流星雷達研究進展

流星雷達研究進展
摘要本文介紹流星雷達的基本I 作原理，并對流星雷達和一般的常規(guī)雷 達的特點進行1比較．論述1流星雷達極待解決的問題及其科學目標，對國際上 雌 關鍵詞流耋流星 雷達，研究進展。 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?在雷達束出現之 前，人們只能憑借視力觀察流星，對人們印 象最深刻的，莫過于那拖著長長的余跡，疾 速劃過天空的流星。直到雷達出現之后，人 們才觀察到了更多的流星。落到地面成為隕 石者極其個別，絕大多數在大氣層中燃盡。 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生 長長的等離子體余跡。這些等離子體余跡對 電波有很強的反射作用。更重要的是流星余 跡的運動表征著高層大氣的運動狀態(tài)，從而 使人們對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并與地球 公轉軌道相交。當二者運行軌道相交時，這 些流星體便被重力場所捕獲，墜入大氣層。 流星雨具有相對固定的輻射點，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。所以流星雨的出現便呈現出 十分明顯的廚期性；電池測試儀| 相序表| 萬用表| 功率計| 示波器| 電阻測試儀| 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計|平常年份很弱；個別年 份特別強烈。如果流星群和地球運行軌道不 可通約，那束流星雨的重演便需要較長的時 間。有的流星雨或者由于軌道的改變，不再 與地球相遇．或者由于物質的喪失，表現很 弱。由于行星的攝動，流星群的軌道變化很 大。在流星雨期間，它們如同雨點似的酒向 地球，在高層大氣中產生一個個流星余跡。 這些等離子體余跡對無線電波具有很強的 反射作用。已有的觀測結果表明口]：流星雨 期聞總是同時有數個流星體進入雷達波束 區(qū)。如果能夠測量多流星的距離，將會提供 比偶發(fā)流星更多的信息量。就目前來說在流 星雷達研究領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 觀測模型。但只要建立合理的觀測模型．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。 和流星雨相對應的是偶發(fā)流星。它似乎 在太空漫游，隨機地出現在地球上空，偶然 被地球重力場所俘獲．以極高的速度進入地 球大氣層上空，并產生一個個流星余跡柱。 偶發(fā)流星究竟是來自太陽系之外或是太陽 系家族，目前尚無定論[ ”。如果能夠測量到 流星進入地球大氣層的速度，那么便可確定 流星來源。流星體進入大氣層后，與周圍大 氣產生磨擦．使流星體的物質蒸發(fā)并電離。 質量大的流星體在較低的高度上產生高密 度余跡。高密度余跡對無線電波的反射作用 強；低密度余跡對無線電波的反射作用弱。 盡管人們在測量中希望有較強的無線電回 波，但由于高密度余跡出現的頻數較低，而 低密度余跡出現的頻數較高，人們感興趣的 仍然是低密度余跡，因為它對測量具有現實 意義。
流星余跡的一個較好的模型是：流星余 跡是一個等離子體柱。其中電子濃度沿半徑 方向呈現高斯分布，且明顯高于周國高層大 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動．在其徑向，電子的 擴散和復合同時進行。當電子濃度和周國大 氣中的電子濃度趨于一致時，流星余跡便消 失。其平均壽命僅0．5秒左右，有時壽命長 者可達1秒。在運動方向，進行著電子的生 成與復和消失的過程．有的流星余跡在雷達 波束區(qū)內便消失，有的流星余跡長達幾十公 里。 各流星體進入大氣層時具有不同的速 度。有的流星體被地球運動時掃過而進入大 氣層；有的本來就具有較高的運動速度，因 其趕上地球而墜入大氣層。又由于地球的自 轉，每天中流星的發(fā)生便出現兩個峰值；一 個是早上六點的最大值和下午六點的最小 值。對于仰角 5 的流星雷達觀測，北方在 早六點，東方在12點，南方在下午六點，西 方在0點流星的發(fā)生率分別最大。 已有的觀測資料表明[J】：每日中進入地 球大氣中的流星粒子大約有16×10 個左 右． 總質量達1噸左右． 進入速度在 1 1．3kms 與72kms 之間。如果一個質量 為0．001克的流星粒子以5Okras 的速度 進入地球大氣，那么它便具有200焦耳的能 量。

2 流星雷達的科學目標 對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方面：
2．1 流星天文學 (1)流星天文學的主要任務，就是測定 每年每月中質量大于1毫克的流星的流量} (2)測定質量大于1毫克的常見流星雨 作為太陽經度函數的流星密度； (3)觀測研究流星雨和偶發(fā)流星出現的 時空統(tǒng)計特征； (4)研究流星的起源和演化{ (5)流星體與行星、流星與彗星的關系} (6)掇據流星雨的分布及彗星受行星的 攝動而引起軌道的變化，可研究小天體的軌 道理論，進而研究太陽系的演化過程。
