流星雷達(dá)研究進(jìn)展

流星雷達(dá)研究進(jìn)展
摘要本文介紹流星雷達(dá)的基本I 作原理，并對(duì)流星雷達(dá)和一般的常規(guī)雷 達(dá)的特點(diǎn)進(jìn)行1比較．論述1流星雷達(dá)極待解決的問題及其科學(xué)目標(biāo)，對(duì)國(guó)際上 雌 關(guān)鍵詞流耋流星 雷達(dá)，研究進(jìn)展。 潞 ’ 太 每天，有許多大大小小的流星體墜入大 氣層，這些來自地球之外的小星體究竟能給 我們帶來什么樣的信息?在雷達(dá)束出現(xiàn)之 前，人們只能憑借視力觀察流星，對(duì)人們印 象最深刻的，莫過于那拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的余跡，疾 速劃過天空的流星。直到雷達(dá)出現(xiàn)之后，人 們才觀察到了更多的流星。落到地面成為隕 石者極其個(gè)別，絕大多數(shù)在大氣層中燃盡。 人們感興趣的不僅僅是流星本身，更重要的 是流星體進(jìn)入大氣層后，在與高層大氣相互 作用的過程中，在流星體通過的路徑上產(chǎn)生 長(zhǎng)長(zhǎng)的等離子體余跡。這些等離子體余跡對(duì) 電波有很強(qiáng)的反射作用。更重要的是流星余 跡的運(yùn)動(dòng)表征著高層大氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而 使人們對(duì)流星的研究不斷深入

1 流星的基本特性 流星有流星雨和偶發(fā)流星。流星雨是太 陽(yáng)系家族中的一員。流星群有定義良好的軌 道，而且僅在每年固定的日期出現(xiàn)并與地球 公轉(zhuǎn)軌道相交。當(dāng)二者運(yùn)行軌道相交時(shí)，這 些流星體便被重力場(chǎng)所捕獲，墜入大氣層。 流星雨具有相對(duì)固定的輻射點(diǎn)，且僅在每年 固定的日期發(fā)生。流星群的流星體在軌道上 的分布極不均勻，有些地方特別稀疏，有些 地方特別密集。所以流星雨的出現(xiàn)便呈現(xiàn)出 十分明顯的廚期性；電池測(cè)試儀| 相序表| 萬(wàn)用表| 功率計(jì)| 示波器| 電阻測(cè)試儀| 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)|平常年份很弱；個(gè)別年 份特別強(qiáng)烈。如果流星群和地球運(yùn)行軌道不 可通約，那束流星雨的重演便需要較長(zhǎng)的時(shí) 間。有的流星雨或者由于軌道的改變，不再 與地球相遇．或者由于物質(zhì)的喪失，表現(xiàn)很 弱。由于行星的攝動(dòng)，流星群的軌道變化很 大。在流星雨期間，它們?nèi)缤�雨點(diǎn)似的酒向 地球，在高層大氣中產(chǎn)生一個(gè)個(gè)流星余跡。 這些等離子體余跡對(duì)無(wú)線電波具有很強(qiáng)的 反射作用。已有的觀測(cè)結(jié)果表明口]：流星雨 期聞總是同時(shí)有數(shù)個(gè)流星體進(jìn)入雷達(dá)波束 區(qū)。如果能夠測(cè)量多流星的距離，將會(huì)提供 比偶發(fā)流星更多的信息量。就目前來說在流 星雷達(dá)研究領(lǐng)域尚未有利用其確定流星位 置的方法。這主要是困為目前尚未有合理的 觀測(cè)模型。但只要建立合理的觀測(cè)模型．流 星群同樣也能得到人們所感興趣的信息，如 流星的位置、大氣的速度等等。 和流星雨相對(duì)應(yīng)的是偶發(fā)流星。它似乎 在太空漫游，隨機(jī)地出現(xiàn)在地球上空，偶然 被地球重力場(chǎng)所俘獲．以極高的速度進(jìn)入地 球大氣層上空，并產(chǎn)生一個(gè)個(gè)流星余跡柱。 偶發(fā)流星究竟是來自太陽(yáng)系之外或是太陽(yáng) 系家族，目前尚無(wú)定論[ ”。