0 引言
因此，开展微流星体研究，了解其相关属性，除了对了解宇宙的形成和演化方面具有科学意义，还能为人类走向太空探索宇宙的航天活动保驾护航。本文基于三亚非相干散射雷达在2020年双子座流星雨期间对微流星的观测，对微流星通量展开了研究，并对研究结论进行了比较分析。本文研究对我国建立自主的流星体分布模型具有较高的参考价值。
1 微流星体观测方法
与小行星相比，微流星体质量体积都非常小，目前主要采用以下方法来进行数据搜集和研究。
卫星撞击坑观测：通过专门的卫星任务获得微流星撞击数据，对微流星进行研究。NASA在1960年到1970年发射了3颗Pegasus卫星:每颗卫星都带有巨大的“翅膀”用来“捕捉”微流星体。在Pegasus之后的1980年，采用航天飞机发射了“长期暴露设施”卫星（Long Duration Exposure Facility，LDEF）。
LDEF是美国国家航空航天局（NASA）在20世纪80年代进行的一项大规模空间环境暴露实验。长期暴露设施由“挑战者”号航天飞机于1984年4月送入低地球轨道（LEO），并于1990年1月由“哥伦比亚”号航天飞机回收。LDEF是一个14面体（一个12面圆柱体和两个端面），共搭载了57个单独的科学实验。其中部分实验是为了描述在任务期间的流星体和轨道碎片环境。LDEF由于意外地长时间暴露在太空（约5.7年，原计划9个月）以及对人造碎片碰撞威胁受到日益关注，NASA决定将整个卫星实验设施用作流星体和轨道碎片探测器。为此，NASA还特地组织了流星体和空间碎片特别研究组[7]。
地面微陨石收集：星际尘埃物质在通过大气层时，未完全烧蚀的残留部分，最后落入地球表面形成微陨石。通过收集微陨石可以研究微流星特性。微陨石只能在南极等没有沉积作用的地区搜集。将冰雪融化、过滤，就可以收集到用显微镜才能看清的微流星体。法国国家科学研究中心 (CNRS) 领导的研究人员在南极洲附近的圆丘 C 进行了长达 20 年的研究，收集了大小为 30~200 μm（百万分之一米）的外星粒子，并测量了一年内每平方米沉积在地球上的质量。研究结果显示，如果将上述测算结果应用于整个地球，那么每年落在地球上的微陨石的质量合计约5200 t，而每年落到地球上的陨石的质量总共不到10 t，因此微陨石是地球上“地外物质”的主要来源。研究还发现，约80%的微陨石可能来自彗星，其余则来自小行星[3]。
全天空相机监测：使用摄像设备取代人眼来记录流星事件由来已久。得益于高灵敏度感光元件的出现，用相机监测流星变得越来越容易。由于相机依赖流星体的发光发热现象记录流星事件，而微流星尺寸太小，一般难以形成明亮的发光现象，所以全天空相机只能记录质量较大的流星体事件。此外，相机观测受天气因素的影响，适合在晴朗无云的晚上开展观测[8]。
雷达观测：虽然微流星体尺寸太小，在太空中的时候难以被雷达直接探测，但是我们可以通过微流星体与地球大气的相互作用来观测它们。当微流星体在进入地球大气时，由于高速碰撞摩擦其会被加热、烧蚀，产生所谓的等离子体，等离子体中的电子散射截面积要比微流星体更能散射电磁信号，因此这种现象可通过特殊设计的雷达系统进行观测。有些雷达能看到微流星体消融残留在大气中的等离子体尾迹，能通过流星尾迹的回波信号测量地球高层大气风速、扩散系数等参量；有些高功率雷达则能观测到包裹在流星体周围的高密度等离子体鞘套，等离子体鞘套与流星体本体以相同的速度高速移动，通过这些流星头回波能测量微流星的速度、大小、来源甚至成分，可以研究微流星的本体属性。雷达观测方法的优点是不受天气条件影响，能对微流星全天时开展观测。这些方法综合使用，可以帮助我们更准确地观测和研究微流星体[8]。
本文的研究基于三亚非相干散射雷达（一期）观测数据。2015—2020年，在国家重大科研仪器研制项目的资助下，中国科学院地质与地球物理研究所与合作单位中国电科十四所、南昌大学一起，历经6年时间，研制成功一台由4096 个天线单元组成的三亚非相干散射雷达（一期）。这也是国内首套相控阵体制的非相干散射雷达，具备独立自主的知识产权[9-11]。在三亚非相干散射雷达基础上，2019年—2023 年，在子午工程二期的支持下中国科学院地质与地球物理研究所完成了海南三站式非相干散射雷达（二期）的建设。二期的主要建设内容包括：在前期三亚非相干散射雷达的基础上，将三亚站雷达收发阵面扩展一倍，达到8320 个天线单元，峰值发射功率超过4 MW；此外，在海南岛的儋州和文昌分别新建两个雷达接收阵面，每个接收阵面有4096 个接收天线。三个站形成一发三收的格局，可实现对电离层漂移速度等的矢量观测。
表 1 三亚非相干散射雷达（一期）微流星观测模式参数Table 1 Parameters of the micrometeor observation mode for the Sanya Incoherent Scatter Radar (Phase Ⅰ) |
