信號(hào)放大以提供給末級(jí)速調(diào)管放大器作為輸入,速調(diào)管在脈沖調(diào)制器的控制下,將射頻信號(hào)進(jìn)一步放大到兆瓦量級(jí)輸出。該發(fā)射機(jī)采用了先進(jìn)的固態(tài)開關(guān)技術(shù),不需要使用高壓脈沖變壓器和撬棒,可遠(yuǎn)程控制,操作維護(hù)簡(jiǎn)便,安全性和可靠性高。非相干散射雷達(dá)接收的散射信號(hào)非常微弱,低于噪聲電平或與之相當(dāng),其前端采用了制冷低噪聲放大器,噪聲溫度約20 K,增益約40 dB。收發(fā)開關(guān)是該雷達(dá)的一個(gè)關(guān)鍵器件之一。收發(fā)開關(guān)也叫接收機(jī)保護(hù)器,主要作用是實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離,以保護(hù)接收機(jī),它包括前置管、保護(hù)管等。前者將大部分高功率能量反射,后者進(jìn)一步減小了發(fā)射脈沖能量。 非相干散射雷達(dá)信號(hào)處理分系統(tǒng)處理與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大,系統(tǒng)時(shí)序復(fù)雜,信號(hào)處理算法復(fù)雜,需要注意硬件的高速穩(wěn)定性、 軟件的靈活可靠性、信號(hào)處理算法的有效性等。
雷達(dá)波束最先入射到月面上的雷達(dá)下點(diǎn)(定義為雷達(dá)-月心連線在月面上的交點(diǎn)),隨后到月面上以該點(diǎn)為圓心的各同心圓,最終照射到月球最外側(cè)的臨邊大圓。根據(jù)球冠面積公式以及時(shí)延分辨率Δ,不同入射角月球的雷達(dá)回波功率可表示為
()~·πΔ·()·
(1)
式中,為雷達(dá)參數(shù),為月球半徑,()為入射角上單位照射面積的雷達(dá)散射截面積(定義為雷達(dá)反照率),為探測(cè)區(qū)域與雷達(dá)的距離。月球的雷達(dá)回波包含準(zhǔn)鏡面散射和漫散射兩個(gè)部分,準(zhǔn)鏡面散射來自月球上分布著的垂直于入射波的小平面,其可分布在月表以及月面一定深度之下(最大探測(cè)深度約為10個(gè)雷達(dá)波長(zhǎng))。準(zhǔn)鏡面散射的強(qiáng)度與不同入射角下探測(cè)區(qū)域內(nèi)的斜度統(tǒng)計(jì)分布以及菲涅爾反射系數(shù)有關(guān),且極化方式正交于入射波。漫散射來自分布在月表以及月表一定深度之下的尺寸在波長(zhǎng)量級(jí)的結(jié)構(gòu)(一般為巖石、碎塊等),這些小尺寸結(jié)構(gòu)在指向上隨機(jī)排列,會(huì)對(duì)入射波進(jìn)行去極化(回波極化方式隨機(jī))。漫散射的強(qiáng)度正比于照射區(qū)域的粗糙度。在低入射角(15°以下)時(shí),準(zhǔn)鏡面反射回波在極化回波中占絕對(duì)主導(dǎo);隨著入射角的增加,漫散射回波的功率占比隨之增加,在約60°時(shí)可與準(zhǔn)鏡面散射持平。曲靖雷達(dá)在2020年8月和10月進(jìn)行的月球探測(cè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果與前人的結(jié)果吻合得很好,在第3節(jié)進(jìn)行著重介紹。
(2)
(3)
月面上具有相同多普勒頻移的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)多普勒半圓環(huán),其為多普勒分辨單元在月面上的截面,如圖3所示。多普勒半圓環(huán)的寬度即為地面方位向分辨率,與多普勒分辨率和多普勒角有關(guān):
圖3 時(shí)延-多普勒技術(shù)對(duì)月球成像的幾何展示(α代表時(shí)延圓環(huán)上的雷達(dá)入射角,φ代表多普勒半圓環(huán)上的多普勒角,兩圓環(huán)的相交區(qū)域A、B則為一個(gè)月面分辨單元)
(4)
在月球成像時(shí),一般需要保證最優(yōu)距離分辨率和最優(yōu)方位分辨率量值相近。若雷達(dá)的距離分辨率很高,則需要滿足很長(zhǎng)的相干積累時(shí)間。而在此時(shí)間范圍內(nèi),月面各點(diǎn)相對(duì)雷達(dá)下點(diǎn)會(huì)在距離向和方位向移動(dòng)不同的距離,甚至遷移到相鄰的月面分辨網(wǎng)格,造成拖尾效應(yīng)。為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生,可以通過更為復(fù)雜的聚焦時(shí)延-多普勒技術(shù)來補(bǔ)償各點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),或者限制雷達(dá)的距離分辨率,后者將會(huì)影響月面的成像分辨率。目前曲靖雷達(dá)的距離分辨率較低,尚不需要考慮此問題。