如果能夠測(cè)量到 流星進(jìn)入地球大氣層的速度，那么便可確定 流星來源。流星體進(jìn)入大氣層后，與周圍大 氣產(chǎn)生磨擦．使流星體的物質(zhì)蒸發(fā)并電離。 質(zhì)量大的流星體在較低的高度上產(chǎn)生高密 度余跡。高密度余跡對(duì)無(wú)線電波的反射作用 強(qiáng)；低密度余跡對(duì)無(wú)線電波的反射作用弱。 盡管人們?cè)跍y(cè)量中希望有較強(qiáng)的無(wú)線電回 波，但由于高密度余跡出現(xiàn)的頻數(shù)較低，而 低密度余跡出現(xiàn)的頻數(shù)較高，人們感興趣的 仍然是低密度余跡，因?yàn)樗鼘?duì)測(cè)量具有現(xiàn)實(shí) 意義。
流星余跡的一個(gè)較好的模型是：流星余 跡是一個(gè)等離子體柱。其中電子濃度沿半徑 方向呈現(xiàn)高斯分布，且明顯高于周國(guó)高層大 氣中的自由電子濃度。流星余跡一旦生成便 隨著高層大氣一起運(yùn)動(dòng)．在其徑向，電子的 擴(kuò)散和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)電子濃度和周國(guó)大 氣中的電子濃度趨于一致時(shí)，流星余跡便消 失。其平均壽命僅0．5秒左右，有時(shí)壽命長(zhǎng) 者可達(dá)1秒。在運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)行著電子的生 成與復(fù)和消失的過程．有的流星余跡在雷達(dá) 波束區(qū)內(nèi)便消失，有的流星余跡長(zhǎng)達(dá)幾十公 里。 各流星體進(jìn)入大氣層時(shí)具有不同的速 度。有的流星體被地球運(yùn)動(dòng)時(shí)掃過而進(jìn)入大 氣層；有的本來就具有較高的運(yùn)動(dòng)速度，因 其趕上地球而墜入大氣層。又由于地球的自 轉(zhuǎn)，每天中流星的發(fā)生便出現(xiàn)兩個(gè)峰值；一 個(gè)是早上六點(diǎn)的最大值和下午六點(diǎn)的最小 值。對(duì)于仰角 5 的流星雷達(dá)觀測(cè)，北方在 早六點(diǎn)，東方在12點(diǎn)，南方在下午六點(diǎn)，西 方在0點(diǎn)流星的發(fā)生率分別最大。 已有的觀測(cè)資料表明[J】：每日中進(jìn)入地 球大氣中的流星粒子大約有16×10 個(gè)左 右． 總質(zhì)量達(dá)1噸左右． 進(jìn)入速度在 1 1．3kms 與72kms 之間。如果一個(gè)質(zhì)量 為0．001克的流星粒子以5Okras 的速度 進(jìn)入地球大氣，那么它便具有200焦耳的能 量。

2 流星雷達(dá)的科學(xué)目標(biāo) 對(duì)流星和流星余跡的研究．早在30年 代初就開始了，在其后的幾十年間，人們不 斷探索，做了大量的工作，但依其研究的目 的，大致可分為以下三個(gè)方面：
2．1 流星天文學(xué) (1)流星天文學(xué)的主要任務(wù)，就是測(cè)定 每年每月中質(zhì)量大于1毫克的流星的流量} (2)測(cè)定質(zhì)量大于1毫克的常見流星雨 作為太陽(yáng)經(jīng)度函數(shù)的流星密度； (3)觀測(cè)研究流星雨和偶發(fā)流星出現(xiàn)的 時(shí)空統(tǒng)計(jì)特征； (4)研究流星的起源和演化{ (5)流星體與行星、流星與彗星的關(guān)系} (6)掇據(jù)流星雨的分布及彗星受行星的 攝動(dòng)而引起軌道的變化，可研究小天體的軌 道理論，進(jìn)而研究太陽(yáng)系的演化過程。
