雷達天文方法

雷達天文方法 （method of radar astronomy），射電天文學的一個分支，主動向天體(或人造天體)發出無線電波，並接收反射的回波，通過對回波的處理和研究以探討天體的物理和幾何結構，這種方法是天文學中觀測和實驗兼用的手段之一。

基本介紹

• 中文名：雷達天文方法
• 外文名：method of radar astronomy
• 運用領域：天文學
• 工作原理：向天體發出無線電波接收反射回波

研究內容

由於雷達發射功率的限制，雷達天文主要研究太陽系內的現象，例如，流星的空間分布和物理狀態，月球和行星（包括小行星）的自轉、表面特徵和大氣結構，日冕、行星際物質和彗星的電漿運動和結構。此外，還用於精確測定太陽系內天體的距離和位置等。近年來，出現了光波段的雷射雷達，對於月球和人造天體的精確定位和測距具有重要的意義（見月球雷射測距、人造衛星雷射測距）。

發展歷程

雷達天文學創始於二十世紀三十年代，當時研究的是高層大氣、流星軌跡和極光。1946年在匈牙利和美國首次接收到月球的雷達回波。這是大氣層外天體的第一個回波信號。1961年，在金星離地球最近時，接收到它的雷達回波。自1959年起，美國用這種方法研究日冕。1965年以後，即使金星和水星離地球最遠時，也能作到有成效的雷達天文觀測。

工作原理

天文雷達的工作原理與一般雷達基本相同，但是探測目標的距離，前者比後者要遠幾千倍乃至幾百萬倍以上。因此，接收回波與發射信號之間有較大的時間延遲，從月球的幾秒鐘到外行星的幾個小時。其次，雷達回波信號強度是和距離的四次方成反比的。用來觀測天體的雷達，一般要求有大口徑的天線和強功率的發射機。例如，美國阿雷西博天文台的射電望遠鏡在作為天文雷達使用時就裝有口徑 305米的球面天線和平均峰值功率為150千瓦的發射機（工作波長70厘米）。此外,探測月球、行星和太陽時，在視線方向上，天體的尺寸也比一般地面雷達目標大得多。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電波掃描月面直徑所需的時間（11.6毫秒），否則，月球反射的有效面積便要減小。如果考慮到上述天體的自轉運動（或天平動），雷達信號從該天體（如行星）的不同部分反射後，由於都卜勒效應就會具有不同的無線電頻率，從而產生回波的都卜勒致寬。天文雷達直接和準確地測定回波延遲，能精確地確定所測天體的距離。它在測定太陽系的尺度上起著重要的作用，大大地提高了天文單位（即日地平均距離）的精確度；根據天文雷達對金星和火星的觀測和相應的光學觀測資料,得到了1天文單位距離等於149,597,870.5公里，其均方誤差為±1.6公里。精確度這樣高的天文單位數值，對於計算行星際火箭的精確軌道和有關的天文常數是極其重要的。利用雷達測距的高精確度，就可以發現行星或小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（見廣義相對論的天文學驗證）。利用雷達測距的高精確度，也可以確定月球和行星同幾何球體的差異程度。

測量雷達回波的都卜勒致寬，可以計算行星或小行星等天體的自轉周期，也可導出軌道面的傾角。如果傾角為零度，且自轉軸正好朝向觀測者，則都卜勒致寬為零。由於公轉運動，行星和小行星同地球的相對位置發生變化，因而都卜勒致寬也相應地變化。這樣，就可從累積的資料中分析出自轉的傾角。

特點

雷達測定水星的自轉周期是公轉周期(88天)的 2/3，即59(±3)天,從而否定了長期以來認為水星總是以同一半球面對太陽的看法。同光學望遠鏡相比較，雖然天文雷達的解析度要小,但是利用回波延遲-都卜勒頻移的綜合方法，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。這項技術主要特點是，不管觀測目標的距離如何，都可得到同樣的精細程度。

參考書目

斯科爾尼克主編，謝卓譯：《雷達手冊》，第九分冊，第三十四章：雷達天文學，國防工業出版社,北京,1973。(M.I.Skolnik,Radar Handbook,McGraw-Hill,New York,1970.)