曲靖非相干散射雷達月球探測初步結果

楊 嵩 ,丁宗華，苗建蘇，代連東，吳 健

0 引言

月球探測對推動我國空間與行星科學、深空探測技術跨越式發展、促進我國經濟社會的可持續發展具有重要意義，具有重大的軍事、科技與經濟戰略需求。開展地基雷達天文探測，將很大程度上突破深空探測目標任務少的限制，獲取大量的月球地形地貌等幾何特征和電磁散射等物理特征信息，以及對不同月相的月球正面和極區表層、次表層物質電磁時變特性進行長期穩定的探測和監測。當前我國對月球環境(如月壤電導率、月表粗糙度等)認知非常有限，探測能力非常不足，急需發展各種探測技術，提供多種探測數據作為支撐。

地基月球探測一般需要大口徑天線、高功率發射機、低噪聲接收機、高速數據獲取與處理等條件。作為目前最強大的地基電離層監測手段，非相干散射雷達具有天線增益大(40 dB以上)、發射功率高(1 MW以上)、系統噪聲溫度低等特點，在月球探測方面具有重要應用潛力。美國Arecibo與北歐Tromso非相干散射雷達均成功開展了月球探測實驗。在國家“子午工程”等支持下，中國電波傳播研究所于2012年初在云南曲靖(25.6° N,103.8° E)建成了我國首套非相干散射雷達，為開展我國自主的地基月球探測提供了條件。

1 電離層非相干散射探測概述

電離層中的電子、離子等隨機熱運動對入射電磁波產生的湯姆遜散射稱為非相干散射。最初認為這種散射來自彼此獨立不相干的自由運動電子，但后來研究發現，由于受離子的影響，自由電子的運動并非“非相干”而是“部分相干”，但由于歷史原因，“非相干”這一名詞沿用至今。由于電離層非相干散射非常微弱，因此非相干散射雷達需要采用高功率發射、大口徑天線(數十米口徑)或數萬天線單元組陣等技術。

自20世紀50年代末，美國人Gordon提出電離層非相干散射探測概念以來，國外以美國和歐洲非相干散射科學聯合會(European Incoherent Scatter Scientific Association, EISCAT)為代表先后建設了10多套非相干散射雷達(Incoherent Scatter Radar,ISR)。早期的非相干散射雷達一般屬于脈沖機械掃描雷達，采用大功率發射機和大口徑天線，存在系統復雜、波束掃描不靈活等局限，近年來發展了基于相控陣體制的新型非相干散射雷達，其中最典型的是美國先進模塊化非相干散射雷達(AMISR)和正在建設中的歐洲下一代非相干散射雷達系統(EISCAT 3D)。截至2022年1月，全球已建成的ISR雷達的分布如圖1所示，其中位于波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡于2021年12月正式停止使用。

圖1 全球非相干散射雷達分布

曲靖非相干散射雷達(以下簡稱曲靖雷達)建于云南省曲靖市沾益區勁松山(25.6° N,103.8° E)，主要技術指標如表1所示。

表1 曲靖非相干散射雷達主要技術指標

曲靖非相干散射雷達利用了原110雷達的天線面和天線座等，將原25 m口徑天線面擴展到29 m，以滿足電離層非相干散射探測對天線增益要求；重新研制了發射、接收、信號處理、監控、時頻、冷卻、數據處理等分系統。圖2展示了曲靖雷達的外觀結構以及部分內部構造。

圖2 曲靖非相干散射雷達天線罩、天線以及發射機的實物圖

發射機是雷達的關鍵部件，一般具有高壓和大功率的特點，技術復雜，造價昂貴。曲靖非相干散射雷達的發射機屬于主振放大式脈沖發射機，通過激勵源產生低功率、相位穩定的射頻振蕩信號源，前級固態放大器將該小信號放大以提供給末級速調管放大器作為輸入，速調管在脈沖調制器的控制下，將射頻信號進一步放大到兆瓦量級輸出。該發射機采用了先進的固態開關技術，不需要使用高壓脈沖變壓器和撬棒，可遠程控制，操作維護簡便，安全性和可靠性高。非相干散射雷達接收的散射信號非常微弱，低于噪聲電平或與之相當，其前端采用了制冷低噪聲放大器，噪聲溫度約20 K，增益約40 dB。收發開關是該雷達的一個關鍵器件之一。收發開關也叫接收機保護器，主要作用是實現收發隔離，以保護接收機，它包括前置管、保護管等。前者將大部分高功率能量反射，后者進一步減小了發射脈沖能量。 非相干散射雷達信號處理分系統處理與存儲的數據量大，系統時序復雜，信號處理算法復雜，需要注意硬件的高速穩定性、 軟件的靈活可靠性、信號處理算法的有效性等。

