流星雷達研究進(jìn)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雷 達的特點(diǎn)進(jìn)行1比較．論述1流星雷達極待解決的問(wèn)題及其科學(xué)目標，對國際上 雌 關(guān)鍵詞流耋流星 雷達，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(lái)自地球之外的小星體究竟能給 我們帶來(lái)什么樣的信息?在雷達束出現之 前，人們只能憑借視力觀(guān)察流星，對人們印 象最深刻的，莫過(guò)于那拖著(zhù)長(cháng)長(cháng)的余跡，疾 速劃過(guò)天空的流星。直到雷達出現之后，人 們才觀(guān)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(guò)程中，在流星體通過(guò)的路徑上產(chǎn)生 長(cháng)長(cháng)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(dòng)表征著(zhù)高層大氣的運動(dòng)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(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并與地球 公轉軌道相交。當二者運行軌道相交時(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。所以流星雨的出現便呈現出 十分明顯的廚期性；電池測試儀| 相序表| 萬(wàn)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(gè)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(cháng)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，它們如同雨點(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無(wú)線(xiàn)電波具有很強的 反射作用。已有的觀(guān)測結果表明口]：流星雨 期聞總是同時(shí)有數個(gè)流星體進(jìn)入雷達波束 區。如果能夠測量多流星的距離，將會(huì )提供 比偶發(fā)流星更多的信息量。就目前來(lái)說(shuō)在流 星雷達研究領(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(guān)測模型。但只要建立合理的觀(guān)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(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(lái)自太陽(yáng)系之外或是太陽(yáng) 系家族，目前尚無(wú)定論[ ”。如果能夠測量到 流星進(jìn)入地球大氣層的速度，那么便可確定 流星來(lái)源。流星體進(jìn)入大氣層后，與周?chē)��?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。高密度余跡對無(wú)線(xiàn)電波的反射作用 強；低密度余跡對無(wú)線(xiàn)電波的反射作用弱。 盡管人們在測量中希望有較強的無(wú)線(xiàn)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(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 方向呈現高斯分布，且明顯高于周?chē)�高層�?氣中的自由電子濃度。流星余跡一旦生成便 隨著(zhù)高層大氣一起運動(dòng)．在其徑向，電子的 擴散和復合同時(shí)進(jìn)行。當電子濃度和周?chē)��?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(cháng) 者可達1秒。在運動(dòng)方向，進(jìn)行著(zhù)電子的生 成與復和消失的過(guò)程．有的流星余跡在雷達 波束區內便消失，有的流星余跡長(cháng)達幾十公 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動(dòng)時(shí)掃過(guò)而進(jìn)入大 氣層；有的本來(lái)就具有較高的運動(dòng)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(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。對于仰角 5 的流星雷達觀(guān)測，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(guān)測資料表明[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 流星雷達的科學(xué)目標 對流星和流星余跡的研究．早在30年 代初就開(kāi)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)，就是測定 每年每月中質(zhì)量大于1毫克的流星的流量} (2)測定質(zhì)量大于1毫克的常見(jiàn)流星雨 作為太陽(yáng)經(jīng)度函數的流星密度； (3)觀(guān)測研究流星雨和偶發(fā)流星出現的 時(shí)空統計特征； (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(guān)系} (6)掇據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(guò)程。
2．2 高層大氣運動(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 對高層大氣進(jìn)行研究。但這些方法都不能連 續測量，同時(shí)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(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)系及其對地球自轉的效應} ②大氣潮汐的季節變化，大氣擾動(dòng)的晝 夜變化、季節變化及其垂直結構； ◎行星尺度波如何向上傳播到下熱層? 中層和下熱層的環(huán)流的季節變化與平流層 加熱的關(guān)系如何? - ④利用全球流星雷達觀(guān)測數據，建立一 個(gè)中層上部和熱層下部動(dòng)力學(xué)過(guò)程基本特 性的季節變化的全球模型．不僅考慮優(yōu)勢 風(fēng)、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(jìn)一步查明遠東電離 層異常與青藏高原激發(fā)的大氣波在季節變 化上的聯(lián)系} ⑥研究8B—l20km高度范圍電子和離 子的擴散與地球磁場(chǎng)的依賴(lài)方式。
2．3 應用研究 ① 由流星雷達獲得的大氣運動(dòng)狀態(tài)的 信息可為中長(cháng)期天氣預報提供有價(jià)值的參 數{ ② 建立服務(wù)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(shí)服務(wù)， ④觀(guān)測流星的流星雷達用于觀(guān)測高速 飛行物的軌道以及有可能對空間垃圾進(jìn)行 監測．

