因此亟需突破现有深空探测雷达测量机理的制约,要另辟蹊径提出深空探测雷达新机理。传统的集中孔径雷达相当于生物的单眼,而远距离观测需要眼界大,要求有极大的孔径,这在物理上很难实现。而昆虫的复眼由很多分布的小眼构成,多个小眼由神经协同再送到大脑进行处理,从而实现远距离的观测。我们就想借鉴复眼来提出深空探测雷达的“中国复眼”新思路。“中国复眼”设想由公里级范围分布的多个雷达单元构成,每一个单元都有独立的天线、孔径、发射机和接收机,多个单元通过同步分发链路与智能控算子系统相连。其中每个雷达单元相当于昆虫的小眼,同步分发链路相当于复眼中的神经,智能控算子系统相当于大脑。我们给它起名为“中国复眼”,寓意“中国复兴之眼”。
“中国复眼”研发有两个核心关键问题与难点。几十台、几十米在公里范围内分布的雷达天线,在2000万公里外要调整为0.5毫米的相位对齐精度,这是第一个难点。要解决这个问题需要把天线的误差、同步链路的误差全部都补偿掉。
第二个难点,它通过小行星运动的多普勒频率来测量形貌。对多普勒频率的测量精度要达到微赫兹量级,这需要长时间的积累,要把空气的扰动等所有的扰动误差全部补偿掉。
这一雷达如果能够研制成功,其成像维度将从二维提升到三维;形貌微变化测量能力从不具备发展为毫米级;探测距离从800万公里提升到2000万公里;成像距离从200万公里提高到上千万公里,成像分辨率也有大幅提升。
推动中国成为世界小行星研究高地
研制“中国复眼”的作用首先在于防御小行星,获取行星的轨道、大小以及被撞之后的轨道微变化,来保证小行星的防御任务,“撞得上、推得动、评得出”。对于深空探测,可以获取如天问二号探测目标的轨道形貌与地质结构,以保障小行星探测任务顺利开展。欧洲的罗塞塔项目就是由于当时对小行星形貌估计不足,飞船降落到小行星之后被岩石卡死,最后任务 没有完成。
“中国复眼”可以支撑我国航天领域重大工程与国家的重大需求,可以获取小行星地质结构多样性,揭示星子生长机制等行星形成的关键问题;保障小行星采样、寻找生命物质,支撑探索地球生命源自何处的未解之谜;还能实现小行星轨道长期溯源,以验证恐龙灭绝与小行星解体的关联性等理论假说,为研究世界前沿的科学问题提供测量基础。
此外,它还可以推动雷达技术的跨越式发展。传统雷达都是用单一大孔径雷达进行观测,关于雷达的发展一直有一个目标即用多部小孔径雷达以合成大孔径雷达,这是雷达人不懈追求的梦想,但是至今尚未完全实现。而“中国复眼”将首先突破地基的分布式孔径雷达技术,进而带动机载、弹载、星载分布孔径雷达的发展,并带来雷达技术突破性变革与跨越式发展。
目前“中国复眼”一期处于验证阶段,已经搭建了4部16米孔径雷达,可以对40万公里外月球进行三维成像。二期现在已经启动,将构建25台30米孔径雷达,对上千万公里之外的近地小行星进行观测,达到国际领先的水平。后续我们还想建设“中国复眼”三期,需要上百部30米的孔径雷达,对上亿公里之外的小行星带进行观测,以长期保持国际领先。
“中国复眼”一期已经在重庆的明月山顶建设一个4部16米孔径的天线,在国内地基雷达首次实现月球的三维成像,为“中国复眼”二期积累基础并释放风险。二期在重庆云阳县中洲岛 的25台30米雷达已开工启动,正在与国内优势单位开展工程的方案设计,预计2025年前后进行观测。
总体而言,我们的目标是要建设一个大规模分布孔径深空探测雷达,拥有25台30米孔径阵列,实现雷达性能的跨越式发展以保障国家重大需求,包括小行星近地防御和深空探测,并支撑世界前沿科技研究,包括行星形成、生命起源和物种灭绝等,推动我国成为世界小行星研究高地和前沿科学研究中心。(根据第十六届中国电子信息年会论坛开幕式上报告整理)