地基深空探測雷達(dá)研究進(jìn)展與展望

龍 騰 丁澤剛，3 曾 濤，3 董澤華*，3 李凌豪

（1.北京理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)研究院，北京 100081；2.衛(wèi)星導(dǎo)航電子信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京理工大學(xué)），北京 100081；3.北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心，重慶 401135）

1 引言

地基深空探測雷達(dá)是觀測小行星、月球、類地行星等深空目標(biāo)的地基雷達(dá)系統(tǒng)，通過主動發(fā)射電磁波，并接收反射信號，實(shí)現(xiàn)對深空目標(biāo)的精確測量，是開展深空探測的有效手段［1］。深空探測其他重要手段包括深空探測航天器、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡等，但與地基深空探測雷達(dá)相比，深空探測航天器攜帶的載荷雷達(dá)只能進(jìn)行有限目標(biāo)的探測，且探測成本高、任務(wù)周期長，難以實(shí)現(xiàn)大量深空目標(biāo)探測；地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不能測距，影響深空目標(biāo)快速定軌精度，且分辨率低，難以獲取深空目標(biāo)精細(xì)形貌結(jié)構(gòu)；大口徑射電望遠(yuǎn)鏡（如FAST）自身不發(fā)射電磁波，僅被動接收天體輻射信號，可以觀測到遙遠(yuǎn)宇宙中的射電脈沖星，卻難以看到地球周圍那些“不發(fā)光”的小行星、行星等深空目標(biāo)。

因此，地基深空探測雷達(dá)具備許多獨(dú)特優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：1）全天時全天候觀測，不受氣象光照等因素的影響；2）高分辨率觀測，成像分辨率最高可達(dá)米級至亞米級，與探測器分辨率相當(dāng)［2］；3）可精確測距，能夠大幅提升小天體快速定軌精度［3］；4）具有一定的經(jīng)濟(jì)性，相對于發(fā)射探測器來說成本低，且一旦建成后可重復(fù)利用。

基于上述優(yōu)勢，美國《2023-2032 行星科學(xué)與天體生物學(xué)十年規(guī)劃》白皮書指出：“雷達(dá)是測量近地天體物理和動力學(xué)特性最強(qiáng)大的遙感手段”［4］。過去數(shù)十年間，地基深空探測雷達(dá)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于月球探測、小行星探測以及火星、金星、水星等類地行星探測中，在近地小行星防御、行星科學(xué)研究等方面發(fā)揮了不可替代的重要作用。

長期以來，先進(jìn)的地基深空探測雷達(dá)始終是美國太空優(yōu)勢的重要戰(zhàn)略組成。美國于1963 年就建成阿雷西博雷達(dá)，數(shù)十年來不斷升級，保持世界之最，但其于2020 年12 月因輔助電纜與主電纜斷裂，遭遇嚴(yán)重?fù)p毀，退出了歷史舞臺；1958 年建成的金石雷達(dá)也進(jìn)行了多次升級改造，是近年來最活躍的深空雷達(dá)，也是當(dāng)前看得最遠(yuǎn)的地基雷達(dá)。

本文梳理了目前國際上主要的地基深空探測雷達(dá)系統(tǒng)，回顧了地基深空探測雷達(dá)歷史上取得的重要研究成果。在此基礎(chǔ)上，介紹了分布孔徑深空探測雷達(dá)的創(chuàng)新機(jī)理與最新研究進(jìn)展，最后對地基深空探測雷達(dá)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界上著名的地基深空探測雷達(dá)系統(tǒng)有阿雷西博雷達(dá)（Arecibo）、金石雷達(dá)（Goldstone Solar System Radar）、南半球雷達(dá)（Southern Hemisphere Planetary Radar System）、葉耶夫帕托利亞行星雷達(dá)（Evpatoria Planetary Radar）、干草堆雷達(dá)（Haystack Radar）和綠岸雷達(dá)（Greenbank）等。其中阿雷西博雷達(dá)和金石雷達(dá)承擔(dān)了世界上絕大部分的太陽系天體的雷達(dá)探測工作，成為了國際行星科學(xué)研究中占據(jù)主導(dǎo)地位的地基雷達(dá)測量設(shè)施，并對月球、小行星以及火星、金星、水星等類地行星開展了大量觀測實(shí)驗(yàn)，取得了重要的歷史貢獻(xiàn)。本章從地基深空探測雷達(dá)系統(tǒng)和地基深空探測雷達(dá)歷史貢獻(xiàn)兩方面介紹地基深空探測雷達(dá)研究的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1.1 地基深空探測雷達(dá)系統(tǒng)

1963 年，美國國家科學(xué)基金會在波多黎各建成了世界最大孔徑的地基雷達(dá)——305 m 孔徑的阿雷西博雷達(dá)（Arecibo）［5］，如圖1（a）所示，而后又于1974 年為其加裝了波長12.6 cm 的發(fā)射機(jī)和雙偏振接收機(jī)。阿雷西博雷達(dá)天線孔徑305 m，具有UHF 和S 兩個頻段。UHF 頻段發(fā)射機(jī)工作頻率為430 MHz，工作波長為70 cm，S 頻段工作頻率為2380 MHz，工作波長為12.6 cm，射頻輸出功率為460 kW。在NASA 和美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation）聯(lián)合資助下，1997 年阿雷西博雷達(dá)S頻段雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率增加至1 MW。

