流星雷达研究进展

流星雷达研究进展
摘要本文介绍流星雷达的基本I 作原理，并对流星雷达和一般的常规雷 达的特点进行1比较．论述1流星雷达极待解决的问题及其科学目标，对国际上 雌 关键词流耋流星 雷达，研究进展。 潞 ’ 太 每天，有许多大大小小的流星体坠入大 气层，这些来自地球之外的小星体究竟能给 我们带来什么样的信息?在雷达束出现之 前，人们只能凭借视力观察流星，对人们印 象最深刻的，莫过于那拖着长长的余迹，疾 速划过天空的流星。直到雷达出现之后，人 们才观察到了更多的流星。落到地面成为陨 石者极其个别，绝大多数在大气层中燃尽。 人们感兴趣的不仅仅是流星本身，更重要的 是流星体进入大气层后，在与高层大气相互 作用的过程中，在流星体通过的路径上产生 长长的等离子体余迹。这些等离子体余迹对 电波有很强的反射作用。更重要的是流星余 迹的运动表征着高层大气的运动状态，从而 使人们对流星的研究不断深入

1 流星的基本特性 流星有流星雨和偶发流星。流星雨是太 阳系家族中的一员。流星群有定义良好的轨 道，而且仅在每年固定的日期出现并与地球 公转轨道相交。当二者运行轨道相交时，这 些流星体便被重力场所捕获，坠入大气层。 流星雨具有相对固定的辐射点，且仅在每年 固定的日期发生。流星群的流星体在轨道上 的分布极不均匀，有些地方特别稀疏，有些 地方特别密集。所以流星雨的出现便呈现出 十分明显的厨期性；电池测试仪| 相序表| 万用表| 功率计| 示波器| 电阻测试仪| 电阻计| 电表| 钳表| 高斯计|平常年份很弱；个别年 份特别强烈。如果流星群和地球运行轨道不 可通约，那束流星雨的重演便需要较长的时 间。有的流星雨或者由于轨道的改变，不再 与地球相遇．或者由于物质的丧失，表现很 弱。由于行星的摄动，流星群的轨道变化很 大。在流星雨期间，它们如同雨点似的酒向 地球，在高层大气中产生一个个流星余迹。 这些等离子体余迹对无线电波具有很强的 反射作用。已有的观测结果表明口]：流星雨 期闻总是同时有数个流星体进入雷达波束 区。如果能够测量多流星的距离，将会提供 比偶发流星更多的信息量。就目前来说在流 星雷达研究领域尚未有利用其确定流星位 置的方法。这主要是困为目前尚未有合理的 观测模型。但只要建立合理的观测模型．流 星群同样也能得到人们所感兴趣的信息，如 流星的位置、大气的速度等等。 和流星雨相对应的是偶发流星。它似乎 在太空漫游，随机地出现在地球上空，偶然 被地球重力场所俘获．以极高的速度进入地 球大气层上空，并产生一个个流星余迹柱。 偶发流星究竟是来自太阳系之外或是太阳 系家族，目前尚无定论[ ”。如果能够测量到 流星进入地球大气层的速度，那么便可确定 流星来源。流星体进入大气层后，与周围大 气产生磨擦．使流星体的物质蒸发并电离。 质量大的流星体在较低的高度上产生高密 度余迹。高密度余迹对无线电波的反射作用 强；低密度余迹对无线电波的反射作用弱。 尽管人们在测量中希望有较强的无线电回 波，但由于高密度余迹出现的频数较低，而 低密度余迹出现的频数较高，人们感兴趣的 仍然是低密度余迹，因为它对测量具有现实 意义。
流星余迹的一个较好的模型是：流星余 迹是一个等离子体柱。其中电子浓度沿半径 方向呈现高斯分布，且明显高于周国高层大 气中的自由电子浓度。流星余迹一旦生成便 随着高层大气一起运动．在其径向，电子的 扩散和复合同时进行。当电子浓度和周国大 气中的电子浓度趋于一致时，流星余迹便消 失。其平均寿命仅0．5秒左右，有时寿命长 者可达1秒。在运动方向，进行着电子的生 成与复和消失的过程．有的流星余迹在雷达 波束区内便消失，有的流星余迹长达几十公 里。 各流星体进入大气层时具有不同的速 度。有的流星体被地球运动时扫过而进入大 气层；有的本来就具有较高的运动速度，因 其赶上地球而坠入大气层。又由于地球的自 转，每天中流星的发生便出现两个峰值；一 个是早上六点的最大值和下午六点的最小 值。对于仰角 5 的流星雷达观测，北方在 早六点，东方在12点，南方在下午六点，西 方在0点流星的发生率分别最大。 已有的观测资料表明[J】：每日中进入地 球大气中的流星粒子大约有16×10 个左 右． 总质量达1吨左右． 进入速度在 1 1．3kms 与72kms 之间。如果一个质量 为0．001克的流星粒子以5Okras 的速度 进入地球大气，那么它便具有200焦耳的能 量。