3 流星雷達的工作原理 為了上述科學(xué)目標，人們設計了用于剩 量流星余跡反射點(diǎn)的空間位置及周?chē)�中�?大氣速度的雷達—— 流星雷達．就測量反射 點(diǎn)的空間位置來(lái)講，流星雷達與普通雷達的 工作原理一樣，均是通過(guò)測量收發(fā)脈沖時(shí)差 來(lái)實(shí)現電渡反射點(diǎn)與發(fā)射天線(xiàn)間距離的測 量．而反射點(diǎn)周?chē)�大氣運動(dòng)速度的測量，則 是通過(guò)檢出回波中的多譜勒頻移來(lái)實(shí)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(lái)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(lèi)：一類(lèi)是連續波雷達，一 類(lèi)是脈沖波雷達，后者似乎更利于科學(xué)目標 的觀(guān)測。陜西天文臺擬建中的流星雷達屬于 后者。下面首先簡(jiǎn)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(xiàn)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(zhuān)≤ ≤專(zhuān) 【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(diǎn)的運動(dòng)速度l 是由發(fā)射天線(xiàn)指向 反射點(diǎn)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(xiàn)性函 數，進(jìn)而假設接收系統的傳遞函數的幅角是 頻率的線(xiàn)性函數，模是常數．不計接收系統 的放大效應，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(wèn)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(zhì)一點(diǎn) 也不改變．由于采樣信號的寬度相對于多譜 勒頻移來(lái)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(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(guò)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(fēng)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(shí)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(shí)差測量中 在脈沖波形上時(shí)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(shí)間的參考點(diǎn)，這樣便演化出二 種算法； (1)拋物線(xiàn)算法 拋物線(xiàn)算法的前提是假定接收脈沖包 絡(luò )是一拋物線(xiàn)： —nz -4-bx+c．很顯然，只 需測量三個(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 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} 是對應于流星余跡回波包絡(luò )峰值所在 的位置． 在拋物線(xiàn)算法中t只需測量三個(gè)點(diǎn)，便 可確定脈沖的峰值，但當脈沖的寬度較窄 時(shí)， 我們不能夠測量到三個(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(mén)● ● “ “ b Ⅲ = 一 = 由(7)可得： ／ ，＼ 一 + ㈣ 拋物線(xiàn)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(xiàn)仰角 5度，仰角寬l2度，發(fā)射天線(xiàn)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(jìn)展現狀及有待 改進(jìn)的問(wèn)題 利用雷達觀(guān)測流星始于30年代。1931 年，Pickard研究了雨流星對無(wú)線(xiàn)電波的散 射特性，對常見(jiàn)的雨流星進(jìn)行了觀(guān)測0]； 1948年，Mckliney等研究了流星對無(wú)線(xiàn)電 波的散射，總結了雷達波束仰角與流星回波 強弱的關(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(jìn)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(dòng)的方法。他提出的將接收天線(xiàn)呈直 角三角形放置的方案，一直是流星雷達設計 者措用的規范，從而奠定了流星雷達的基 礎。 最初的流星雷達毫無(wú)例外的采用脈沖 雷達，利用收發(fā)脈沖的時(shí)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(gè)脈沖的峰值作為測量時(shí)間的參考點(diǎn)，利 用拋物線(xiàn)或Gauss形曲線(xiàn)逼近脈沖波形。 Hines估計改進(jìn)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(xiàn)的徑向距離和仰角確定。 測量大氣風(fēng)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(chǎng)的波前以不同的時(shí)刻到達 一組在空間上分開(kāi)的接收天線(xiàn)，其相差等于 天線(xiàn)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(xiàn)，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)射連續電波 測量流星的距離、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。距離由兩個(gè)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(xiàn)，一個(gè)指向東方以測量東西向的風(fēng)，另一 個(gè)指向南方以測量南北向的風(fēng)。這個(gè)系統可 同時(shí)測量水平風(fēng)的二個(gè)分量。 澳大利亞1952年開(kāi)始用無(wú)線(xiàn)電手段測 量高層大氣運動(dòng)。它發(fā)射一組連續的脈沖 波．由三個(gè)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(lèi)似．風(fēng)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(gè)發(fā)射天線(xiàn)分別指向西北、東北、 西南，由多個(gè)外站鑒相測量，測風(fēng)速精度土 2ms。。。 美國Illinois~lt,2e]的流星雷達網(wǎng)絡(luò )在測 距和測量風(fēng)速方面都有長(cháng)足的進(jìn)展，其測距 精度和測風(fēng)速精度分別為土150m 和土 lms。。。 毋庸置疑，觀(guān)測高層大氣運動(dòng)，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(wú)論采用拋物線(xiàn) 逼近或是采用Gauss形曲線(xiàn)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 。即當流星余跡有二個(gè)反射點(diǎn)或者二 個(gè)流星余跡對電、玻反射時(shí)這種方法失效。有 的文獻建議此時(shí)將這些數據剔除不用“ 。 據已有的觀(guān)測結果表 �！埃哼@時(shí)僅有lO 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(guān)測研究是一個(gè)開(kāi)展比較 早的課題，但目前仍有幾個(gè)基本的問(wèn)題有持 于改進(jìn)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(luò )上時(shí)間參考點(diǎn)選 的不準。Hines提出采用脈沖包絡(luò )峰值點(diǎn)作 為測量時(shí)問(wèn)參考點(diǎn)的方法。此法雖然在理論 上可以比較準確的確定時(shí)間參考點(diǎn)，但實(shí)際 中脈沖波形與高斯波形或拋物線(xiàn)波形是有 區別的，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) 的準確標定。
(2)目前的流星雷達僅用了一個(gè)反射回 波的情形，這意味著(zhù)大量的測量數據不能利 用．對科學(xué)研究來(lái)講是一個(gè)巨大的損失。
(3)對流星體沖入大氣速度的確定問(wèn) 題，迄今尚未解決。為了確定流星的來(lái)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。 陜西天文臺擬建中的流星雷達，對目前 國際上已經(jīng)運行的流星雷達中存在的問(wèn)題 都有初步的設想，并在流星體進(jìn)入地球大氣 速度的直接測量、多流星相關(guān)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(jìn)展 關(guān)于流星雷達用于軍事 目的的測定高速運動(dòng)目標的研究也在進(jìn)行 之中。