“中國復(fù)眼”是由北京理工大學(xué)牽頭，在重慶謀劃建設(shè)的深空探測雷達(dá)，它是世界首部具備三維成像和形變監(jiān)測的深空雷達(dá)。完全建成后探測距離可達(dá)1.5億公里，能看到億萬公里以外、僅有足球大小的小行星運(yùn)行軌跡。
龍騰
中國工程院院士、雷達(dá)信息處理專家，主要從事空天雷達(dá)信息處理的基礎(chǔ)科學(xué)研究
服務(wù)重大需求 支撐前沿研究
實(shí)際上地球處于被小行星包圍的密網(wǎng)之中，小行星對地球生命的進(jìn)程具有重大影響，比如現(xiàn)在較為公認(rèn)的恐龍滅絕原因是由小行星所造成?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)2000多顆具有潛在威脅的小行星，這一數(shù)字每年還在以100顆的速度增長。
潛在威脅小行星的定義是在地球750萬公里的軌道之內(nèi)，直徑大于140米的小行星。它的撞擊威力大于1萬顆廣島原子彈，會(huì)造成百萬以上人口的損失。此外還存在3萬顆距離地球4500萬公里的近地小行星，它們的軌道與地球相交也存在撞擊風(fēng)險(xiǎn)。
這些小行星主要來自距地球1.8到4億公里之間的主帶小行星——這是位于木星與火星之間的密集區(qū)域，是近地小行星與潛在威脅小行星的主要來源。
“中國復(fù)眼”計(jì)劃構(gòu)建一個(gè)大規(guī)模的分布孔徑深空探測雷達(dá)，由多個(gè)雷達(dá)單元構(gòu)成深空探測裝置以探測和監(jiān)視小行星等深空目標(biāo)，支撐小行星防御等國家重大任務(wù)的實(shí)施。對于潛在威脅小行星，我們計(jì)劃實(shí)現(xiàn)米級的三維成像，對于近地小行星要做到公里級的目標(biāo)探測；構(gòu)建全球性能最強(qiáng)的深空探測雷達(dá)，以支撐我國實(shí)施重大部署和發(fā)展世界前沿科技。
這一項(xiàng)目的研究意義重大，我國已經(jīng)成立生物探測實(shí)驗(yàn)室并且批復(fù)了天問系列的行星探測重大工程。其中天問一號探測火星，天問二號探測小行星和主帶彗星，天問三計(jì)劃去火星，天問四計(jì)劃去木星。需要盡快打造實(shí)驗(yàn)室的觀測基地，以支持天問系列任務(wù)的順利開展。
此外，2005年Science提出125個(gè)前沿科學(xué)問題，其中多個(gè)都與小行星有關(guān)。包括行星是如何形成的、地球生命在何處產(chǎn)生、是什么導(dǎo)致物種滅絕等。
小行星是太陽系的古老天體，與行星的形成、生命的起源和物種滅絕密切相關(guān)。對于行星形成而言，小行星是記錄行星形成過程的時(shí)間膠囊。對于生命起源，小行星可能是地球早期水和有機(jī)物的來源。對于物種滅絕，小行星的撞擊可能造成了地球上多次的物種滅絕。
小行星研究可以為研究行星形成、生命起源、物種滅絕等前沿科學(xué)問題提供重要支撐。這個(gè)項(xiàng)目的研究一方面要服務(wù)小行星防御、生物探測等國家重大需求，同時(shí)要支撐行星形成、生命起源、物種滅絕等世界前沿的科學(xué)研究。
目前已有的天文觀測手段主要包括射電望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，其中射電望遠(yuǎn)鏡的典型代表是Fast天眼，但它是被動(dòng)接收天體輻射的電磁波，而小行星輻射很微弱無法觀測。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的主要缺點(diǎn)是分辨率不夠高，難以獲取小行星的形貌。另外測距精度也比較弱，難以快速地精確測距。