2 非相干散射雷達月球回波處理方法

2.1 月球的雷達回波模型

雷達波束最先入射到月面上的雷達下點(定義為雷達-月心連線在月面上的交點)，隨后到月面上以該點為圓心的各同心圓，最終照射到月球最外側的臨邊大圓。根據球冠面積公式以及時延分辨率Δ，不同入射角月球的雷達回波功率可表示為

()～·πΔ·()·

(1)

式中，為雷達參數，為月球半徑，()為入射角上單位照射面積的雷達散射截面積(定義為雷達反照率)，為探測區域與雷達的距離。月球的雷達回波包含準鏡面散射和漫散射兩個部分，準鏡面散射來自月球上分布著的垂直于入射波的小平面，其可分布在月表以及月面一定深度之下(最大探測深度約為10個雷達波長)。準鏡面散射的強度與不同入射角下探測區域內的斜度統計分布以及菲涅爾反射系數有關，且極化方式正交于入射波。漫散射來自分布在月表以及月表一定深度之下的尺寸在波長量級的結構(一般為巖石、碎塊等)，這些小尺寸結構在指向上隨機排列，會對入射波進行去極化(回波極化方式隨機)。漫散射的強度正比于照射區域的粗糙度。在低入射角(15°以下)時，準鏡面反射回波在極化回波中占絕對主導；隨著入射角的增加，漫散射回波的功率占比隨之增加，在約60°時可與準鏡面散射持平。曲靖雷達在2020年8月和10月進行的月球探測實驗的實測結果與前人的結果吻合得很好，在第3節進行著重介紹。

2.2 月球的雷達成像方法

(2)

(3)

月面上具有相同多普勒頻移的區域為一個多普勒半圓環，其為多普勒分辨單元在月面上的截面，如圖3所示。多普勒半圓環的寬度即為地面方位向分辨率，與多普勒分辨率和多普勒角有關：

圖3 時延-多普勒技術對月球成像的幾何展示(α代表時延圓環上的雷達入射角，φ代表多普勒半圓環上的多普勒角，兩圓環的相交區域A、B則為一個月面分辨單元)

(4)

在月球成像時，一般需要保證最優距離分辨率和最優方位分辨率量值相近。若雷達的距離分辨率很高，則需要滿足很長的相干積累時間。而在此時間范圍內，月面各點相對雷達下點會在距離向和方位向移動不同的距離，甚至遷移到相鄰的月面分辨網格，造成拖尾效應。為了避免此現象的發生，可以通過更為復雜的聚焦時延-多普勒技術來補償各點的相對運動，或者限制雷達的距離分辨率，后者將會影響月面的成像分辨率。目前曲靖雷達的距離分辨率較低，尚不需要考慮此問題。

2.3 非相干散射雷達的月球成像技術流程

(5)

圖4 月球近地面的雷達成像結果

(6)

式中，代表準鏡面散射回波功率，代表漫散射回波功率，且建立在=12·這一假設上。因為曲靖雷達只能接收單極化回波(OC)，故暫無法測量這一參數，但可以利用式(5)計算月球不同位置的雷達反照率。

3 曲靖非相干散射雷達月球探測初步結果與分析

3.1 實驗參數設置與實驗情況

曲靖非相干散射雷達在月球探測實驗期間波束中心均指向月球質心，這需要利用常用的測控軟件(如美NASA的SPICE工具庫)計算月球的星歷，轉換到月心在測站地平坐標系下的位置矢量，從而生成所需的雷達波束程序引導文件。另外，符合觀測要求的月球星象應滿足如下約束條件：1) 月心相對測站地平面的仰角應在15°～84°(仰角較低時，地雜波干擾很大)；2) 月球雷達下點回波在脈沖重復周期內的相對時延應在信號發射門之后，且后續的接收門之內要至少包含絕大部分的月球回波(月球的時延深度約為11.6 ms)；3) 一次時間窗口時長應不短于，為獲取理想月球成像結果的最短實驗時長，將在后面介紹。根據以上判定條件，可計算逐天的探測時間窗口。