(5)
圖4 月球近地面的雷達(dá)成像結(jié)果
(6)
式中,代表準(zhǔn)鏡面散射回波功率,代表漫散射回波功率,且建立在=12·這一假設(shè)上。因?yàn)榍咐走_(dá)只能接收單極化回波(OC),故暫無法測(cè)量這一參數(shù),但可以利用式(5)計(jì)算月球不同位置的雷達(dá)反照率。
曲靖非相干散射雷達(dá)在月球探測(cè)實(shí)驗(yàn)期間波束中心均指向月球質(zhì)心,這需要利用常用的測(cè)控軟件(如美NASA的SPICE工具庫(kù))計(jì)算月球的星歷,轉(zhuǎn)換到月心在測(cè)站地平坐標(biāo)系下的位置矢量,從而生成所需的雷達(dá)波束程序引導(dǎo)文件。另外,符合觀測(cè)要求的月球星象應(yīng)滿足如下約束條件:1) 月心相對(duì)測(cè)站地平面的仰角應(yīng)在15°~84°(仰角較低時(shí),地雜波干擾很大);2) 月球雷達(dá)下點(diǎn)回波在脈沖重復(fù)周期內(nèi)的相對(duì)時(shí)延應(yīng)在信號(hào)發(fā)射門之后,且后續(xù)的接收門之內(nèi)要至少包含絕大部分的月球回波(月球的時(shí)延深度約為11.6 ms);3) 一次時(shí)間窗口時(shí)長(zhǎng)應(yīng)不短于,為獲取理想月球成像結(jié)果的最短實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng),將在后面介紹。根據(jù)以上判定條件,可計(jì)算逐天的探測(cè)時(shí)間窗口。
在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí),除了時(shí)間窗口的預(yù)報(bào)和波束跟蹤文件的生成,還需選擇合適的脈沖重復(fù)周期,應(yīng)使其滿足:
(7)
對(duì)于曲靖雷達(dá),月球回波在慢時(shí)間域上的多普勒展寬最大約為12 Hz,對(duì)應(yīng)的時(shí)間為83.3 ms,故曲靖雷達(dá)可用的脈沖重復(fù)周期12 ms和20 ms均滿足此要求。因?yàn)橛布脑颍壳袄走_(dá)的最小脈沖碼元寬度為30 μs,對(duì)應(yīng)的最優(yōu)距離向分辨率僅為4.5 km。為了在方位向上獲得相近的分辨率,經(jīng)由式(3)計(jì)算可知獲取單個(gè)map的實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)應(yīng)約為60 s,此時(shí)最優(yōu)月面方位向分辨率約為4.3 km。另外,為了進(jìn)一步提高信噪比,我們最多可以積累連續(xù)3個(gè)map,積累跨度共計(jì)約3 min的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),超出此時(shí)長(zhǎng)將會(huì)產(chǎn)生拖尾效應(yīng),反而造成成像質(zhì)量的下降。
基于以上的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),曲靖非相干散射雷達(dá)在2020年9月和10月期間分別進(jìn)行了多次月球探測(cè)實(shí)驗(yàn),均取得了良好的結(jié)果。表2列舉了9月11日進(jìn)行的3次月球探測(cè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間窗口和參數(shù)設(shè)置。由表2可知,因受限于目前的脈沖重復(fù)周期設(shè)置,最長(zhǎng)可獲取約11.19 ms的月球回波,約占月球時(shí)延深度的96.47%;且表內(nèi)選擇的回波時(shí)長(zhǎng)門限為10.67 ms,一天之中仍僅有5次觀測(cè)窗口。未來考慮增加新的脈沖重復(fù)周期(如15 ms),將能大大提高月球探測(cè)實(shí)驗(yàn)的可靠性。
表2 曲靖非相干散射雷達(dá)2020年9月11日月球探測(cè)實(shí)驗(yàn)
首先介紹曲靖非相干散射雷達(dá)月球回波隨雷達(dá)入射角的變化情況。在確定雷達(dá)下點(diǎn)回波之后,我們對(duì)連續(xù)時(shí)間內(nèi)的月球回波進(jìn)行了算術(shù)平均,并將結(jié)果與Hagfors給出的準(zhǔn)鏡面散射回波的理論模型以及Evans等人給出的漫散射模型進(jìn)行了比較。圖5展示了歸一化后結(jié)果的對(duì)比。由于目前雷達(dá)未進(jìn)行精密標(biāo)校,也未測(cè)量60 cm波長(zhǎng)下的月球輻射,故無法直接比較二者量級(jí)的大小,只能分析相對(duì)趨勢(shì)。
