什么是雷达天文学?

[拼音]：leida tianwenxue

[外文]：radar astronomy

应用雷达技术研究天体的一门学科，为射电天文学的一个分支。雷达天文学与射电天文方法不同，是利用雷达主动向天体（或人造天体）发射电磁波，并接收天体反射的回波。通过对回波信号的处理，提取有关天文信息，研究天体的物理性质和几何结构。由于雷达发射功率的限制，雷达天文学主要研究太阳系内的天体，包括用雷达识别和跟踪人造地球卫星。

早在20世纪20年代人们就开始使用雷达研究电离层。第二次世界大战期间，曾用雷达发现来自流星余迹的回波。1946年，在匈牙利和美国都曾收到月球的雷达回波，这是首次来自大气层外天体的雷达回波。当时的雷达系统虽然还比较简单，但已充分应用了信号积累的方法。1960年，中国也用雷达收到了月球的回波。50年代初期和中期，对月球的雷达观测仅限于利用月球回波进行长距离通信和电离层的研究。50年代后期，雷达技术有了很大的发展，开始应用雷达对月球本身进行研究，使用的频率从15兆赫到35吉赫，可动天线的口径约达到26～80米，超高频主振放大式发射机的平均功率达到100～200千瓦，接收机的系统噪声温度接近200K。1961年，在金星离地球最近的时候收到了金星的雷达回波，以后又相继收到水星、火星和太阳的雷达回波。1965年以后，即使金星和水星离地球最远的时候，也能用雷达对其进行有效的观测。激光雷达的应用，大大提高了对月球和人造天体的定位精度。

雷达回波信号的相干性和辐射能量的可控性，使雷达测距比光学天文仪器测距的精度高好几个数量级。当雷达回波的强度足够大、时延分辨力和多普勒频移分辨力足够高时，雷达也是研究行星表面性质的有效工具。在克服大气衰减方面，雷达观测也比光学观测优越得多。如果同时使用几种频率（从甚高频到超高频），雷达还可用以测定等离子体引起的群速和相速色散。同光学仪器相比，雷达系统比较复杂，而且造价昂贵；加之回波信号强度与距离的四次方成反比，使得雷达对天体的研究还局限于太阳系以内。

从雷达回波中可取得的天文信息很多。首先，对回波时延的测定可用以推算天体的距离。1946年首次用雷达成功地测定了月球的距离。1961年以后又相继用雷达对金星、火星和水星等进行了多次测距。对大行星的雷达测距，还为测定地球和太阳间的平均距离提供了计算数据。根据对金星的雷达测距求得的日－地间平均距离是最精确的数值(均方误差为±1.6公里)。这对计算行星际火箭的精确轨道和有关的天文常数是极为重要的。此外，由于雷达测距精度高，能够发现行星在轨道上运动的微小变化，这就可以确定其他天体的摄动作用，进而检验广义相对论所预期的微小影响。利用雷达测距的高精度，也就有可能确定月球和行星同几何球体的差异程度。天文雷达回波有较大的时延，从月球回波时延的几秒到外行星的几个小时，雷达测距精度与信号带宽和行星反射特性有关，条件有利时可达1～2微秒的准确度。

如果雷达发射相干信号，通过测量回波信号的多普勒频移就可以计算天体的自转周期，并导出轨道面的倾角。当倾角为零度并且自转轴正好朝向观测者时，回波多普勒频移为零。由于公转运动，行星和小行星同地球的相对位置发生变化，回波的多普勒频移也会有相应的变化。这样，可从累积的资料中导出自转的倾角。对行星回波信号多普勒频移的测量已达到0.01／赫的准确度（当载波频率为1500兆赫时）。对载波的频率稳定度有严格的要求，一般要求在回波延迟的间隔内载波频率稳度达到1.5×10-11 。利用雷达回波强度的信息可以大大提高雷达截面积测量的精度。用雷达跟踪卫星，测出回波强度（功率）可以校准雷达系统的参数，通过雷达方程的计算。把截面积的测量误差降低到±0.5分贝以下。此外，雷达发射一定极化的相干波形，观测回波极化参量，可以获得有关天体表面性质和传播介质的天文资料。

天文雷达同地面的精密跟踪雷达基本上相同。但是，由于观测目标是外层空间的天体（或人造天体），对天文雷达也有一些特殊的要求。这就是必须加大天线口径，缩短工作波长，天文雷达对角分辨力要求不高，一般均采用实孔径天线，频率超过100兆赫的天文雷达，大都采用可动的抛物面反射体和固定的球面反射体（馈源可动），工作波长较长的天文雷达则采用相控阵天线。例如，美国安装在秘鲁的相控阵天线，每边长305米，工作频率为49.92兆赫。林肯实验室安装在马萨诸塞州韦斯特福德的抛物面天线，直径约26米，工作频率为1295兆赫。康奈尔大学安装在波多黎各的球面天线，直径305米，工作频率为430兆赫。随着相控阵技术的发展，天文雷达中趋向于用天线阵代替反射体天线。

天文雷达发射机的特点是高平均功率和高频率稳定度。发射波形一般是相干脉冲列信号，在峰值功率受限制时常采用相位编码脉冲压缩信号（见雷达波形），也有的采用相位编码连续波信号。在天文雷达中，广泛应用的二元伪随机序列有巴克序列和M序列。由于在雷达视线方向上天体的尺寸比一般地面雷达目标大得多，脉冲宽度的选择必须考虑这一特点。以月球为例，为了得到整个可见半球的回波能量，发射脉冲宽度的选择必须照顾到天线波束扫描月面直径所需的时间（11.6毫秒）。否则，月球的雷达截面积就要减小。在工作频率超过400兆赫的天文雷达中，发射机大多采用高功率速调管作为功率放大器件，每级放大器增益达到40～60分贝，每个速调管的平均功率高达400千瓦。

天文雷达接收机的特点是低系统噪声温度，其中低噪声高频放大的设计是一关键。频率低于100兆赫时，系统噪声的主要来源是空间的自然辐射，接收机前级采用标准的电子管(或晶体管)高频放大就足以保证系统的灵敏度。工作频率为100～2000兆赫的天文雷达，接收机前级一般采用低温参量放大器，而频率超过220兆赫时，则必须采用量子放大器才能保证接收机具有低的系统噪声温度。

在雷达天文学中，为了从回波时延和多普勒频移推算出目标的位置和速度，必须有精确的频率标准和计时标准。人们已制成氢量子放大器频率标准和计时装置，其长期和短期频率稳定度已达到10-12 。

由于雷达测距精度高，雷达测距法将成为测定太阳系内天体(或人造天体)的基本方法之一。据天文雷达对金星和火星的观测及相应的光学观测资料，得到1个天文单位距离 (即日-地平均距离)等于149597870.5公里，其均方误差仅为 ±1.6公里。天文雷达测定水星的自转周期是59日，它是水星公转周期（86日）的2/3，从而否定了长期以来认为水星总是以同一半球面对着太阳的论断。天文雷达的距离分辨力虽然不如天文望远镜，但利用时延－多普勒频移联合分辨的方法，可以分辨出来自月球（或行星）可见半球上各个不同部分的雷达回波信号，从而绘制出月球（或行星）的表面图，其精细程度不受天体距离的影响。随着合成孔径和相控阵技术的发展，雷达天文学将在对太阳系内天体的观测和人造卫星的跟踪和识别方面发挥更大作用。

参考书目

M.I.期科尔尼克著，谢卓译：《雷达手册》，国防工业出版社，北京，1978。(M.I.Skolnik，Radar Handbook，McGraw-Hill，New York，1970.)