深空雷達(dá)是通過主動(dòng)發(fā)射電波，并且接收天體反射波來探測目標(biāo)的探測裝置。它的優(yōu)勢是可以精確測距，因此能大幅提高小行星的測軌精度，縮短測軌時(shí)間；也可以獲取小行星的形狀，其分辨率和飛掠探測器相當(dāng)。美國在《2023~2032年行星科學(xué)與天體生物學(xué)十年規(guī)劃白皮書》里提及，雷達(dá)是測量近地天體物理和動(dòng)力學(xué)特性最強(qiáng)大的遙感手段。
“眺望”深空面臨的主要挑戰(zhàn)
目前，我國還沒有用于小行星研究的深空探測雷達(dá)。全球也只有兩個(gè)深空探測雷達(dá)，分別是美國阿雷西博（Arecibo）雷達(dá)和金石太陽系雷達(dá)（Goldstone Solar System Radar，GSSR）。阿雷西博和金石的天線口徑分別為305米和70米，它們都是集中孔徑的雷達(dá)體制，用單一的大孔徑天線來進(jìn)行觀測。
現(xiàn)有深空探測雷達(dá)面臨的主要問題包括：第一，成像距離比較近，難以滿足近地小行星的觀測需求；第二，只能進(jìn)行二維成像，無法獲取三維的形貌精細(xì)特征；第三，無法檢測到微變化，目前測量的變化量級是米級的，無法測量厘米級的微變化，而厘米級的微變化對于研究小行星的軌道特性、潮汐特性、結(jié)構(gòu)特性都非常重要。
同時(shí)，現(xiàn)有的深空探測雷達(dá)因?yàn)轶w積重量大，上面吊裝的天線饋源很重，易損壞且難維修。2019年金石太陽系雷達(dá)的發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障，在20個(gè)月的時(shí)間內(nèi)無法執(zhí)行觀測任務(wù)；2020年阿雷西博雷達(dá)也因結(jié)構(gòu)斷裂導(dǎo)致徹底退役。
因此亟需突破現(xiàn)有深空探測雷達(dá)測量機(jī)理的制約，要另辟蹊徑提出深空探測雷達(dá)新機(jī)理。傳統(tǒng)的集中孔徑雷達(dá)相當(dāng)于生物的單眼，而遠(yuǎn)距離觀測需要眼界大，要求有極大的孔徑，這在物理上很難實(shí)現(xiàn)。而昆蟲的復(fù)眼由很多分布的小眼構(gòu)成，多個(gè)小眼由神經(jīng)協(xié)同再送到大腦進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的觀測。我們就想借鑒復(fù)眼來提出深空探測雷達(dá)的“中國復(fù)眼”新思路?！爸袊鴱?fù)眼”設(shè)想由公里級范圍分布的多個(gè)雷達(dá)單元構(gòu)成，每一個(gè)單元都有獨(dú)立的天線、孔徑、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，多個(gè)單元通過同步分發(fā)鏈路與智能控算子系統(tǒng)相連。其中每個(gè)雷達(dá)單元相當(dāng)于昆蟲的小眼，同步分發(fā)鏈路相當(dāng)于復(fù)眼中的神經(jīng)，智能控算子系統(tǒng)相當(dāng)于大腦。我們給它起名為“中國復(fù)眼”，寓意“中國復(fù)興之眼”。
“中國復(fù)眼”研發(fā)有兩個(gè)核心關(guān)鍵問題與難點(diǎn)。幾十臺(tái)、幾十米在公里范圍內(nèi)分布的雷達(dá)天線，在2000萬公里外要調(diào)整為0.5毫米的相位對齊精度，這是第一個(gè)難點(diǎn)。要解決這個(gè)問題需要把天線的誤差、同步鏈路的誤差全部都補(bǔ)償?shù)簟?
第二個(gè)難點(diǎn)，它通過小行星運(yùn)動(dòng)的多普勒頻率來測量形貌。對多普勒頻率的測量精度要達(dá)到微赫茲量級，這需要長時(shí)間的積累，要把空氣的擾動(dòng)等所有的擾動(dòng)誤差全部補(bǔ)償?shù)簟?
