雷達天文學

雷達天文學 圖片來自網易

雷達天文學（ radar astronomy ）雷達天文出現於20世紀40年代，發展，已從無線電波段的雷達發展到光波段的激光雷達，研究對象也從太陽系內天體擴大到人造天體。它的測距和定位已成為當文觀測中精度最高的一種手段。在人造天體的精確測軌、天文常數的確定、天體攝動作用的研究及廣義相對論驗證等方面都起着重要的作用。 射電天文學的分支學科。主動向天體發射電磁波，並接收反射的回波，通過對回波的處理和分析來研究天體的物理特性、運動狀態和空間分布。這是天文學中通過實驗手段來研究天體的一種重要方法。

由於雷達測距精度高，雷達測距法將成為測定太陽系內天體(或人造天體)的基本方法之一。據天文雷達對金星和火星的觀測及相應的光學觀測資料，得到1個天文單位距離 (即日-地平均距離)等於149597870.5公里，其均方誤差僅為 ±1.6公里。天文雷達測定水星的自轉周期是59日，它是水星公轉周期（86日）的2/3，從而否定了長期以來認為水星總是以同一半球面對着太陽的論斷。天文雷達的距離分辨力雖然不如天文望遠鏡，但利用時延－多普勒頻移聯合分辨的方法，可以分辨出來自月球（或行星）可見半球上各個不同部分的雷達回波信號，從而繪製出月球（或行星）的表面圖，其精細程度不受天體距離的影響。隨着合成孔徑和相控陣技術的發展，雷達天文學將在對太陽系內天體的觀測和人造衛星的跟蹤和識別方面發揮更大作用。

目錄

簡介

應用雷達技術研究天體的一門學科，為射電天文學的一個分支。雷達天文學與射電天文方法不同，是利用雷達主動向天體（或人造天體）發射電磁波，並接收天體反射的回波。通過對回波信號的處理，提取有關天文信息，研究天體的物理性質和幾何結構。由於雷達發射功率的限制，雷達天文學主要研究太陽系內的天體，包括用雷達識別和跟蹤人造地球衛星。

研究內容

由於發射功率的限制，雷達的作用距離不可能太遠，雷達天文主要還是研究太陽系內的天體。它的研究內容大致包括：

①流星的空間分布和物理狀態。

②月球、行星和小行星的自轉，表面特徵和大氣結構。

③日冕、行星際物質和彗星等離子體的運動狀態和結構。

④天體的精確測距和定位等。

簡史

早在20世紀20年代人們就開始使用雷達研究電離層。第二次世界大戰期間，曾用雷達發現來自流星余跡的回波。1946年，在匈牙利和美國都曾收到月球的雷達回波，這是首次來自大氣層外天體的雷達回波。當時的雷達系統雖然還比較簡單，但已充分應用了信號積累的方法。1960年,中國也用雷達收到了月球的回波50年代初期和中期，對月球的雷達觀測僅限於利用月球回波進行長距離通信和電離層的研究。50年代後期，雷達技術有了很大的發展，開始應用雷達對月球本身進行研究,使用的頻率從15兆赫到35吉赫,可動天線的口徑約達到26～80米，超高頻主振放大式發射機的平均功率達到100～200千瓦，接收機的系統噪聲溫度接近200K。1961年,在金星離地球最近的時候收到了金星的雷達回波,以後又相繼收到水星、火星和太陽的雷達回波。1965年以後，即使金星和水星離地球最遠的時候，也能用雷達對其進行有效的觀測。激光雷達的應用，大大提高了對月球和人造天體的定位精度。

應用

測量的精度

雷達回波信號的相干性和輻射能量的可控性，使雷達測距比光學天文儀器測距的精度高好幾個數量級。當雷達回波的強度足夠大、時延分辨力和多普勒頻移分辨力足夠高時，雷達也是研究行星表面性質的有效工具。在克服大氣衰減方面，雷達觀測也比光學觀測優越得多。如果同時使用幾種頻率（從甚高頻到超高頻），雷達還可用以測定等離子體引起的群速和相速色散。同光學儀器相比，雷達系統比較複雜，而且造價昂貴；加之回波信號強度與距離的四次方成反比，使得雷達對天體的研究還局限於太陽系以內。

計算距離

從雷達回波中可取得的天文信息很多。首先，對回波時延的測定可用以推算天體的距離。1946年首次用雷達成功地測定了月球的距離。1961年以後又相繼用雷達對金星、火星和水星等進行了多次測距。對大行星的雷達測距，還為測定地球和太陽間的平均距離提供了計算數據。根據對金星的雷達測距求得的日－地間平均距離是最精確的數值(均方誤差為±1.6公里)這對計算行星際火箭的精確軌道和有關的天文常數是極為重要的。此外，由於雷達測距精度高，能夠發現行星在軌道上運動的微小變化，這就可以確定其他天體的攝動作用，進而檢驗廣義相對論所預期的微小影響。利用雷達測距的高精度，也就有可能確定月球和行星同幾何球體的差異程度。天文雷達回波有較大的時延，從月球回波時延的幾秒到外行星的幾個小時，雷達測距精度與信號帶寬和行星反射特性有關，條件有利時可達1～2微秒的準確度。