2．2 高層大氣運動 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 對高層大氣進行研究。但這些方法都不能連 續(xù)測量，同時成本也高。只有流星雷達方法 是一種比較理想的方法，它不但成本低，而 且可連續(xù)測量。利用流星余跡對電波的反射 特性，人們可以獲得高層大氣的運動信息， 可以研究； ①高空大氣風、潮汐、環(huán)流與太陽活動 的關系及其對地球自轉的效應} ②大氣潮汐的季節(jié)變化，大氣擾動的晝 夜變化、季節(jié)變化及其垂直結構； ◎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 加熱的關系如何? - ④利用全球流星雷達觀測數據，建立一 個中層上部和熱層下部動力學過程基本特 性的季節(jié)變化的全球模型．不僅考慮優(yōu)勢 風、行星波和潮汐，還要考慮內重力波和湍 流} ⑤ 研究青藏高原氣象激發(fā)大氣波的機 理及其傳播演變特性；進一步查明遠東電離 層異常與青藏高原激發(fā)的大氣波在季節(jié)變 化上的聯系} ⑥研究8B—l20km高度范圍電子和離 子的擴散與地球磁場的依賴方式。
2．3 應用研究 ① 由流星雷達獲得的大氣運動狀態(tài)的 信息可為中長期天氣預報提供有價值的參 數{ ② 建立服務于宇航目的的流星體災害 預報模型} ③ 流星余跡用于高速遠距離通訊和流 星余跡授時服務， ④觀測流星的流星雷達用于觀測高速 飛行物的軌道以及有可能對空間垃圾進行 監(jiān)測．

3 流星雷達的工作原理 為了上述科學目標，人們設計了用于剩 量流星余跡反射點的空間位置及周圍中性 大氣速度的雷達—— 流星雷達．就測量反射 點的空間位置來講，流星雷達與普通雷達的 工作原理一樣，均是通過測量收發(fā)脈沖時差 來實現電渡反射點與發(fā)射天線間距離的測 量．而反射點周圍大氣運動速度的測量，則 是通過檢出回波中的多譜勒頻移來實現。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、導彈等金屬目標定位的 雷達的工作頻率要低得多。這是兩種雷達的 基本區(qū)別，也是流星雷達不能精確定位的基 本原因。 現在世界上有3O多部流星雷達在運 行，分布在美、英、奧、法、日、俄等國家。 這些雷達分為兩類：一類是連續(xù)波雷達，一 類是脈沖波雷達，后者似乎更利于科學目標 的觀測。陜西天文臺擬建中的流星雷達屬于 后者。下面首先簡單的介紹流星雷達瀏速、 定位的基本原理：
3．1 流星雷達的j翼4速定位的基本原理 流星雷達發(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 【0 其他 c，(1)一c。+2Σc．c0 0l q = z ． ： 手 。�！� 2— 信號從流星余跡反射后，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} 是流星余跡相對于電 波反射點的運動速度l 是由發(fā)射天線指向 反射點的單位矢量． 假設在信號帶通內，流星余跡對電波反 射系數的模是常數，幅角是頻率的線性函 數，進而假設接收系統(tǒng)的傳遞函數的幅角是 頻率的線性函數，模是常數．不計接收系統(tǒng) 的放大效應，流星余跡回波經混頻、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， 由一個問隔是 的等幅脈沖進行采樣，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。實際中接收系統(tǒng)的傳遞函數僅僅是改 變采樣脈沖的形狀，多譜勒頻移的性質一點 也不改變．由于采樣信號的寬度相對于多譜 勒頻移來講非常�。�故可將采樣脈沖看作是 等間隔的沖激函數。而在一般情況下．多譜 勒頻移具有一個隨時間變化的幅度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] 測出了¨ ，徑向風速也就知道了．
3．2 流星雷達測距的基本原理 流星雷達發(fā)射一組脈沖波，相應的接收 到一組脈沖波，接收脈沖與發(fā)射脈沖的時差 與光速C的乘積正比于測量的距離R，R的 測量精度取決于收發(fā)脈沖的測量精度．由于 流星雷達的工作頻率較低，信號帶寬受到限 制，脈沖前后沿難以做到陡蛸．時差測量中 在脈沖波形上時間參數就取礙不準，所以早 期的流星雷達其測距精度只有2—3km．為 了提高測距精度，人們利用發(fā)射接收脈沖峰 值作為測量時間的參考點，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 絡是一拋物線： —nz -4-bx+c．很顯然，只 需測量三個點便可唯一的確定包絡的峰值 點： 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 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 接收脈沖的另一個較好的包絡形狀是 gauss形分布l = A·exp[一0一 ) ] (5) 式中； 是流星余違反射回波包絡的幅 值} 是對應于流星余跡回波包絡峰值所在 的位置． 在拋物線算法中t只需測量三個點，便 可確定脈沖的峰值，但當脈沖的寬度較窄 時， 我們不能夠測量到三個點。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，僅測量二點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，據估計為土150米左右。