這一雷達(dá)如果能夠研制成功，其成像維度將從二維提升到三維；形貌微變化測量能力從不具備發(fā)展為毫米級；探測距離從800萬公里提升到2000萬公里；成像距離從200萬公里提高到上千萬公里，成像分辨率也有大幅提升。
推動(dòng)中國成為世界小行星研究高地
研制“中國復(fù)眼”的作用首先在于防御小行星，獲取行星的軌道、大小以及被撞之后的軌道微變化，來保證小行星的防御任務(wù)，“撞得上、推得動(dòng)、評得出”。對于深空探測，可以獲取如天問二號探測目標(biāo)的軌道形貌與地質(zhì)結(jié)構(gòu)，以保障小行星探測任務(wù)順利開展。歐洲的羅塞塔項(xiàng)目就是由于當(dāng)時(shí)對小行星形貌估計(jì)不足，飛船降落到小行星之后被巖石卡死，最后任務(wù) 沒有完成。
“中國復(fù)眼”可以支撐我國航天領(lǐng)域重大工程與國家的重大需求，可以獲取小行星地質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性，揭示星子生長機(jī)制等行星形成的關(guān)鍵問題；保障小行星采樣、尋找生命物質(zhì)，支撐探索地球生命源自何處的未解之謎；還能實(shí)現(xiàn)小行星軌道長期溯源，以驗(yàn)證恐龍滅絕與小行星解體的關(guān)聯(lián)性等理論假說，為研究世界前沿的科學(xué)問題提供測量基礎(chǔ)。
此外，它還可以推動(dòng)雷達(dá)技術(shù)的跨越式發(fā)展。傳統(tǒng)雷達(dá)都是用單一大孔徑雷達(dá)進(jìn)行觀測，關(guān)于雷達(dá)的發(fā)展一直有一個(gè)目標(biāo)即用多部小孔徑雷達(dá)以合成大孔徑雷達(dá)，這是雷達(dá)人不懈追求的夢想，但是至今尚未完全實(shí)現(xiàn)。而“中國復(fù)眼”將首先突破地基的分布式孔徑雷達(dá)技術(shù)，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)載、彈載、星載分布孔徑雷達(dá)的發(fā)展，并帶來雷達(dá)技術(shù)突破性變革與跨越式發(fā)展。
目前“中國復(fù)眼”一期處于驗(yàn)證階段，已經(jīng)搭建了4部16米孔徑雷達(dá)，可以對40萬公里外月球進(jìn)行三維成像。二期現(xiàn)在已經(jīng)啟動(dòng)，將構(gòu)建25臺(tái)30米孔徑雷達(dá)，對上千萬公里之外的近地小行星進(jìn)行觀測，達(dá)到國際領(lǐng)先的水平。后續(xù)我們還想建設(shè)“中國復(fù)眼”三期，需要上百部30米的孔徑雷達(dá)，對上億公里之外的小行星帶進(jìn)行觀測，以長期保持國際領(lǐng)先。
“中國復(fù)眼”一期已經(jīng)在重慶的明月山頂建設(shè)一個(gè)4部16米孔徑的天線，在國內(nèi)地基雷達(dá)首次實(shí)現(xiàn)月球的三維成像，為“中國復(fù)眼”二期積累基礎(chǔ)并釋放風(fēng)險(xiǎn)。二期在重慶云陽縣中洲島 的25臺(tái)30米雷達(dá)已開工啟動(dòng)，正在與國內(nèi)優(yōu)勢單位開展工程的方案設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)2025年前后進(jìn)行觀測。
總體而言，我們的目標(biāo)是要建設(shè)一個(gè)大規(guī)模分布孔徑深空探測雷達(dá)，擁有25臺(tái)30米孔徑陣列，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)性能的跨越式發(fā)展以保障國家重大需求，包括小行星近地防御和深空探測，并支撐世界前沿科技研究，包括行星形成、生命起源和物種滅絕等，推動(dòng)我國成為世界小行星研究高地和前沿科學(xué)研究中心。（根據(jù)第十六屆中國電子信息年會(huì)論壇開幕式上報(bào)告整理）