2 流星雷达的科学目标 对流星和流星余迹的研究．早在30年 代初就开始了，在其后的几十年间，人们不 断探索，做了大量的工作，但依其研究的目 的，大致可分为以下三个方面：
2．1 流星天文学 (1)流星天文学的主要任务，就是测定 每年每月中质量大于1毫克的流星的流量} (2)测定质量大于1毫克的常见流星雨 作为太阳经度函数的流星密度； (3)观测研究流星雨和偶发流星出现的 时空统计特征； (4)研究流星的起源和演化{ (5)流星体与行星、流星与彗星的关系} (6)掇据流星雨的分布及彗星受行星的 摄动而引起轨道的变化，可研究小天体的轨 道理论，进而研究太阳系的演化过程。
2．2 高层大气运动 流星余迹在研究高层大气中起一般示 踪物的作用，在此之前人们用火箭、枪榴弹 对高层大气进行研究。但这些方法都不能连 续测量，同时成本也高。只有流星雷达方法 是一种比较理想的方法，它不但成本低，而 且可连续测量。利用流星余迹对电波的反射 特性，人们可以获得高层大气的运动信息， 可以研究； ①高空大气风、潮汐、环流与太阳活动 的关系及其对地球自转的效应} ②大气潮汐的季节变化，大气扰动的昼 夜变化、季节变化及其垂直结构； ◎行星尺度波如何向上传播到下热层? 中层和下热层的环流的季节变化与平流层 加热的关系如何? - ④利用全球流星雷达观测数据，建立一 个中层上部和热层下部动力学过程基本特 性的季节变化的全球模型．不仅考虑优势 风、行星波和潮汐，还要考虑内重力波和湍 流} ⑤ 研究青藏高原气象激发大气波的机 理及其传播演变特性；进一步查明远东电离 层异常与青藏高原激发的大气波在季节变 化上的联系} ⑥研究8B—l20km高度范围电子和离 子的扩散与地球磁场的依赖方式。
2．3 应用研究 ① 由流星雷达获得的大气运动状态的 信息可为中长期天气预报提供有价值的参 数{ ② 建立服务于宇航目的的流星体灾害 预报模型} ③ 流星余迹用于高速远距离通讯和流 星余迹授时服务， ④观测流星的流星雷达用于观测高速 飞行物的轨道以及有可能对空间垃圾进行 监测．

3 流星雷达的工作原理 为了上述科学目标，人们设计了用于剩 量流星余迹反射点的空间位置及周围中性 大气速度的雷达—— 流星雷达．就测量反射 点的空间位置来讲，流星雷达与普通雷达的 工作原理一样，均是通过测量收发脉冲时差 来实现电渡反射点与发射天线间距离的测 量．而反射点周围大气运动速度的测量，则 是通过检出回波中的多谱勒频移来实现。由 于流星余迹是等离子体，其中的电子密度是 有限的，所以为使电波能从等离子体面反射 回来而不穿透，电波频率只能在3B一60Hz 之间．比用于飞机、导弹等金属目标定位的 雷达的工作频率要低得多。这是两种雷达的 基本区别，也是流星雷达不能精确定位的基 本原因。 现在世界上有3O多部流星雷达在运 行，分布在美、英、奥、法、日、俄等国家。 这些雷达分为两类：一类是连续波雷达，一 类是脉冲波雷达，后者似乎更利于科学目标 的观测。陕西天文台拟建中的流星雷达属于 后者。下面首先简单的介绍流星雷达浏速、 定位的基本原理：