圖5 曲靖非相干散射雷達(dá)月球回波功率隨入射角的變化,以及與準(zhǔn)鏡面散射模型和漫散射模型的比較
從圖5可以看出,當(dāng)入射角較低時(shí),實(shí)測(cè)值與準(zhǔn)鏡面散射模型吻合得較好;當(dāng)入射角超過40°,實(shí)測(cè)結(jié)果開始偏離準(zhǔn)鏡面散射模型,并隨著入射角的增加而向漫散射模型靠攏,且在75°以上入射角時(shí)具有十分接近的趨勢(shì)。這是因?yàn)橹鳂O化回波(OC)功率包含準(zhǔn)鏡面散射回波(用表示)和漫散射回波(用表示)兩個(gè)部分,而后者在高入射角時(shí)所占的比例更為突出。利用實(shí)測(cè)值與兩個(gè)散射模型簡(jiǎn)單估計(jì)了漫散射回波在高入射角時(shí)所占的比重,發(fā)現(xiàn)當(dāng)入射角約為60°時(shí),漫散射回波約占總功率的50%,這與前人的觀測(cè)結(jié)果相一致。結(jié)合以上分析,月球雷達(dá)回波的功率隨時(shí)延的變化基本驗(yàn)證了此次月球探測(cè)實(shí)驗(yàn)的有效性。
另外,我們計(jì)算了各時(shí)延圓環(huán)內(nèi)的平均雷達(dá)反照率,并與Arecibo的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果如圖6所示。同樣地我們對(duì)兩設(shè)備的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了歸一化處理,并且對(duì)曲靖雷達(dá)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了平滑。從圖中可以看出,兩部設(shè)備的雷達(dá)反照率(即單位照射面積的雷達(dá)散射截面積)隨入射角的變化具有大體一致的趨勢(shì),特別是低入射角(10°以下)時(shí)兩者吻合得很好,這進(jìn)一步驗(yàn)證了此次曲靖雷達(dá)月球探測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。對(duì)兩設(shè)備測(cè)量結(jié)果作差(圖中黃色柱線)可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)入射角超過10°時(shí)二者之差顯著上升,后保持穩(wěn)定,從45°左右開始減小并在60°附近達(dá)到極小值,隨后緩慢回升。曲靖ISR雷達(dá)所測(cè)月球反照率在入射角10°~15°下降相對(duì)較為平緩的原因可能是其波長(zhǎng)比Arecibo更短,月表顯示出更大的視斜度;而在高入射角時(shí)漫散射影響增大,故兩設(shè)備測(cè)量結(jié)果趨近。
圖6 曲靖非相干散射雷達(dá)與Arecibo射電望遠(yuǎn)鏡月球探測(cè)雷達(dá)反照率隨入射角的變化對(duì)比,以及兩設(shè)備測(cè)量結(jié)果的差值
同樣因?yàn)槟壳拔茨軠?zhǔn)確測(cè)量月球回波功率的絕對(duì)大小,在利用第2節(jié)中介紹的時(shí)延-多普勒技術(shù)得到一個(gè)雷達(dá)map后,將map中不同時(shí)延圓環(huán)上的值分別進(jìn)行歸一化(除以平均值),得到的結(jié)果能夠衡量局部區(qū)域的信號(hào)增強(qiáng)或減弱,從而可為研究不同地區(qū)的粗糙度、平均斜度以及物質(zhì)組成提供幫助。前人研究指出,月球主極化回波的局部區(qū)域增強(qiáng)可表示為
(8)
式中:,代表月面分辨單元(,為該單元的月緯和月經(jīng)坐標(biāo))的回波功率與其所在時(shí)延圓上的平均功率的比值;,代表分辨單元功率相對(duì)平均功率的比值,一般認(rèn)為在0~2之間,最大不超過6;代表在入射角下平均功率與平均功率的比值;,代表該單元總回波(OC)的增強(qiáng)(或減弱)。因?yàn)槭菃螛O化接收,我們無法直接測(cè)量得到,和,但可以根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到,。測(cè)量結(jié)果如圖7所示,由圖可知最大回波增強(qiáng)可達(dá)8.2倍,這發(fā)生在入射角32°左右時(shí)。另外當(dāng)入射角在20°~45°之間時(shí),最大回波增強(qiáng)存在很明顯的起伏,而回波總體未顯示較大的浮動(dòng)(對(duì)比回波標(biāo)準(zhǔn)差)。