2．2 高層大氣運(yùn)動(dòng) 流星余跡在研究高層大氣中起一般示 蹤物的作用，在此之前人們用火箭、槍榴彈 對(duì)高層大氣進(jìn)行研究。但這些方法都不能連 續(xù)測(cè)量，同時(shí)成本也高。只有流星雷達(dá)方法 是一種比較理想的方法，它不但成本低，而 且可連續(xù)測(cè)量。利用流星余跡對(duì)電波的反射 特性，人們可以獲得高層大氣的運(yùn)動(dòng)信息， 可以研究； ①高空大氣風(fēng)、潮汐、環(huán)流與太陽(yáng)活動(dòng) 的關(guān)系及其對(duì)地球自轉(zhuǎn)的效應(yīng)} ②大氣潮汐的季節(jié)變化，大氣擾動(dòng)的晝 夜變化、季節(jié)變化及其垂直結(jié)構(gòu)； ◎行星尺度波如何向上傳播到下熱層? 中層和下熱層的環(huán)流的季節(jié)變化與平流層 加熱的關(guān)系如何? - ④利用全球流星雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立一 個(gè)中層上部和熱層下部動(dòng)力學(xué)過程基本特 性的季節(jié)變化的全球模型．不僅考慮優(yōu)勢(shì) 風(fēng)、行星波和潮汐，還要考慮內(nèi)重力波和湍 流} ⑤ 研究青藏高原氣象激發(fā)大氣波的機(jī) 理及其傳播演變特性；進(jìn)一步查明遠(yuǎn)東電離 層異常與青藏高原激發(fā)的大氣波在季節(jié)變 化上的聯(lián)系} ⑥研究8B—l20km高度范圍電子和離 子的擴(kuò)散與地球磁場(chǎng)的依賴方式。
2．3 應(yīng)用研究 ① 由流星雷達(dá)獲得的大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的 信息可為中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)提供有價(jià)值的參 數(shù){ ② 建立服務(wù)于宇航目的的流星體災(zāi)害 預(yù)報(bào)模型} ③ 流星余跡用于高速遠(yuǎn)距離通訊和流 星余跡授時(shí)服務(wù)， ④觀測(cè)流星的流星雷達(dá)用于觀測(cè)高速 飛行物的軌道以及有可能對(duì)空間垃圾進(jìn)行 監(jiān)測(cè)．

3 流星雷達(dá)的工作原理 為了上述科學(xué)目標(biāo)，人們?cè)O(shè)計(jì)了用于剩 量流星余跡反射點(diǎn)的空間位置及周圍中性 大氣速度的雷達(dá)—— 流星雷達(dá)．就測(cè)量反射 點(diǎn)的空間位置來講，流星雷達(dá)與普通雷達(dá)的 工作原理一樣，均是通過測(cè)量收發(fā)脈沖時(shí)差 來實(shí)現(xiàn)電渡反射點(diǎn)與發(fā)射天線間距離的測(cè) 量．而反射點(diǎn)周圍大氣運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量，則 是通過檢出回波中的多譜勒頻移來實(shí)現(xiàn)。由 于流星余跡是等離子體，其中的電子密度是 有限的，所以為使電波能從等離子體面反射 回來而不穿透，電波頻率只能在3B一60Hz 之間．比用于飛機(jī)、導(dǎo)彈等金屬目標(biāo)定位的 雷達(dá)的工作頻率要低得多。這是兩種雷達(dá)的 基本區(qū)別，也是流星雷達(dá)不能精確定位的基 本原因。 現(xiàn)在世界上有3O多部流星雷達(dá)在運(yùn) 行，分布在美、英、奧、法、日、俄等國(guó)家。 這些雷達(dá)分為兩類：一類是連續(xù)波雷達(dá)，一 類是脈沖波雷達(dá)，后者似乎更利于科學(xué)目標(biāo) 的觀測(cè)。陜西天文臺(tái)擬建中的流星雷達(dá)屬于 后者。下面首先簡(jiǎn)單的介紹流星雷達(dá)瀏速、 定位的基本原理：