圖1 美國阿雷西博雷達(dá)實(shí)物圖Fig.1 Arecibo radar system

數(shù)十年來，阿雷西博雷達(dá)一直是地球上觀測能力最強(qiáng)的地基雷達(dá)系統(tǒng)，空間分辨率最高可達(dá)7.5 m。然而波多黎各頻繁的地震颶風(fēng)等自然災(zāi)害對阿雷西博雷達(dá)的工作造成了一定影響。2020 年，阿雷西博雷達(dá)輔助電纜與主電纜相繼斷裂，隨后發(fā)生坍塌，如圖1（b）所示，被迫退役。

1958 年，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）建立了金石太陽系雷達(dá)（Goldstone Solar System Radar，GSSR）［6］，如圖2 所示，位于加利福尼亞州南部的莫哈韋沙漠。金石雷達(dá)是美國深空探測網(wǎng)（deep space network，DSN）的重要組成部分。金石雷達(dá)與深空探測網(wǎng)深空通信綜合設(shè)施（Goldstone deep space communications complex）DSS-14 共用天線，天線孔徑70 m，X 頻段工作波長為3.5 cm，發(fā)射功率500 kW，具有全方位指向能力。金石雷達(dá)系統(tǒng)是近年來最活躍的地基深空探測雷達(dá)，也是目前世界上唯一具備近地小行星業(yè)務(wù)化觀測能力的地基深空探測雷達(dá)。

圖2 金石雷達(dá)系統(tǒng)Fig.2 Goldstone Solar System Radar（GSSR）

南半球雷達(dá)（Southern Hemisphere Planetary Radar System）位于澳大利亞，使用深空站DSS-43的發(fā)射機(jī)和南半球最大的全可動天線——堪培拉深空通信中心（Canberra Deep Space Communications Complex）70 m 天線作為發(fā)射，使用帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡（Parkes Radio Telescope）和澳大利亞望遠(yuǎn)鏡緊湊陣列（Australia Telescope Compact Array，ATCA）作為接收，如圖3 所示。DSS-43 發(fā)射機(jī)工作在S 波段，工作頻率為2110～2118 MHz，理論上最大發(fā)射功率為400 kW，產(chǎn)生的天線增益為63 dBi。但實(shí)際工作中由于大于100 kW 的發(fā)射功率將需要額外的飛機(jī)安全談判，因此發(fā)射功率采用約75 kW［7］。

圖3 澳大利亞南半球雷達(dá)Fig.3 Southern Hemisphere Planetary Radar System

2015 年南半球行星雷達(dá)系統(tǒng)首次開展了近地小行星觀測，觀測目標(biāo)為近地小行星（43577）2005 UL5 和（33342）1998 WT24。兩顆近地小行星均為潛在威脅小行星，直徑分別約為300 m 和415 m，觀測時最近距離分別為2.5×106km 和4.2×106km。其中，1998 WT24 小行星從南方接近地球，證明了南半球行星雷達(dá)可以更早地探測到來自南方的近地小行星［7］。

葉耶夫帕托利亞RT-70 行星雷達(dá)（Evpatoria Planetary Radar）位于克里米亞葉耶夫帕托利亞，如圖4 所示，位置約為北緯45°11′，東經(jīng)33°11′，雷達(dá)天線口徑70 m，工作波長約6 cm，發(fā)射功率100～200 kW，波束寬度約3.5′，指向精度約10″，接收機(jī)噪溫約40 K，1978年以來長期用于蘇聯(lián)的多項(xiàng)深空探測任務(wù)。2001 年，葉耶夫帕托利亞RT-70 行星雷達(dá)在系統(tǒng)升級和大功率發(fā)射機(jī)維修之后，進(jìn)行了一系列初步的空間碎片雷達(dá)探測實(shí)驗(yàn)［8］。2012 年，葉耶夫帕托利亞RT-70行星雷達(dá)基于升級后的系統(tǒng)開展了對金星與火星的探測實(shí)驗(yàn)［9］。

圖4 葉耶夫帕托利亞RT-70行星雷達(dá)Fig.4 Evpatoria RT-70 planetary radar system

20世紀(jì)60年代，美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室建成了干草堆雷達(dá)（Haystack Radar）［10］，如圖5（a）所示。干草堆雷達(dá)工作在X 波段（7.84 GHz），天線口徑為36 m。自1974 年以來，隨著阿雷西博雷達(dá)和GSSR 的使用，干草堆雷達(dá)逐漸轉(zhuǎn)向衛(wèi)星和彈道導(dǎo)彈等空間目標(biāo)的探測和成像應(yīng)用，于1979年成為美國太空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的傳感器。

圖5 美國干草堆雷達(dá)Fig.5 Haystack Radar system

隨后，干草堆雷達(dá)從2002 年到2014 年間不斷升級，林肯實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)為干草堆雷達(dá)的X 波段傳感器增加了毫米波W 波段雷達(dá)功能，使這種新的雙波段系統(tǒng)干草堆超寬帶衛(wèi)星成像雷達(dá)（Ultrawideband Satellite Imaging Radar）成為了世界上最高分辨率的遠(yuǎn)程傳感器，如圖5（b）所示。干草堆雷達(dá)是目前世界上最先進(jìn)的空間態(tài)勢感知雷達(dá)。