在實驗設計時，除了時間窗口的預報和波束跟蹤文件的生成，還需選擇合適的脈沖重復周期，應使其滿足：

(7)

對于曲靖雷達，月球回波在慢時間域上的多普勒展寬最大約為12 Hz，對應的時間為83.3 ms，故曲靖雷達可用的脈沖重復周期12 ms和20 ms均滿足此要求。因為硬件的原因，目前雷達的最小脈沖碼元寬度為30 μs，對應的最優距離向分辨率僅為4.5 km。為了在方位向上獲得相近的分辨率，經由式(3)計算可知獲取單個map的實驗時長應約為60 s，此時最優月面方位向分辨率約為4.3 km。另外，為了進一步提高信噪比，我們最多可以積累連續3個map，積累跨度共計約3 min的實驗數據，超出此時長將會產生拖尾效應，反而造成成像質量的下降。

基于以上的實驗設計，曲靖非相干散射雷達在2020年9月和10月期間分別進行了多次月球探測實驗，均取得了良好的結果。表2列舉了9月11日進行的3次月球探測實驗的時間窗口和參數設置。由表2可知，因受限于目前的脈沖重復周期設置，最長可獲取約11.19 ms的月球回波，約占月球時延深度的96.47%；且表內選擇的回波時長門限為10.67 ms，一天之中仍僅有5次觀測窗口。未來考慮增加新的脈沖重復周期(如15 ms)，將能大大提高月球探測實驗的可靠性。

表2 曲靖非相干散射雷達2020年9月11日月球探測實驗

3.2 初步探測結果介紹

首先介紹曲靖非相干散射雷達月球回波隨雷達入射角的變化情況。在確定雷達下點回波之后，我們對連續時間內的月球回波進行了算術平均，并將結果與Hagfors給出的準鏡面散射回波的理論模型以及Evans等人給出的漫散射模型進行了比較。圖5展示了歸一化后結果的對比。由于目前雷達未進行精密標校，也未測量60 cm波長下的月球輻射，故無法直接比較二者量級的大小，只能分析相對趨勢。

圖5 曲靖非相干散射雷達月球回波功率隨入射角的變化，以及與準鏡面散射模型和漫散射模型的比較

從圖5可以看出，當入射角較低時，實測值與準鏡面散射模型吻合得較好；當入射角超過40°，實測結果開始偏離準鏡面散射模型，并隨著入射角的增加而向漫散射模型靠攏，且在75°以上入射角時具有十分接近的趨勢。這是因為主極化回波(OC)功率包含準鏡面散射回波(用表示)和漫散射回波(用表示)兩個部分，而后者在高入射角時所占的比例更為突出。利用實測值與兩個散射模型簡單估計了漫散射回波在高入射角時所占的比重，發現當入射角約為60°時，漫散射回波約占總功率的50%，這與前人的觀測結果相一致。結合以上分析，月球雷達回波的功率隨時延的變化基本驗證了此次月球探測實驗的有效性。

另外，我們計算了各時延圓環內的平均雷達反照率，并與Arecibo的測量結果進行了對比，結果如圖6所示。同樣地我們對兩設備的測量結果進行了歸一化處理，并且對曲靖雷達的測量結果進行了平滑。從圖中可以看出，兩部設備的雷達反照率(即單位照射面積的雷達散射截面積)隨入射角的變化具有大體一致的趨勢，特別是低入射角(10°以下)時兩者吻合得很好,這進一步驗證了此次曲靖雷達月球探測數據的有效性。對兩設備測量結果作差(圖中黃色柱線)可以發現：當入射角超過10°時二者之差顯著上升，后保持穩定，從45°左右開始減小并在60°附近達到極小值，隨后緩慢回升。曲靖ISR雷達所測月球反照率在入射角10°～15°下降相對較為平緩的原因可能是其波長比Arecibo更短，月表顯示出更大的視斜度；而在高入射角時漫散射影響增大，故兩設備測量結果趨近。

圖6 曲靖非相干散射雷達與Arecibo射電望遠鏡月球探測雷達反照率隨入射角的變化對比，以及兩設備測量結果的差值

同樣因為目前未能準確測量月球回波功率的絕對大小，在利用第2節中介紹的時延-多普勒技術得到一個雷達map后，將map中不同時延圓環上的值分別進行歸一化(除以平均值)，得到的結果能夠衡量局部區域的信號增強或減弱，從而可為研究不同地區的粗糙度、平均斜度以及物質組成提供幫助。前人研究指出，月球主極化回波的局部區域增強可表示為