3．3 陜西天文臺的流量雷達 陜西天文臺擬建中的流星雷達是脈i巾 雷達。發(fā)射機載頻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， 脈沛重復頻率100Hz，峰值輸出功率 1000kW 。

4 流星雷達的進展現狀及有待 改進的問題 利用雷達觀測流星始于30年代。1931 年，Pickard研究了雨流星對無線電波的散 射特性，對常見的雨流星進行了觀測0]； 1948年，Mckliney等研究了流星對無線電 波的散射，總結了雷達波束仰角與流星回波 強弱的關系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 為一個等離子體柱，給出了幾種典型結構的 等離子體的反射系數，并分別研究了高密度 流星余跡和低密度流星余跡的情形，對反射 系數相位的變化也進行了定性的描述；1949 年，Mitt0 報道了利用雷達方法測量高層 大氣運動的方法。他提出的將接收天線呈直 角三角形放置的方案，一直是流星雷達設計 者措用的規(guī)范，從而奠定了流星雷達的基 礎。 最初的流星雷達毫無例外的采用脈沖 雷達，利用收發(fā)脈沖的時差確定流星的位 置，其測量精度僅有土3公里左右。Hines等 詳細研究了流星雷達的測距精度，建議采用 二個脈沖的峰值作為測量時間的參考點，利 用拋物線或Gauss形曲線逼近脈沖波形。 Hines估計改進了的方法其測距定度為土 150m 左右。 美國Stanford的流星雷達由流星余跡 回波的多譜勒頻移測量大氣速度，流星標高 由流星距接收天線的徑向距離和仰角確定。 測量大氣風速精度± 5ms一，測距精度± 2．5kin 。 美國Lexington流星雷達1969年改用 鑒相確定流星的仰角。其基本原理是流星余 跡的后向散射場的波前以不同的時刻到達 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。。 測量仰角和方位角的精度分別為土1．5。和 土l。。 法國的流星雷達【2”采用發(fā)射連續(xù)電波 測量流星的距離、風速和空間位置。各個參 量均由鑒相器獲得，鑒相器有二組正交的輸 出信號。距離由兩個不同頻率的反射信號的 相差得到，其誤差土2kin。它有二組發(fā)射天 線，一個指向東方以測量東西向的風，另一 個指向南方以測量南北向的風。這個系統(tǒng)可 同時測量水平風的二個分量。 澳大利亞1952年開始用無線電手段測 量高層大氣運動。它發(fā)射一組連續(xù)的脈沖 波．由三個外站接收流星余跡的回波，信號 中繼傳回總站處理。其測量方法與法國的流 星雷達類似．風速測量精度±5ms～。 英國的流星雷達與一般的流星雷達基 本相同，三個發(fā)射天線分別指向西北、東北、 西南，由多個外站鑒相測量，測風速精度土 2ms。。。 美國Illinois~lt,2e]的流星雷達網絡在測 距和測量風速方面都有長足的進展，其測距 精度和測風速精度分別為土150m 和土 lms。。。 毋庸置疑，觀測高層大氣運動，除了各 站測量精度提高之外，尚有待于國際間的互 相合作 目前的流星雷達測距，無論采用拋物線 逼近或是采用Gauss形曲線逼近，都不是最 優(yōu)逼近．而且僅適用于一個反射回波的情 形 。即當流星余跡有二個反射點或者二 個流星余跡對電、玻反射時這種方法失效。有 的文獻建議此時將這些數據剔除不用“ 。 據已有的觀測結果表 。“：這時僅有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．
盡管流星雷達的觀測研究是一個開展比較 早的課題，但目前仍有幾個基本的問題有持 于改進和解決：
(1)現有的流星雷達的測距精度不高． 根本原因是回波脈沖包絡上時間參考點選 的不準。Hines提出采用脈沖包絡峰值點作 為測量時問參考點的方法。此法雖然在理論 上可以比較準確的確定時間參考點，但實際 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 際波形與理論波形有差別，從而影響參考點 的準確標定。
(2)目前的流星雷達僅用了一個反射回 波的情形，這意味著大量的測量數據不能利 用．對科學研究來講是一個巨大的損失。
(3)對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 要了解流星體進入地球大氣的速度。 陜西天文臺擬建中的流星雷達，對目前 國際上已經運行的流星雷達中存在的問題 都有初步的設想，并在流星體進入地球大氣 速度的直接測量、多流星相關分析與測量、 流星雷達測距精度的提高等方面的研究中， 取得了可喜的進展 關于流星雷達用于軍事 目的的測定高速運動目標的研究也在進行 之中。