3．1 流星雷達(dá)的j翼4速定位的基本原理 流星雷達(dá)發(fā)射天線發(fā)射周期為 、寬度 為t、載頻為， 的矩形脈沖， (f)： ，(f)= U(Ocos~口f 其中； (f)：I 一專≤ ≤專 【0 其他 c，(1)一c。+2Σc．c0 0l q = z ． ： 手 。。— 2— 信號(hào)從流星余跡反射后，載頻不再是 ，。，而是， +，t，^ 就是附加的多譜勒頻 移．它由下式確定t ；． jl一一2 l， t1) f 其中c是光速} 是流星余跡相對(duì)于電 波反射點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度l 是由發(fā)射天線指向 反射點(diǎn)的單位矢量． 假設(shè)在信號(hào)帶通內(nèi)，流星余跡對(duì)電波反 射系數(shù)的模是常數(shù)，幅角是頻率的線性函 數(shù)，進(jìn)而假設(shè)接收系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的幅角是 頻率的線性函數(shù)，模是常數(shù)．不計(jì)接收系統(tǒng) 的放大效應(yīng)，流星余跡回波經(jīng)混頻、帶通濾 波和相干檢波后的波列解析式為： 0。的相干檢波輸出 U(t)·c。s( ) 9O。的相干檢波輸出 U(f)·si1l(q1) 上面兩式表明：相干檢波輸出是多譜勒 頻移，，的正弦和余弦波， 由一個(gè)問隔是 的等幅脈沖進(jìn)行采樣，在上面的理想情況 下，相干檢波輸出是與發(fā)射脈沖相同的矩形 脈沖。實(shí)際中接收系統(tǒng)的傳遞函數(shù)僅僅是改 變采樣脈沖的形狀，多譜勒頻移的性質(zhì)一點(diǎn) 也不改變．由于采樣信號(hào)的寬度相對(duì)于多譜 勒頻移來講非常小．故可將采樣脈沖看作是 等間隔的沖激函數(shù)。而在一般情況下．多譜 勒頻移具有一個(gè)隨時(shí)間變化的幅度A( )。 相干檢波的輸出一般可表示為 A( )= cos( 4- ·d(1一≈ f) A( )= sin( 4-曲·d(‘一 ) 其中 為相位，多譜勒頻率可通過下式 計(jì)算求得： q = 1-1(等 ) ㈣ 式中：M =2Cl島 M 2— 2C a馬 M 3— 2Sl島} M ‘一2C1C¨ s—— 相干檢波的正弦輸出{ — — 相干檢波的余弦輸出} s．= A(f)t s．m[0—2) f 4- ] c = A( )·cos[0— 2) f-4-神] 測(cè)出了¨ ，徑向風(fēng)速也就知道了．
3．2 流星雷達(dá)測(cè)距的基本原理 流星雷達(dá)發(fā)射一組脈沖波，相應(yīng)的接收 到一組脈沖波，接收脈沖與發(fā)射脈沖的時(shí)差 與光速C的乘積正比于測(cè)量的距離R，R的 測(cè)量精度取決于收發(fā)脈沖的測(cè)量精度．由于 流星雷達(dá)的工作頻率較低，信號(hào)帶寬受到限 制，脈沖前后沿難以做到陡蛸．時(shí)差測(cè)量中 在脈沖波形上時(shí)間參數(shù)就取礙不準(zhǔn)，所以早 期的流星雷達(dá)其測(cè)距精度只有2—3km．為 了提高測(cè)距精度，人們利用發(fā)射接收脈沖峰 值作為測(cè)量時(shí)間的參考點(diǎn)，這樣便演化出二 種算法； (1)拋物線算法 拋物線算法的前提是假定接收脈沖包 絡(luò)是一拋物線： —nz -4-bx+c．很顯然，只 需測(cè)量三個(gè)點(diǎn)便可唯一的確定包絡(luò)的峰值 點(diǎn)： M~= a tI+ bq + (3) r a l。一 b= db l c 【。 式中：d口、d6、 c分別是(3)的系數(shù) 行列式 f- M。] d．一j ll M zl l j一 脈沖峰值所在的位置在b／2a． (2)gauss算法 接收脈沖的另一個(gè)較好的包絡(luò)形狀是 gauss形分布l = A·exp[一0一 ) ] (5) 式中； 是流星余違反射回波包絡(luò)的幅 值} 是對(duì)應(yīng)于流星余跡回波包絡(luò)峰值所在 的位置． 