3．1 流星雷达的j翼4速定位的基本原理 流星雷达发射天线发射周期为 、宽度 为t、载频为， 的矩形脉冲， (f)： ，(f)= U(Ocos~口f 其中； (f)：I 一专≤ ≤专 【0 其他 c，(1)一c。+2Σc．c0 0l q = z ． ： 手 。。— 2— 信号从流星余迹反射后，载频不再是 ，。，而是， +，t，^ 就是附加的多谱勒频 移．它由下式确定t ；． jl一一2 l， t1) f 其中c是光速} 是流星余迹相对于电 波反射点的运动速度l 是由发射天线指向 反射点的单位矢量． 假设在信号带通内，流星余迹对电波反 射系数的模是常数，幅角是频率的线性函 数，进而假设接收系统的传递函数的幅角是 频率的线性函数，模是常数．不计接收系统 的放大效应，流星余迹回波经混频、带通滤 波和相干检波后的波列解析式为： 0。的相干检波输出 U(t)·c。s( ) 9O。的相干检波输出 U(f)·si1l(q1) 上面两式表明：相干检波输出是多谱勒 频移，，的正弦和余弦波， 由一个问隔是 的等幅脉冲进行采样，在上面的理想情况 下，相干检波输出是与发射脉冲相同的矩形 脉冲。实际中接收系统的传递函数仅仅是改 变采样脉冲的形状，多谱勒频移的性质一点 也不改变．由于采样信号的宽度相对于多谱 勒频移来讲非常小．故可将采样脉冲看作是 等间隔的冲激函数。而在一般情况下．多谱 勒频移具有一个随时间变化的幅度A( )。 相干检波的输出一般可表示为 A( )= cos( 4- ·d(1一≈ f) A( )= sin( 4-曲·d(‘一 ) 其中 为相位，多谱勒频率可通过下式 计算求得： q = 1-1(等 ) ㈣ 式中：M =2Cl岛 M 2— 2C a马 M 3— 2Sl岛} M ‘一2C1C¨ s—— 相干检波的正弦输出{ — — 相干检波的余弦输出} s．= A(f)t s．m[0—2) f 4- ] c = A( )·cos[0— 2) f-4-神] 测出了¨ ，径向风速也就知道了．
3．2 流星雷达测距的基本原理 流星雷达发射一组脉冲波，相应的接收 到一组脉冲波，接收脉冲与发射脉冲的时差 与光速C的乘积正比于测量的距离R，R的 测量精度取决于收发脉冲的测量精度．由于 流星雷达的工作频率较低，信号带宽受到限 制，脉冲前后沿难以做到陡蛸．时差测量中 在脉冲波形上时间参数就取碍不准，所以早 期的流星雷达其测距精度只有2—3km．为 了提高测距精度，人们利用发射接收脉冲峰 值作为测量时间的参考点，这样便演化出二 种算法； (1)抛物线算法 抛物线算法的前提是假定接收脉冲包 络是一抛物线： —nz -4-bx+c．很显然，只 需测量三个点便可唯一的确定包络的峰值 点： M~= a tI+ bq + (3) r a l。一 b= db l c 【。 式中：d口、d6、 c分别是(3)的系数 行列式 f- M。] d．一j ll M zl l j一 脉冲峰值所在的位置在b／2a． (2)gauss算法 接收脉冲的另一个较好的包络形状是 gauss形分布l = A·exp[一0一 ) ] (5) 式中； 是流星余违反射回波包络的幅 值} 是对应于流星余迹回波包络峰值所在 的位置． 在抛物线算法中t只需测量三个点，便 可确定脉冲的峰值，但当脉冲的宽度较窄 时， 我们不能够测量到三个点。人们常用 gauss形算法．这种gauss形算法的前提是 假定接收脉冲具有形如(5)所描述的gauss 形分布，仅测量二点便可确定脉冲的峰值位 置。 ~exp F’ 一 - 【M A exp[ ㈤ ：= · 一(fl一 ) ] 一exp[一(f。一 )z+ ( 一 )t] (7) ] 门● ● “ “ b Ⅲ = 一 = 由(7)可得： ／ ，＼ 一 + ㈣ 抛物线算法与gauss算法具有相同的 精度，据估计为土150米左右。
3．3 陕西天文台的流量雷达 陕西天文台拟建中的流星雷达是脉i巾 雷达。发射机载频39．5MHz．中频35MHz， 天线仰角 5度，仰角宽l2度，发射天线指 向北，方位角宽 9度．发射脉冲宽度l s， 脉沛重复频率100Hz，峰值输出功率 1000kW 。