(8)

式中：,代表月面分辨單元(，為該單元的月緯和月經坐標)的回波功率與其所在時延圓上的平均功率的比值；,代表分辨單元功率相對平均功率的比值，一般認為在0～2之間，最大不超過6；代表在入射角下平均功率與平均功率的比值；,代表該單元總回波(OC)的增強(或減弱)。因為是單極化接收，我們無法直接測量得到,和，但可以根據實測數據計算得到,。測量結果如圖7所示，由圖可知最大回波增強可達8.2倍，這發生在入射角32°左右時。另外當入射角在20°～45°之間時，最大回波增強存在很明顯的起伏，而回波總體未顯示較大的浮動(對比回波標準差)。由圖4可知，當入射角小于40°時?1，結合式(7)可得,≈,，推測可能來自菲涅爾反射系數的提升，如金屬含量或金屬成分的變化，或者來自雷達入射波與地面結構法線夾角的變化，如環形山的山壁。當入射角超過50°，最大回波增強隨入射角成線性增長，圖中回波標準差隨入射角的變化也顯示了相同的規律，分析其現象是此時在OC回波中占據主導，而的波動隨著入射角的增加可能有增大的傾向。

圖7 月球最大回波增強隨入射角的變化(圖中右下角藍線則反映了各入射角下回波標準差的變化情況)

最后，我們將反映局部變化的map通過第二節介紹的成像方法轉換到月球參考系下，并投影到二維平面，繪制成圖4。該圖反映了單極化接收時月球表面對兩種散射機制的區域性變化?？梢钥闯鲋?、高緯地區分布著更為明顯的雷達特征。目前月球的成像結果還不甚理想，主要問題在于成像時存在月球南北半球模糊問題(若照射完整月球近地面時，時延-多普勒技術無法區分視南北半球的回波)；其次是雷達分辨率仍較低，不能滿足識別月表地形、地貌特征的要求；最后是無法從單極化回波中區分兩種散射機制，不能分別進行研究，以提取更多的月球信息。

4 曲靖非相干散射雷達月球探測存在的問題與下一步計劃

4.1 存在的問題

曲靖非相干散射雷達于10多年前設計與建設，主要用于近地電離層探測，其部分硬件指標不一定適用于雷達天文領域，如月球探測。若用于月球等遠距離天體探測，還存在頻率穩定度不高、脈沖重復周期短、信號帶寬較窄等硬件問題，降低了對月球的探測能力，特別是缺乏雙圓極化接收通道，無法同時接收雙圓極化回波，無法提取更多的月球信息；另一方面，該雷達的系統參數，如波束指向、大地坐標、發射功率、噪聲溫度等系統參數還未精確標校，影響了對月球回波的精確探測與分析。

4.2 下一步工作設想

針對以上問題，一方面盡可能改善升級硬件，提升非相干散射雷達的月球探測性能。例如：用銣鐘或原子鐘替換目前的普通晶振，提高頻率穩定度，盡可能保證發射與接收回波的相干性；升級波形發生器，以便能提供更多脈沖波形，其脈沖重復周期更長、碼元寬度更短；對雷達大地坐標、天線指向等進行精確標校。另一方面，考慮與我國現有射電望遠鏡(貴州500 m球面射電望遠鏡FAST、新疆巴里坤天籟射電陣、云南天文臺40 m射電望遠鏡等)合作，即可實現雙圓極化波接收，也可形成雙/多基地雷達干涉探測模式。

5 結束語

本文詳細介紹了曲靖非相干散射雷達的技術特點、月球探測方法與初步結果。曲靖非相干散射雷達目前可用于探測月球單極化回波(OC)、反演月表反射系數和粗糙度、進行初步二維成像等，探測結果與國外基本一致，驗證了曲靖非相干散射雷達探測月球的可行性，對于我國的地基雷達天文探測技術與行星科學發展具有重要參考價值。但是目前曲靖非相干散射雷達月球探測硬件方面還存在諸多不足、探測實驗與數據很有限、月球回波處理與成像方法還需進一步完善，下一步將逐步升級改造硬件條件，開展更多實驗獲取更多數據，同時逐漸改進探測技術方法，同時加強與國內射電望遠鏡等合作，為不斷提升我國的地基月球探測技術水平作出更多積極貢獻。