在拋物線算法中t只需測(cè)量三個(gè)點(diǎn)，便 可確定脈沖的峰值，但當(dāng)脈沖的寬度較窄 時(shí)， 我們不能夠測(cè)量到三個(gè)點(diǎn)。人們常用 gauss形算法．這種gauss形算法的前提是 假定接收脈沖具有形如(5)所描述的gauss 形分布，僅測(cè)量二點(diǎn)便可確定脈沖的峰值位 置。 ~exp F’ 一 - 【M A exp[ ㈤ ：= · 一(fl一 ) ] 一exp[一(f。一 )z+ ( 一 )t] (7) ] 門● ● “ “ b Ⅲ = 一 = 由(7)可得： ／ ，＼ 一 + ㈣ 拋物線算法與gauss算法具有相同的 精度，據(jù)估計(jì)為土150米左右。
3．3 陜西天文臺(tái)的流量雷達(dá) 陜西天文臺(tái)擬建中的流星雷達(dá)是脈i巾 雷達(dá)。發(fā)射機(jī)載頻39．5MHz．中頻35MHz， 天線仰角 5度，仰角寬l2度，發(fā)射天線指 向北，方位角寬 9度．發(fā)射脈沖寬度l s， 脈沛重復(fù)頻率100Hz，峰值輸出功率 1000kW 。

4 流星雷達(dá)的進(jìn)展現(xiàn)狀及有待 改進(jìn)的問題 利用雷達(dá)觀測(cè)流星始于30年代。1931 年，Pickard研究了雨流星對(duì)無(wú)線電波的散 射特性，對(duì)常見的雨流星進(jìn)行了觀測(cè)0]； 1948年，Mckliney等研究了流星對(duì)無(wú)線電 波的散射，總結(jié)了雷達(dá)波束仰角與流星回波 強(qiáng)弱的關(guān)系0 ；1954年，Esnleman從理論上 研究了高密度流星余跡和低密度流星余跡 的散射方向圖[1”，并首次將流星余跡綜合 為一個(gè)等離子體柱，給出了幾種典型結(jié)構(gòu)的 等離子體的反射系數(shù)，并分別研究了高密度 流星余跡和低密度流星余跡的情形，對(duì)反射 系數(shù)相位的變化也進(jìn)行了定性的描述；1949 年，Mitt0 報(bào)道了利用雷達(dá)方法測(cè)量高層 大氣運(yùn)動(dòng)的方法。他提出的將接收天線呈直 角三角形放置的方案，一直是流星雷達(dá)設(shè)計(jì) 者措用的規(guī)范，從而奠定了流星雷達(dá)的基 礎(chǔ)。 最初的流星雷達(dá)毫無(wú)例外的采用脈沖 雷達(dá)，利用收發(fā)脈沖的時(shí)差確定流星的位 置，其測(cè)量精度僅有土3公里左右。Hines等 詳細(xì)研究了流星雷達(dá)的測(cè)距精度，建議采用 二個(gè)脈沖的峰值作為測(cè)量時(shí)間的參考點(diǎn)，利 用拋物線或Gauss形曲線逼近脈沖波形。 Hines估計(jì)改進(jìn)了的方法其測(cè)距定度為土 150m 左右。 美國(guó)Stanford的流星雷達(dá)由流星余跡 回波的多譜勒頻移測(cè)量大氣速度，流星標(biāo)高 由流星距接收天線的徑向距離和仰角確定。 測(cè)量大氣風(fēng)速精度± 5ms一，測(cè)距精度± 2．5kin 。 美國(guó)Lexington流星雷達(dá)1969年改用 鑒相確定流星的仰角。其基本原理是流星余 跡的后向散射場(chǎng)的波前以不同的時(shí)刻到達(dá) 一組在空間上分開的接收天線，其相差等于 天線間距和仰角余弦的乘積，相差直接利用 鑒相器的輸出。它有二組發(fā)射天線，一組指 向西北，而另一組指向東北，仰角均為 5。。 測(cè)量仰角和方位角的精度分別為土1．5。和 土l。。 法國(guó)的流星雷達(dá)【2”采用發(fā)射連續(xù)電波 測(cè)量流星的距離、風(fēng)速和空間位置。各個(gè)參 量均由鑒相器獲得，鑒相器有二組正交的輸 出信號(hào)。