4 流星雷达的进展现状及有待 改进的问题 利用雷达观测流星始于30年代。1931 年，Pickard研究了雨流星对无线电波的散 射特性，对常见的雨流星进行了观测0]； 1948年，Mckliney等研究了流星对无线电 波的散射，总结了雷达波束仰角与流星回波 强弱的关系0 ；1954年，Esnleman从理论上 研究了高密度流星余迹和低密度流星余迹 的散射方向图[1”，并首次将流星余迹综合 为一个等离子体柱，给出了几种典型结构的 等离子体的反射系数，并分别研究了高密度 流星余迹和低密度流星余迹的情形，对反射 系数相位的变化也进行了定性的描述；1949 年，Mitt0 报道了利用雷达方法测量高层 大气运动的方法。他提出的将接收天线呈直 角三角形放置的方案，一直是流星雷达设计 者措用的规范，从而奠定了流星雷达的基 础。 最初的流星雷达毫无例外的采用脉冲 雷达，利用收发脉冲的时差确定流星的位 置，其测量精度仅有土3公里左右。Hines等 详细研究了流星雷达的测距精度，建议采用 二个脉冲的峰值作为测量时间的参考点，利 用抛物线或Gauss形曲线逼近脉冲波形。 Hines估计改进了的方法其测距定度为土 150m 左右。 美国Stanford的流星雷达由流星余迹 回波的多谱勒频移测量大气速度，流星标高 由流星距接收天线的径向距离和仰角确定。 测量大气风速精度± 5ms一，测距精度± 2．5kin 。 美国Lexington流星雷达1969年改用 鉴相确定流星的仰角。其基本原理是流星余 迹的后向散射场的波前以不同的时刻到达 一组在空间上分开的接收天线，其相差等于 天线间距和仰角余弦的乘积，相差直接利用 鉴相器的输出。它有二组发射天线，一组指 向西北，而另一组指向东北，仰角均为 5。。 测量仰角和方位角的精度分别为土1．5。和 土l。。 法国的流星雷达【2”采用发射连续电波 测量流星的距离、风速和空间位置。各个参 量均由鉴相器获得，鉴相器有二组正交的输 出信号。距离由两个不同频率的反射信号的 相差得到，其误差土2kin。它有二组发射天 线，一个指向东方以测量东西向的风，另一 个指向南方以测量南北向的风。这个系统可 同时测量水平风的二个分量。 澳大利亚1952年开始用无线电手段测 量高层大气运动。它发射一组连续的脉冲 波．由三个外站接收流星余迹的回波，信号 中继传回总站处理。其测量方法与法国的流 星雷达类似．风速测量精度±5ms～。 英国的流星雷达与一般的流星雷达基 本相同，三个发射天线分别指向西北、东北、 西南，由多个外站鉴相测量，测风速精度土 2ms。。。 美国Illinois~lt,2e]的流星雷达网络在测 距和测量风速方面都有长足的进展，其测距 精度和测风速精度分别为土150m 和土 lms。。。 毋庸置疑，观测高层大气运动，除了各 站测量精度提高之外，尚有待于国际间的互 相合作 目前的流星雷达测距，无论采用抛物线 逼近或是采用Gauss形曲线逼近，都不是最 优逼近．而且仅适用于一个反射回波的情 形 。即当流星余迹有二个反射点或者二 个流星余迹对电、玻反射时这种方法失效。有 的文献建议此时将这些数据剔除不用“ 。 据已有的观测结果表 。“：这时仅有lO 的流星回波可资利用。 从前面的叙述和介绍中我们可以看到．
尽管流星雷达的观测研究是一个开展比较 早的课题，但目前仍有几个基本的问题有持 于改进和解决：
(1)现有的流星雷达的测距精度不高． 根本原因是回波脉冲包络上时间参考点选 的不准。Hines提出采用脉冲包络峰值点作 为测量时问参考点的方法。此法虽然在理论 上可以比较准确的确定时间参考点，但实际 中脉冲波形与高斯波形或抛物线波形是有 区别的，加之外界干扰不可避免，这就使实 际波形与理论波形有差别，从而影响参考点 的准确标定。
(2)目前的流星雷达仅用了一个反射回 波的情形，这意味着大量的测量数据不能利 用．对科学研究来讲是一个巨大的损失。
(3)对流星体冲入大气速度的确定问 题，迄今尚未解决。为了确定流星的来源， 以及高速飞行体与电离层的相互作用，都需 要了解流星体进入地球大气的速度。 陕西天文台拟建中的流星雷达，对目前 国际上已经运行的流星雷达中存在的问题 都有初步的设想，并在流星体进入地球大气 速度的直接测量、多流星相关分析与测量、 流星雷达测距精度的提高等方面的研究中， 取得了可喜的进展 关于流星雷达用于军事 目的的测定高速运动目标的研究也在进行 之中。