美國綠岸天文臺（Green Bank Observatory）100 m口徑綠岸望遠(yuǎn)鏡（Green Bank Telescope）是目前世界上最大的全可動射電望遠(yuǎn)鏡。2021 年以來，美國國家射電天文臺、綠岸天文臺和雷神公司（Raytheon Intelligence &Space）正在為綠岸射電望遠(yuǎn)鏡設(shè)計下一代行星雷達(dá)系統(tǒng)［11］，如圖6（a）所示。綠岸雷達(dá)天線口徑為100 m，目前已經(jīng)加裝了Ku 波段（13.9 GHz）發(fā)射機(jī)，具備了發(fā)射能力，原型機(jī)發(fā)射功率目前僅有700 W。綠岸雷達(dá)采用雙基地成像模式，綠岸雷達(dá)天線發(fā)射，美國國家射電天文臺的10個25 m VLBA 天線接收。未來，將為綠岸射電望遠(yuǎn)鏡配備500 kW 的Ka 頻段（35 GHz）雷達(dá)，然后使用VLBA和未來的下一代甚大陣列（ngVLA）作為接收器［12］。

圖6 綠岸雷達(dá)系統(tǒng)Fig.6 Green Bank Observatory

2022 年，綠岸雷達(dá)發(fā)布了新的高分辨率月球圖像，這是有史以來使用綠岸雷達(dá)技術(shù)制作的最大合成孔徑雷達(dá)圖像。綠岸雷達(dá)拍攝的第谷隕石坑區(qū)域圖像包含約200 億像素，覆蓋了175 km×86 km 的區(qū)域，分辨率接近1 m×4 m，如圖6（b）所示。

當(dāng)前，國外地基雷達(dá)的發(fā)展趨勢在向分布式、新體制研究轉(zhuǎn)變，美國提出了構(gòu)建深空先進(jìn)雷達(dá)能力（Deep Space Advanced Radar Capability，DARC），正在積極開展分布孔徑雷達(dá)新體制研究，如圖7 所示。該系統(tǒng)可以合成更大的功率孔徑，計劃在世界各地的中緯度地區(qū)部署三個地面天線站點(diǎn)，以提升對地球同步軌道目標(biāo)的探測、跟蹤、識別和表征能力［13］。

圖7 深空先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)Fig.7 Deep Space Advanced Radar Capability

2.1.2 地基深空探測雷達(dá)歷史貢獻(xiàn)

國外自20 世紀(jì)六七十年代起就開展了地基深空探測雷達(dá)的相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)了對月球、近地小行星以及類地行星等天體的二維高分辨成像，獲取了大量天體地形地貌及運(yùn)動特性等重要信息，并在此基礎(chǔ)上取得了一系列矚目的科學(xué)成果，還為歷次深空探測任務(wù)提供了有效支撐。

（1）月球探測

月球是地基雷達(dá)探測應(yīng)用最早也是最多的天體。70 年代誕生了第一張月球近地端全球地圖［14-15］，80年代后期通過對延遲-多普勒技術(shù)的深入了解，地基雷達(dá)對月球雷達(dá)成像的分辨率達(dá)到了千米級，并消除了地圖間的不連續(xù)性，首次得到了分辨率在3～5 km的連續(xù)月球全球地圖，如圖8所示［16］。

圖8 分辨率3～5 km的連續(xù)月球全球地圖Fig.8 Lunar global radar image with resolution of 3～5 km

第一次用12.6 cm 波長對月球進(jìn)行雙站觀測是由Stacy 在1990 年和1992 年進(jìn)行的，在阿雷西博雷達(dá)以北11 km使用了一個30.5 m的輔助天線［17］。真正意義上的雙站觀測于2003年開始實(shí)施，同樣由阿雷西博雷達(dá)完成發(fā)射，位于西弗吉尼亞州國家射電天文臺的綠岸射電望遠(yuǎn)鏡負(fù)責(zé)接收月球雷達(dá)回波，最初采用70 cm 波長在17 分鐘相干時間間隔下發(fā)射非編碼脈沖的實(shí)驗(yàn)證明其分辨率可以達(dá)到400～600 m，通過該方法得到了月球近地側(cè)的大部分地圖［18］。隨后，Campbell 等人通過阿雷西博雷達(dá)采用70 cm 波長、40 分鐘相干間隔的觀測方式對月球?qū)庫o海成像，繪制出分辨率達(dá)200 m的地圖，如圖9（a）所示［19］。而利用S波段對月球進(jìn)行區(qū)域成像可以達(dá)到更高的分辨率，例如Campbell等人利用阿雷西博雷達(dá)12.6 cm 波長聯(lián)合綠岸望遠(yuǎn)鏡接收。得到了月球分辨率為80 m 的局部區(qū)域雷達(dá)成像結(jié)果如圖9（b）所示［20］。這些對月球的高分辨率成像結(jié)果解決了許多重要的科學(xué)問題，包括大型撞擊尺度上撞擊熔融沉積物的劃定，埋藏在盆地覆蓋物下方古老玄武巖的繪制，月海底層結(jié)構(gòu)與火山和地形演化歷史，以及火山灰沉積、熔巖流等一些月表特征。

圖9 月球表面高分辨率雷達(dá)成像結(jié)果Fig.9 High-resolution radar imaging results of lunar surface