由圖4可知,當(dāng)入射角小于40°時(shí)?1,結(jié)合式(7)可得,≈,,推測(cè)可能來自菲涅爾反射系數(shù)的提升,如金屬含量或金屬成分的變化,或者來自雷達(dá)入射波與地面結(jié)構(gòu)法線夾角的變化,如環(huán)形山的山壁。當(dāng)入射角超過50°,最大回波增強(qiáng)隨入射角成線性增長(zhǎng),圖中回波標(biāo)準(zhǔn)差隨入射角的變化也顯示了相同的規(guī)律,分析其現(xiàn)象是此時(shí)在OC回波中占據(jù)主導(dǎo),而的波動(dòng)隨著入射角的增加可能有增大的傾向。
圖7 月球最大回波增強(qiáng)隨入射角的變化(圖中右下角藍(lán)線則反映了各入射角下回波標(biāo)準(zhǔn)差的變化情況)
最后,我們將反映局部變化的map通過第二節(jié)介紹的成像方法轉(zhuǎn)換到月球參考系下,并投影到二維平面,繪制成圖4。該圖反映了單極化接收時(shí)月球表面對(duì)兩種散射機(jī)制的區(qū)域性變化??梢钥闯鲋小⒏呔暤貐^(qū)分布著更為明顯的雷達(dá)特征。目前月球的成像結(jié)果還不甚理想,主要問題在于成像時(shí)存在月球南北半球模糊問題(若照射完整月球近地面時(shí),時(shí)延-多普勒技術(shù)無法區(qū)分視南北半球的回波);其次是雷達(dá)分辨率仍較低,不能滿足識(shí)別月表地形、地貌特征的要求;最后是無法從單極化回波中區(qū)分兩種散射機(jī)制,不能分別進(jìn)行研究,以提取更多的月球信息。
曲靖非相干散射雷達(dá)于10多年前設(shè)計(jì)與建設(shè),主要用于近地電離層探測(cè),其部分硬件指標(biāo)不一定適用于雷達(dá)天文領(lǐng)域,如月球探測(cè)。若用于月球等遠(yuǎn)距離天體探測(cè),還存在頻率穩(wěn)定度不高、脈沖重復(fù)周期短、信號(hào)帶寬較窄等硬件問題,降低了對(duì)月球的探測(cè)能力,特別是缺乏雙圓極化接收通道,無法同時(shí)接收雙圓極化回波,無法提取更多的月球信息;另一方面,該雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù),如波束指向、大地坐標(biāo)、發(fā)射功率、噪聲溫度等系統(tǒng)參數(shù)還未精確標(biāo)校,影響了對(duì)月球回波的精確探測(cè)與分析。
針對(duì)以上問題,一方面盡可能改善升級(jí)硬件,提升非相干散射雷達(dá)的月球探測(cè)性能。例如:用銣鐘或原子鐘替換目前的普通晶振,提高頻率穩(wěn)定度,盡可能保證發(fā)射與接收回波的相干性;升級(jí)波形發(fā)生器,以便能提供更多脈沖波形,其脈沖重復(fù)周期更長(zhǎng)、碼元寬度更短;對(duì)雷達(dá)大地坐標(biāo)、天線指向等進(jìn)行精確標(biāo)校。另一方面,考慮與我國(guó)現(xiàn)有射電望遠(yuǎn)鏡(貴州500 m球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST、新疆巴里坤天籟射電陣、云南天文臺(tái)40 m射電望遠(yuǎn)鏡等)合作,即可實(shí)現(xiàn)雙圓極化波接收,也可形成雙/多基地雷達(dá)干涉探測(cè)模式。
本文詳細(xì)介紹了曲靖非相干散射雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)、月球探測(cè)方法與初步結(jié)果。曲靖非相干散射雷達(dá)目前可用于探測(cè)月球單極化回波(OC)、反演月表反射系數(shù)和粗糙度、進(jìn)行初步二維成像等,探測(cè)結(jié)果與國(guó)外基本一致,驗(yàn)證了曲靖非相干散射雷達(dá)探測(cè)月球的可行性,對(duì)于我國(guó)的地基雷達(dá)天文探測(cè)技術(shù)與行星科學(xué)發(fā)展具有重要參考價(jià)值。但是目前曲靖非相干散射雷達(dá)月球探測(cè)硬件方面還存在諸多不足、探測(cè)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)很有限、月球回波處理與成像方法還需進(jìn)一步完善,下一步將逐步升級(jí)改造硬件條件,開展更多實(shí)驗(yàn)獲取更多數(shù)據(jù),同時(shí)逐漸改進(jìn)探測(cè)技術(shù)方法,同時(shí)加強(qiáng)與國(guó)內(nèi)射電望遠(yuǎn)鏡等合作,為不斷提升我國(guó)的地基月球探測(cè)技術(shù)水平作出更多積極貢獻(xiàn)。