因此亟需突破現有深空探測雷達測量機理的制約,要另辟蹊徑提出深空探測雷達新機理。傳統的集中孔徑雷達相當于生物的單眼,而遠距離觀測需要眼界大,要求有極大的孔徑,這在物理上很難實現。而昆蟲的復眼由很多分布的小眼構成,多個小眼由神經協同再送到大腦進行處理,從而實現遠距離的觀測。我們就想借鑒復眼來提出深空探測雷達的“中國復眼”新思路。“中國復眼”設想由公里級范圍分布的多個雷達單元構成,每一個單元都有獨立的天線、孔徑、發射機和接收機,多個單元通過同步分發鏈路與智能控算子系統相連。其中每個雷達單元相當于昆蟲的小眼,同步分發鏈路相當于復眼中的神經,智能控算子系統相當于大腦。我們給它起名為“中國復眼”,寓意“中國復興之眼”。
“中國復眼”研發有兩個核心關鍵問題與難點。幾十臺、幾十米在公里范圍內分布的雷達天線,在2000萬公里外要調整為0.5毫米的相位對齊精度,這是第一個難點。要解決這個問題需要把天線的誤差、同步鏈路的誤差全部都補償掉。
第二個難點,它通過小行星運動的多普勒頻率來測量形貌。對多普勒頻率的測量精度要達到微赫茲量級,這需要長時間的積累,要把空氣的擾動等所有的擾動誤差全部補償掉。
這一雷達如果能夠研制成功,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。
推動中國成為世界小行星研究高地
研制“中國復眼”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,“撞得上、推得動、評得出”。對于深空探測,可以獲取如天問二號探測目標的軌道形貌與地質結構,以保障小行星探測任務順利開展。歐洲的羅塞塔項目就是由于當時對小行星形貌估計不足,飛船降落到小行星之后被巖石卡死,最后任務 沒有完成。
“中國復眼”可以支撐我國航天領域重大工程與國家的重大需求,可以獲取小行星地質結構多樣性,揭示星子生長機制等行星形成的關鍵問題;保障小行星采樣、尋找生命物質,支撐探索地球生命源自何處的未解之謎;還能實現小行星軌道長期溯源,以驗證恐龍滅絕與小行星解體的關聯性等理論假說,為研究世界前沿的科學問題提供測量基礎。
此外,它還可以推動雷達技術的跨越式發展。傳統雷達都是用單一大孔徑雷達進行觀測,關于雷達的發展一直有一個目標即用多部小孔徑雷達以合成大孔徑雷達,這是雷達人不懈追求的夢想,但是至今尚未完全實現。而“中國復眼”將首先突破地基的分布式孔徑雷達技術,進而帶動機載、彈載、星載分布孔徑雷達的發展,并帶來雷達技術突破性變革與跨越式發展。
目前“中國復眼”一期處于驗證階段,已經搭建了4部16米孔徑雷達,可以對40萬公里外月球進行三維成像。二期現在已經啟動,將構建25臺30米孔徑雷達,對上千萬公里之外的近地小行星進行觀測,達到國際領先的水平。后續我們還想建設“中國復眼”三期,需要上百部30米的孔徑雷達,對上億公里之外的小行星帶進行觀測,以長期保持國際領先。
“中國復眼”一期已經在重慶的明月山頂建設一個4部16米孔徑的天線,在國內地基雷達首次實現月球的三維成像,為“中國復眼”二期積累基礎并釋放風險。二期在重慶云陽縣中洲島 的25臺30米雷達已開工啟動,正在與國內優勢單位開展工程的方案設計,預計2025年前后進行觀測。
總體而言,我們的目標是要建設一個大規模分布孔徑深空探測雷達,擁有25臺30米孔徑陣列,實現雷達性能的跨越式發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,推動我國成為世界小行星研究高地和前沿科學研究中心。(根據第十六屆中國電子信息年會論壇開幕式上報告整理)