地基深空探測雷達(dá)可用于繪制月球兩極的高分辨率地形圖，特別是月球南極地區(qū)［21］，金石太陽系雷達(dá)分別于1997 年和2006 年對月球開展了干涉實(shí)驗(yàn)［22］，實(shí)驗(yàn)中利用金石太陽系雷達(dá)的70 m孔徑的DSS-14 天線作為發(fā)射天線，利用天線組陣技術(shù)（DSS-13/DSS-25）相干接收，得到了月球南極地區(qū)的表面高程，空間分辨率達(dá)到20 m，高程分辨率達(dá)到5 m［23］，如圖10 所示，該圖像比Clementin 月球探測器獲得的分辨率高50倍，它揭示了月球南極的地形比我們以前認(rèn)知的更加高低不平。這些對月球的高分辨率成像結(jié)果解決了許多重要的科學(xué)問題，包括大型撞擊尺度上撞擊熔融沉積物的劃定，月海底層結(jié)構(gòu)與火山和地形演化歷史，也為月球探測任務(wù)選取著陸點(diǎn)提供了非常有價值的參考信息。

圖10 月球南極地區(qū)雷達(dá)干涉圖像Fig.10 Interference radar image of lunar south-pole region

月球永久陰影區(qū)水冰探測是地基深空探測雷達(dá)對月球探測的另一主要研究內(nèi)容，月球的自轉(zhuǎn)軸與黃道面間的傾角非常小，因此月球兩極地區(qū)附近的某些洼地可能永遠(yuǎn)處于太陽光照射的陰影中。地基雷達(dá)在過去的觀測研究中揭示了在水星極地地區(qū)類似的永久陰影區(qū)具有高圓極化率（CPR）的散射特性，這與水冰的散射特性相吻合，并推測可能的水冰沉積是由彗星撞擊產(chǎn)生的［24-25］。1997 年，Stacy 等人利用阿雷西博天文臺S頻段數(shù)據(jù)以125 m空間分辨率、雙極化方式搜尋月球極地永久陰影區(qū)的水冰，探測中沒有發(fā)現(xiàn)任何一塊面積大于1 km2的區(qū)域存在高雷達(dá)后向散射截面和高圓極化率，即沒有發(fā)現(xiàn)月球極地存在大面積分布的水冰［26］；阿雷西博70 cm雷達(dá)系統(tǒng)的觀測結(jié)果顯示在更大的穿透深度下同樣沒有出現(xiàn)高后向散射特性以及其他的連續(xù)特征；阿雷西博雷達(dá)和綠岸望遠(yuǎn)鏡12.6 cm波長對月球極地繪制的20 m分辨率圖像表明圓極化率值變大的區(qū)域與永久陰影地形輪廓明顯吻合［21］，如圖11所示，推測月球極地永久陰影區(qū)的特殊散射特性更可能來自于巖石碎片而不是板狀冰結(jié)構(gòu)［27］。因此，目前沒有地基雷達(dá)證據(jù)明確表明月球極地隕石坑內(nèi)存在大面積板狀冰沉積。

圖11 月球南極圓極化率（CPR）圖像Fig.11 Radar circular polarization ratio（CPR）image of lunar south-pole region

（2）小行星探測

小行星是圍繞太陽運(yùn)行的小型巖石天體，尺寸從幾米至數(shù)百千米。美國利用阿雷西博雷達(dá)和金石太陽系雷達(dá)對小行星進(jìn)行了大量觀測研究，很早就實(shí)現(xiàn)了對近地小行星與主帶小行星的雷達(dá)觀測［28-30］。地基深空探測雷達(dá)通過時延-多普勒方法可以實(shí)現(xiàn)小行星表面高分辨率成像，還能夠估計近地小行星的尺寸、形狀、自轉(zhuǎn)周期等物理性質(zhì)［31］。例如，阿雷西博雷達(dá)對（1627）Ivar 小行星實(shí)現(xiàn)二維成像，首次獲取了近地小行星的雷達(dá)圖像，如圖12（a）所示；金石雷達(dá)還首次繪制了極度延長型小行星1620 Geographos 的雷達(dá)圖像［32］，如圖12（b）所示。

圖12 小行星雷達(dá)成像結(jié)果Fig.12 Radar imaging results of asteroids

地基雷達(dá)還可以反演小行星的三維形狀結(jié)構(gòu)。20 世紀(jì)70 年代，Ostro 等人最早提出利用雷達(dá)數(shù)據(jù)反演小行星的形狀，但由于模型過于簡單只能得到小型的大概尺度［31］，隨后Hudson 通過實(shí)驗(yàn)室激光雷達(dá)修正了小行星形狀反演模型的精度［33］，而后，不斷有研究者根據(jù)新觀測到的小行星更正模型，以得到更準(zhǔn)確地成像結(jié)果，同時估計小行星的相關(guān)物理特性。例如，Brozovic 等人用兩種形狀模型根據(jù)阿雷西博2380 MHz 和金石8560 MHz 雷達(dá)數(shù)據(jù)對4486 Mithra 小行星進(jìn)行了成像并確定了其自轉(zhuǎn)周期［34］。Nolan等人針對101955 Bennu小行星構(gòu)建了一個三維模型，利用阿雷西博雷達(dá)和金石雷達(dá)數(shù)據(jù)對其形狀進(jìn)行了約束［35］。Crowell等人針對1929年發(fā)現(xiàn)的小行星（1627）Ivar 提出了改進(jìn)的形狀模型，比之前的模型具有更豐富的細(xì)節(jié)，根據(jù)該模型以及阿雷西博2380 MHz 雷達(dá)數(shù)據(jù)得到了該小行星的尺寸，自轉(zhuǎn)周期，表層風(fēng)化情況等詳細(xì)特征［36］。