距離由兩個(gè)不同頻率的反射信號(hào)的 相差得到，其誤差土2kin。它有二組發(fā)射天 線，一個(gè)指向東方以測(cè)量東西向的風(fēng)，另一 個(gè)指向南方以測(cè)量南北向的風(fēng)。這個(gè)系統(tǒng)可 同時(shí)測(cè)量水平風(fēng)的二個(gè)分量。 澳大利亞1952年開始用無(wú)線電手段測(cè) 量高層大氣運(yùn)動(dòng)。它發(fā)射一組連續(xù)的脈沖 波．由三個(gè)外站接收流星余跡的回波，信號(hào) 中繼傳回總站處理。其測(cè)量方法與法國(guó)的流 星雷達(dá)類似．風(fēng)速測(cè)量精度±5ms～。 英國(guó)的流星雷達(dá)與一般的流星雷達(dá)基 本相同，三個(gè)發(fā)射天線分別指向西北、東北、 西南，由多個(gè)外站鑒相測(cè)量，測(cè)風(fēng)速精度土 2ms。。。 美國(guó)Illinois~lt,2e]的流星雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)在測(cè) 距和測(cè)量風(fēng)速方面都有長(zhǎng)足的進(jìn)展，其測(cè)距 精度和測(cè)風(fēng)速精度分別為土150m 和土 lms。。。 毋庸置疑，觀測(cè)高層大氣運(yùn)動(dòng)，除了各 站測(cè)量精度提高之外，尚有待于國(guó)際間的互 相合作 目前的流星雷達(dá)測(cè)距，無(wú)論采用拋物線 逼近或是采用Gauss形曲線逼近，都不是最 優(yōu)逼近．而且僅適用于一個(gè)反射回波的情 形 。即當(dāng)流星余跡有二個(gè)反射點(diǎn)或者二 個(gè)流星余跡對(duì)電、玻反射時(shí)這種方法失效。有 的文獻(xiàn)建議此時(shí)將這些數(shù)據(jù)剔除不用“ 。 據(jù)已有的觀測(cè)結(jié)果表 �！埃哼@時(shí)僅有l(wèi)O 的流星回波可資利用。 從前面的敘述和介紹中我們可以看到．
盡管流星雷達(dá)的觀測(cè)研究是一個(gè)開展比較 早的課題，但目前仍有幾個(gè)基本的問題有持 于改進(jìn)和解決：
(1)現(xiàn)有的流星雷達(dá)的測(cè)距精度不高． 根本原因是回波脈沖包絡(luò)上時(shí)間參考點(diǎn)選 的不準(zhǔn)。Hines提出采用脈沖包絡(luò)峰值點(diǎn)作 為測(cè)量時(shí)問參考點(diǎn)的方法。此法雖然在理論 上可以比較準(zhǔn)確的確定時(shí)間參考點(diǎn)，但實(shí)際 中脈沖波形與高斯波形或拋物線波形是有 區(qū)別的，加之外界干擾不可避免，這就使實(shí) 際波形與理論波形有差別，從而影響參考點(diǎn) 的準(zhǔn)確標(biāo)定。
(2)目前的流星雷達(dá)僅用了一個(gè)反射回 波的情形，這意味著大量的測(cè)量數(shù)據(jù)不能利 用．對(duì)科學(xué)研究來講是一個(gè)巨大的損失。
(3)對(duì)流星體沖入大氣速度的確定問 題，迄今尚未解決。為了確定流星的來源， 以及高速飛行體與電離層的相互作用，都需 要了解流星體進(jìn)入地球大氣的速度。 陜西天文臺(tái)擬建中的流星雷達(dá)，對(duì)目前 國(guó)際上已經(jīng)運(yùn)行的流星雷達(dá)中存在的問題 都有初步的設(shè)想，并在流星體進(jìn)入地球大氣 速度的直接測(cè)量、多流星相關(guān)分析與測(cè)量、 流星雷達(dá)測(cè)距精度的提高等方面的研究中， 取得了可喜的進(jìn)展 關(guān)于流星雷達(dá)用于軍事 目的的測(cè)定高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的研究也在進(jìn)行 之中。