計算周期

如果雷達發射相干信號，通過測量回波信號的多普勒頻移就可以計算天體的自轉周期，並導出軌道面的傾角。當傾角為零度並且自轉軸正好朝向觀測者時，回波多普勒頻移為零。由於公轉運動，行星和小行星同地球的相對位置發生變化，回波的多普勒頻移也會有相應的變化。這樣，可從累積的資料中導出自轉的傾角。對行星回波信號多普勒頻移的測量已達到0.01/赫的準確度（當載波頻率為1500兆赫時）。對載波的頻率穩定度有嚴格的要求，一般要求在回波延遲的間隔內載波頻率穩度達到1.5×10 利用雷達回波強度的信息可以大大提高雷達截面積測量的精度。用雷達跟蹤衛星，測出回波強度（功率）可以校準雷達系統的參數，通過雷達方程的計算把截面積的測量誤差降低到±0.5分貝以下。此外，雷達發射一定極化的相干波形，觀測回波極化參量，可以獲得有關天體表面性質和傳播介質的天文資料。

文學特點

技術特點

天文雷達技術特點 天文雷達同地面的精密跟蹤雷達基本上相同。但是，由於觀測目標是外層空間的天體（或人造天體），對天文雷達也有一些特殊的要求。這就是必須加大天線口徑，縮短工作波長，天文雷達對角分辨力要求不高，一般均採用實孔徑天線,頻率超過100兆赫的天文雷達，大都採用可動的拋物面反射體和固定的球面反射體（饋源可動），工作波長較長的天文雷達則採用相控陣天線。例如，美國安裝在秘魯的相控陣天線，每邊長305米，工作頻率為49.92兆赫。林肯實驗室安裝在馬薩諸塞州韋斯特福德的拋物面天線，直徑約26米，工作頻率為1295兆赫。康奈爾大學安裝在波多黎各的球面天線，直徑305米，工作頻率為430兆赫。隨着相控陣技術的發展，天文雷達中趨向於用天線陣代替反射體天線。

天文雷達發射機

天文雷達發射機的特點是高平均功率和高頻率穩定度。發射波形一般是相干脈衝列信號，在峰值功率受限制時常採用相位編碼脈衝壓縮信號（見雷達波形），也有的採用相位編碼連續波信號。在天文雷達中，廣泛應用的二元偽隨機序列有巴克序列和 M序列。由於在雷達視線方向上天體的尺寸比一般地面雷達目標大得多，脈衝寬度的選擇必須考慮這一特點。以月球為例，為了得到整個可見半球的回波能量，發射脈衝寬度的選擇必須照顧到天線波束掃描月面直徑所需的時間（11.6毫秒）。否則,月球的雷達截面積就要減小。在工作頻率超過400兆赫的天文雷達中，發射機大多採用高功率速調管作為功率放大器件，每級放大器增益達到40～60分貝，每個速調管的平均功率高達400千瓦。

天文雷達接收機

天文雷達接收機的特點是低系統噪聲溫度，其中低噪聲高頻放大的設計是一關鍵。頻率低於100兆赫時,系統噪聲的主要來源是空間的自然輻射，接收機前級採用標準的電子管(或晶體管)高頻放大就足以保證系統的靈敏度。工作頻率為100～2000兆赫的天文雷達,接收機前級一般採用低溫參量放大器，而頻率超過220兆赫時,則必須採用量子放大器才能保證接收機具有低的系統噪聲溫度。

在雷達天文學中，為了從回波時延和多普勒頻移推算出目標的位置和速度，必須有精確的頻率標準和計時標準。人們已製成氫量子放大器頻率標準和計時裝置，其長期和短期頻率穩定度已達到10 。

展望

由於雷達測距精度高，雷達測距法將成為測定太陽系內天體(或人造天體)的基本方法之一。據天文雷達對金星和火星的觀測及相應的光學觀測資料，得到1個天文單位距離 (即日-地平均距離)等於149597870.5公里，其均方誤差僅為 ±1.6公里。天文雷達測定水星的自轉周期是59日，它是水星公轉周期（86日）的2/3，從而否定了長期以來認為水星總是以同一半球面對着太陽的論斷。天文雷達的距離分辨力雖然不如天文望遠鏡，但利用時延－多普勒頻移聯合分辨的方法，可以分辨出來自月球（或行星）可見半球上各個不同部分的雷達回波信號，從而繪製出月球（或行星）的表面圖，其精細程度不受天體距離的影響。隨着合成孔徑和相控陣技術的發展，雷達天文學將在對太陽系內天體的觀測和人造衛星的跟蹤和識別方面發揮更大作用。