隨著地基雷達(dá)成像技術(shù)的發(fā)展，基于地基雷達(dá)圖像獲取了許多小行星更精細(xì)的三維形狀結(jié)構(gòu)。例如，阿雷西博雷達(dá)繪制了4769 Castalia（1989 PB）小行星的雙瓣形結(jié)構(gòu)延遲-多普勒圖像［37］，隨后根據(jù)雷達(dá)圖像反演得到包含167個參數(shù)的該小行星三維形狀結(jié)構(gòu)［38］。金石太陽系雷達(dá)成功獲取了4179 Toutatis小行星的高分辨率二維圖像［39］，隨后在此基礎(chǔ)上分析了其轉(zhuǎn)動周期與轉(zhuǎn)軸的空間指向，并獲取了該小行星的三維結(jié)構(gòu)模型［40］，如圖13（a）所示。此外，金石雷達(dá)利用3.5 cm波長數(shù)據(jù)并結(jié)合光學(xué)觀測數(shù)據(jù)，獲取了1998 KY26小行星的成像結(jié)果與三維形狀反演結(jié)果［41］，如圖13（b）所示。阿雷西博雷達(dá)根據(jù)12.6 cm波長數(shù)據(jù)獲取了216 Kleopatra小行星的雷達(dá)圖像與三維形狀［42］，如圖13（c）所示。2006 年，金石太陽系雷達(dá)還首次實(shí)現(xiàn)了對雙小行星1999 KW4 的高分辨率成像并獲取了其三維形狀結(jié)構(gòu)［43-44］，如圖13（d）所示，揭示了自轉(zhuǎn)加速可能是雙小行星的形成機(jī)制。

圖13 小行星雷達(dá)三維形狀反演結(jié)果Fig.13 Radar 3D shape inversion results of asteroids

近二十年來，地基深空探測雷達(dá)對小行星探測逐漸從成像發(fā)展為對小行星物理特性的測量與估計。例如，Naidu 等人在2000 ET7 小行星接近地球期間對其進(jìn)行了雷達(dá)成像，分辨率達(dá)15 m，并估計了其自轉(zhuǎn)周期與運(yùn)動軌跡［45］。Lawrence 等人對2005 WC1小行星完成了分辨率達(dá)7.5 m的雷達(dá)成像，證實(shí)該小行星是第一顆具有極高圓偏振比，較低光學(xué)反射率與高雷達(dá)反射率的小行星［46］。Ipatov等人2015年7 月對有潛在危險的2011 UW158 小行星進(jìn)行了近距離雷達(dá)觀測，確定了小行星的大小和旋轉(zhuǎn)周期與光學(xué)觀測相一致，該小行星具有不均勻的表面和扁長的形狀，并根據(jù)觀測到的多普勒頻移改進(jìn)了該小行星的軌道參數(shù)［47］。Brozovic等人利用金石雷達(dá)數(shù)據(jù)對2007 PA8小行星進(jìn)行了成像，距離分辨率達(dá)3.75 m，并估計了其形狀與旋轉(zhuǎn)狀態(tài)［48］。

此外，地基雷達(dá)首次直接觀測并驗(yàn)證了小行星的雅科夫斯基（Yarkovsky）效應(yīng)與YORP效應(yīng)，雅科夫斯基效應(yīng)指當(dāng)小行星吸收陽光和釋放熱量時對小行星產(chǎn)生的微小的推動力，YORP 效應(yīng)是亞雅科夫斯基效應(yīng)的二階變化，能夠改變天體的自轉(zhuǎn)速率。Chesley 等人利用阿雷西博雷達(dá)和金石雷達(dá)對6489 Golevka 小行星十余年間的觀測結(jié)果，首次直接觀測到了小行星雅科夫斯基效應(yīng)［49］。Taylor等人利用阿雷西博雷達(dá)與地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測，分析了2000 PH5小行星的自轉(zhuǎn)特性，首次驗(yàn)證了小行星YORP 效應(yīng)［50］，該小行星也因此得名54509 YORP小行星。

隨著地基深空探測雷達(dá)重要性的日益凸顯，2012 年起NASA 增加了對阿雷西博雷達(dá)和金石雷達(dá)的資金投入，地基深空探測雷達(dá)每年觀測到的近地小行星（近日點(diǎn)距離小于1.3 AU 的小行星，簡稱NEA）數(shù)量增長了大約三倍，如圖14 所示。截至2020 年，阿雷西博雷達(dá)和金石雷達(dá)共觀測到近地小行星967顆，其中可能對地球存在威脅的小行星（近地點(diǎn)距離小于0.05 AU 的近地小行星，簡稱PHA）405顆，雙小行星與三合星59顆。

圖14 地基雷達(dá)每年探測近地小行星數(shù)量Fig.14 quantity of detected asteroids by Earth-based radar each year

此外，地基深空探測雷達(dá)還在近地小行星防御任務(wù)中發(fā)揮了不可替代的重要作用。美國于全球率先開展近地小行星撞擊防御任務(wù)——雙小行星重定向任務(wù)（Double Asteroid Redirection Test，DART）［51］，于2021 年11 月發(fā)射航天器，2022 年9 月主動撞擊近地雙小行星，以改變其從星軌道［52］，入選《Science》2022年世界十大科學(xué)突破。

DART 任務(wù)撞擊前，地基深空探測雷達(dá)圖像證實(shí)Didymos 為雙小行星，如圖15（a）所示，支撐NASA 確定其為DART 任務(wù)目標(biāo)小行星，并獲取了Didymos 小行星大小、形狀、自轉(zhuǎn)等物理特性［53-54］，如圖15（b）所示，為任務(wù)撞擊方案設(shè)計提供了關(guān)鍵約束。任務(wù)撞擊后，2022 年10 月金石雷達(dá)聯(lián)合綠岸射電望遠(yuǎn)鏡，在撞擊后數(shù)天內(nèi)即測量得到從星軌道周期縮短了約33分鐘，快速評估了任務(wù)的撞擊處置效果［55］，如圖15（c）所示。

圖15 DART任務(wù)雷達(dá)觀測結(jié)果Fig.15 Radar observations of DART mission

（3）類地行星探測

除月球和小行星外，地基深空探測雷達(dá)對類地行星也開展了大量的觀測。類地行星指以硅酸鹽巖石為主要成分的行星，包括水星、金星、地球和火星。阿雷西博雷達(dá)與金石雷達(dá)對火星的觀測數(shù)據(jù)中可以提取火星表面高程、反射率、粗糙度等信息，其經(jīng)度方向的空間分辨率達(dá)20 km，緯度方向分辨率達(dá)150 km。2005～2012 年間，阿雷西博雷達(dá)對火星實(shí)現(xiàn)了空間分辨率達(dá)3 km的表面成像［56］，這些觀測數(shù)據(jù)提供了火星地形和地質(zhì)物理等有關(guān)的直接信息，還成功應(yīng)用于Viking、Pathfinder、2003 Mars Exploration Rovers 等深空探測任務(wù)，輔助航天器完成了運(yùn)行軌道確定、導(dǎo)航定位、著陸點(diǎn)篩選等工作［57］，根據(jù)阿雷西博雷達(dá)觀測Viking 1 航天器在火星著陸點(diǎn)Chryse 平原周圍的地表粗糙度結(jié)果，如圖16 所示，Viking 1 最終確定在Chryse 平原的中部偏西相對平坦的區(qū)域著陸。

圖16 Viking 1著陸點(diǎn)Chryse平原地表粗糙度雷達(dá)觀測結(jié)果Fig.16 Radar image of Viking 1 landing site on Martian Chryse Planitia

由于金星表面被濃密的大氣層遮蔽，光學(xué)觀測對其無能為力，20 世紀(jì)60 年代，地基深空探測雷達(dá)開展了對金星的觀測，并揭示了金星的自轉(zhuǎn)周期為243 天［58］，金星的準(zhǔn)確半徑為6050 km［59］；1970 年，利用阿雷西博雷達(dá)70 cm 波長數(shù)據(jù)首次采用地基雷達(dá)干涉方法對金星進(jìn)行了觀測；1988 年，阿雷西博雷達(dá)12.6 cm 波長數(shù)據(jù)被用于對金星表面7%的區(qū)域進(jìn)行成像，分辨率達(dá)到1.5～2 km，成像結(jié)果證明金星Beta 與Eisila 區(qū)域山脈和Guinevere 平原是由火山形成的［60］。2012年，當(dāng)金星接近地球在內(nèi)合的位置時，阿雷西博雷達(dá)獲取了金星多視疊加后的雷達(dá)圖像［61］，如圖17所示。

圖17 金星雷達(dá)圖像Fig.17 Radar image of Venus

1965 年4 月，阿雷西博雷達(dá)觀測結(jié)果揭示了水星的自轉(zhuǎn)周期是59天［62］，使得人類對于水星的自轉(zhuǎn)運(yùn)動有了全新的認(rèn)識。阿雷西博雷達(dá)數(shù)據(jù)還為水星極地地區(qū)水冰貯藏提供了直接證據(jù)［24］，利用阿雷西博雷達(dá)S波段探測獲得了水星北極地區(qū)的雷達(dá)圖像［63］，如圖18所示，空間分辨率達(dá)1.5 km，圖中明亮區(qū)域被認(rèn)為是永久陰影區(qū)的水冰沉積。近年來，新提出的雷達(dá)散斑位移干涉測量技術(shù)在水星探測中得到了首次成功應(yīng)用，通過地基雷達(dá)干涉測量方法觀測得到水星自轉(zhuǎn)軸傾斜度為2.11±0.1弧分［64］。

圖18 水星北極地區(qū)地基雷達(dá)成像結(jié)果Fig.18 Radar imaging result of north-pole region of Mercury

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國地基深空探測仍然以光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡作為主要手段，在雷達(dá)方面發(fā)展較為緩慢，我國雷達(dá)深空探測主要集中在空間目標(biāo)探測上，尚未有面向小行星、類地行星等深空目標(biāo)業(yè)務(wù)化觀測的地基深空探測雷達(dá)。

近年來，我國在射電望遠(yuǎn)鏡方面取得了重要進(jìn)展。我國作為10 個主要成員國之一參與了平方千米陣列射電望遠(yuǎn)鏡SKA（Square Kilometer Array）的建設(shè)工作。同時，我國逐漸發(fā)展出多個全球領(lǐng)先的射電天文先導(dǎo)項(xiàng)目，“十三五”期間，我國建成了多部大孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，包括世界最大孔徑的500 m口徑射電望遠(yuǎn)鏡“FAST”，70 m 口徑的上海天馬全可動射電望遠(yuǎn)鏡等，如圖19所示。但這些射電望遠(yuǎn)鏡都不具備主動發(fā)射能力，只能采取被動接收模式獲取天體表面信息，難以對小行星、類地行星等“不發(fā)光”的天體進(jìn)行精細(xì)探測與成像，無法直接獲取天體地形地貌等特征信息，一定程度上限制了我國行星科學(xué)與深空探測的發(fā)展。

圖19 我國大口徑射電望遠(yuǎn)鏡Fig.19 Chinese large-aperture radio telescopes

當(dāng)前，國內(nèi)一些單位逐步開展了地基雷達(dá)深空探測的相關(guān)研究，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所基于三亞非相干散射雷達(dá)獲得了月球正面南北半球拼接成像結(jié)果［65］，成像分辨率為千米級，但該雷達(dá)的設(shè)計目標(biāo)是地球電離層探測。北京理工大學(xué)也開展了地基雷達(dá)相關(guān)技術(shù)的研究［66-67］，提出分布孔徑深空探測雷達(dá)概念，也稱“中國復(fù)眼”，同時率先開展了地基深空探測雷達(dá)系統(tǒng)論證與建設(shè)工作，以驗(yàn)證分布孔徑深空探測雷達(dá)新體制。

綜上所述，相比于國外，我國地基深空探測雷達(dá)相關(guān)研究尚處于起步階段，尚未擁有對小行星等深空目標(biāo)具備業(yè)務(wù)化觀測能力的地基深空探測雷達(dá)系統(tǒng)?？v觀國內(nèi)深空探測與行星科學(xué)的發(fā)展趨勢，當(dāng)前正是開展地基深空探測雷達(dá)研究的良好契機(jī)。地基深空探測雷達(dá)可以與其他深空觀測手段優(yōu)勢互補(bǔ)，靈活、高效的開展深空目標(biāo)觀測，為近地小行星防御與行星科學(xué)前沿研究提供重要支撐。

3 分布孔徑深空探測雷達(dá)創(chuàng)新機(jī)理

目前世界上主要的地基雷達(dá)大多采用集中雷達(dá)式體制，即利用單一大孔徑天線，結(jié)合單一大功率發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測。但雷達(dá)的天線孔徑與發(fā)射功率均存在物理極限，導(dǎo)致集中式深空探測雷達(dá)觀測距離受限，且不能擴(kuò)展，難以滿足對小行星、類地行星等深空目標(biāo)日益增長的觀測需求。此外，大孔徑天線與大功率發(fā)射機(jī)容易損壞且難以維修，2019年金石雷達(dá)發(fā)射機(jī)故障，長達(dá)20個月無法執(zhí)行小行星觀測任務(wù)；2020 年阿雷西博雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)斷裂，徹底損毀退役。因此，需要突破當(dāng)前地基深空探測雷達(dá)體制的制約，發(fā)展地基深空探測雷達(dá)新體制。

分布孔徑深空探測雷達(dá)是由多個雷達(dá)協(xié)同觀測的深空探測裝置，其核心機(jī)理為分布孔徑雷達(dá)相參處理技術(shù)，原理如圖20所示。分布孔徑深空探測雷達(dá)通過控制多部雷達(dá)協(xié)同工作，使電磁波實(shí)現(xiàn)極遠(yuǎn)距離處的精確聚焦，完成同相疊加，并控制多部雷達(dá)協(xié)同接收，實(shí)現(xiàn)回波信號信噪比的大幅提升，從而突破傳統(tǒng)集中式體制雷達(dá)的物理極限，因其形似昆蟲復(fù)眼，故形象稱之為“中國復(fù)眼”。

圖20 分布孔徑相參雷達(dá)新體制示意圖Fig.20 Distributed aperture deep-space radar system

“中國復(fù)眼”縮比驗(yàn)證系統(tǒng)由4 部16 m 孔徑雷達(dá)組成，如圖21所示，位于重慶市兩江新區(qū)明月山，主要用于月球觀測，已于2022 年12 月成功開機(jī)運(yùn)行，驗(yàn)證了分布孔徑深空探測雷達(dá)體制的可行性，并拍攝了我國首幅地基雷達(dá)月球三維圖像，受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

圖21 “中國復(fù)眼”縮比驗(yàn)證系統(tǒng)Fig.21 Scaled-down system of “China Compound Eye”

“中國復(fù)眼”目前正在建設(shè)由25 部30 m 孔徑雷達(dá)組成的地基深空探測雷達(dá)系統(tǒng)，預(yù)計于2026年建設(shè)完成，建設(shè)地點(diǎn)位于重慶市云陽縣龍角鎮(zhèn)中洲島，建設(shè)效果如圖22所示。其關(guān)鍵技術(shù)包括分布孔徑雷達(dá)全相參技術(shù)、分布孔徑雷達(dá)深空目標(biāo)高分辨成像技術(shù)等，建成后預(yù)計可實(shí)現(xiàn)對上千萬千米外近地小行星探測能力。

圖22 “中國復(fù)眼”預(yù)期建設(shè)效果圖Fig.22 Rendering of “China Compound Eye”

4 分布孔徑深空探測雷達(dá)研究進(jìn)展

基于“中國復(fù)眼”縮比驗(yàn)證系統(tǒng)，目前已開展了關(guān)鍵技術(shù)研究及試驗(yàn)驗(yàn)證，包括分布孔徑雷達(dá)相參技術(shù)、天體目標(biāo)高分辨二維成像技術(shù)、天體目標(biāo)高分辨三維成像技術(shù)等。

分布孔徑雷達(dá)相參技術(shù)方面，采用基于外標(biāo)校源的分布孔徑雷達(dá)相參標(biāo)校技術(shù)，以精確校準(zhǔn)雷達(dá)單元間發(fā)射鏈路和接收鏈路的相對相位。理論上，當(dāng)相對相位精確補(bǔ)償后，目標(biāo)的圖像信噪比最大，因此可調(diào)整雷達(dá)單元之間的相對相位并測量目標(biāo)的圖像信噪比，圖像信噪比最大時對應(yīng)的相位即為相對相位的估計值。基于此原理，分別開展了基于月球的發(fā)射相參標(biāo)校試驗(yàn)和基于射電源的接收相參標(biāo)校試驗(yàn)，然后以月球第谷隕石坑區(qū)域作為目標(biāo)區(qū)域，開展了分布孔徑雷達(dá)的全相參性能試驗(yàn)驗(yàn)證。為了驗(yàn)證發(fā)射相參性能，分別進(jìn)行了“四發(fā)一收”模式和“一發(fā)一收”模式的對月成像試驗(yàn)；為了驗(yàn)證接收相參性能，分別進(jìn)行了“四發(fā)四收”模式和“四發(fā)一收”模式的對月成像試驗(yàn)。

理論上，與“一發(fā)一收”模式相比，“四發(fā)四收”模式對應(yīng)的全相參后的信噪比增益為18 dB?！耙话l(fā)一收”模式、“四發(fā)四收”模式下的延遲多普勒成像結(jié)果如圖23（a）和（c）所示，其中紅框區(qū)域?qū)?yīng)第谷隕石坑區(qū)域，放大結(jié)果如圖23（b）和（d）所示。經(jīng)過評估，全相參的信噪比增益最高可達(dá)17.8 dB，接近理論增益。實(shí)際上，月球表面目標(biāo)的信噪比評估結(jié)果存在一定誤差，但足以驗(yàn)證分布孔徑雷達(dá)的全相參性能。

圖23 分布孔徑相參驗(yàn)證結(jié)果Fig.23 Results of distributed aperture deep-space radar coherence

天體目標(biāo)高分辨二維成像方面，采用基于延遲-多普勒算法的地基雷達(dá)二維成像技術(shù)，并開展了地基雷達(dá)對月二維成像試驗(yàn)，獲得了月球第谷隕石坑（Tycho crater）區(qū)域的地基雷達(dá)高分辨二維圖像。二維成像結(jié)果如圖24 所示，圖像分辨率約為50 m×100 m，揭示了該區(qū)域大量月表地形紋理信息。

圖24 月球高分辨二維成像結(jié)果Fig.24 High-resolution imaging result of the Moon

天體目標(biāo)高分辨率三維成像方面，采用基于后向投影算法的地基雷達(dá)三維成像技術(shù)，并開展了地基雷達(dá)對月三維成像試驗(yàn)，獲得了月球第谷隕石坑周邊區(qū)域的地基雷達(dá)高分辨率三維圖像，幅寬約為150 km，分辨率約為100 m。地理坐標(biāo)系下的第谷隕石坑三維成像結(jié)果如圖25 所示，可以看到第谷隕石坑的坑沿、坑壁、中央峰等地形特征清晰可見。

圖25 第谷坑區(qū)域三維成像結(jié)果Fig.25 High-resolution imaging result of the lunar Tycho crater

5 展望

地基深空探測雷達(dá)在月球、近地小行星、類地行星等深空目標(biāo)探測方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，取得了一大批顯著成果，在深空探測領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。但現(xiàn)有地基深空探測雷達(dá)大多采用集中式體制，導(dǎo)致其觀測距離受限，且易損壞、難維修，制約了地基深空探測雷達(dá)的發(fā)展。分布孔徑深空探測雷達(dá)新體制的觀測能力不受集中式結(jié)構(gòu)限制，可通過增加雷達(dá)數(shù)量持續(xù)提升系統(tǒng)的探測距離。因此，分布孔徑深空探測雷達(dá)突破了傳統(tǒng)地基深空探測雷達(dá)的天線孔徑和發(fā)射功率物理限制，為地基深空探測雷達(dá)的發(fā)展提供了可靠途徑。

未來，分布孔徑深空探測雷達(dá)將是地基深空探測雷達(dá)技術(shù)的重要發(fā)展方向，通過加快構(gòu)建分布孔徑深空探測雷達(dá)系統(tǒng)，可驗(yàn)證大規(guī)模分布孔徑深空探測雷達(dá)組陣觀測的可行性，推動地基深空探測雷達(dá)領(lǐng)域的快速發(fā)展。同時，發(fā)展地基深空探測雷達(dá)與國內(nèi)已有大口徑射電望遠(yuǎn)鏡、未來新建接收站之間的聯(lián)合組網(wǎng)能力，布局我國地基深空探測雷達(dá)復(fù)合觀測網(wǎng)，未來可進(jìn)一步提升我國地基深空探測雷達(dá)的觀測能力。

分布孔徑深空探測雷達(dá)的快速發(fā)展，將促成一系列重要原創(chuàng)性成果不斷涌現(xiàn)，有力支撐近地小行星防御等國家重大需求，并推動我國行星科學(xué)研究的快速發(fā)展。同時，地基分布孔徑雷達(dá)技術(shù)的率先突破，還將全面帶動機(jī)載、彈載、星載分布孔徑雷達(dá)的跨越式發(fā)展，促進(jìn)雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展與變革。