| 序号 | 参数名称 | 参数范围 |
| 1 | 工作频段 | 430~450 MHz |
| 2 | 发射峰值功率 | 2 MW |
| 3 | 波束指向 | 垂直磁场/天顶/流星雨辐射点循环 交替工作，10分钟/波位 |
| 4 | 发射波形 | 线性调频 |
| 5 | 脉宽 | 200 μs |
| 6 | 带宽 | 4 MHz |
| 7 | 波束宽度 | 1.1°×1.4° |
| 8 | 周期 | 3.3 ms |
2 雷达微流星探测模式、观测结果和分析
2.1 微流星探测模式和结果
双子座流星雨是每年12月中旬出现的一场流星雨，以其明亮和频繁的流星而闻名。这场流星雨的活动期大约从每年12月4日持续到17日，通常在12月13日或14日达到峰值。双子座流星雨因其辐射点位于双子座内而得名，如图1 所示。它的母体是3200号小行星法厄同（3200 Phaethon），是一颗岩石和金属组成的小行星，可能是一颗“岩质彗星”。当地球在其公转轨道上穿过法厄同留下的尘埃和碎片时，这些物质进入地球大气层，形成了我们所看到的流星雨。
2020年12月13至14日，是双子座流星雨的峰值时段。雷达从北京时间13日10:30开始微流星体探测，至14日10:30探测结束，观测总时长24 h。在探测微流星工作模式时，波束指向在垂直地磁场/天顶/流星雨辐射点3个方向循环交替工作，每个方向波束驻留10 min。需要说明的是，当天双子座流星雨辐射点在24 h观测时段中，只有约8 h在雷达的可观测范围内。该波束指向循环交替工作模式可用于研究流星雨辐射点对微流星体通量的影响以及流星尾迹形成过程。由于三亚雷达采用相控阵体制，波束切换时间在微秒级别，所以雷达波束切换时间对通量计算的影响可忽略。
地基高功率雷达观测微流星体通量的原理如图2 所示。雷达的发射接收波束具有一定的宽度，也就是雷达的视场范围，三亚雷达的天顶方向的视场范围为东西1.1°，南北1.4°，近似椭圆。当流星体进入雷达波束时，流星体与地球高层大气高速碰撞，在一定的高度范围内形成的等离子体可反射雷达电磁波，从而被雷达观测到。
与其他常见的流星雷达相比，我们采用发射线性调频脉冲波形。根据雷达方程，发射脉冲越长，辐射的总能量越大，探测弱小目标的能力越强。对于常见的单载频信号，由于雷达距离分辨率能力与脉宽成反比，很难获得高的距离分辨率。线性调频能在发生长脉冲时，通过接收端脉冲压缩技术获取高的距离分辨，精确定位流星目标。这种技术在三亚雷达原型机上已经得到了验证和应用[14]。
雷达发射线性调频信号，接收流星散射回波。采用脉冲工作方式，发射信号为线性调频信号，带宽4.0 MHz，脉宽为200 μs脉冲重复周期3.3 ms，雷达数据采集分系统对每个脉冲的解调回波正交信号进行记录，然后进行事后分析。
对于线性调频信号，脉冲压缩后的理论距离分辨率$ \Delta d=C/2B $ ，其中C为光速，B为信号带宽。本试验中发射信号采用4 MHz带宽，脉宽τ=200 μs的线性调频，对应的最小距离分辨率为37.5 m。更高的距离分辨率有利于观测到流星烧蚀过程中的细节，SYISR雷达观测到了流星体破碎的现象，清晰地呈现了流星体一分为二的情形[14]。
通过自动检测程序检测流星信号事件，如图3 所示。微流星信号事件在距离-时间回波强度图上表现为一道倾斜的头回波，左图有两个微流星事件，右图在少数情况下可同时探测到尾迹回波。
为了从大量的雷达原始IQ数据中提取流星头回波信号，构建了一套挑选标准和方法，实现了流星信号的自动提取。步骤如下：
第一步，滤波，对单个脉冲的回波进行匹配滤波处理（Match Filtering），滤除噪声和杂波，提高信噪比；
第二步，潜在流星头回波，提取信噪比高于设定检测门限值（比如15 dB）的回波记录为潜在流星头回波（Potential Meteor Head Echoes）；
第三步，流星事件（Meteor Events），潜在流星头回波的间隔脉冲数小于15和高度间隔小于1km判定为同一流星事件，一次完整的流星事件包含的潜在流星回波脉冲的个数不低于5个；
经过以上流程，我们从雷达IQ回波中提取单个的流星事件。该方法是基于流星回波特征的检测方式，经检验对我们的雷达数据实用有效，能够记录每个流星事件的发生时间、高度和回波信号。
在24 h连续观测内共探测到9500颗微流星体，平均每小时约400颗，最高点出现在北京时间约7:00，约1200 颗/小时。一天的周期当中，微流星体出现率相差较大，极大时刻出现在北京时间约7:00，极低时刻为北京时间19:00。图4 给出了整个观测时段微流星事件的统计分布图。四个分布图分别为海拔高度分布、流星持续时间、发生时刻分布和视向速度分布。
微流星的流星事件的海拔高度分布为70~120 km，峰值海拔高度约105 km，平均高度约100 km。这与之前报道的地基雷达观测微流星分布峰值高度接近。
由图4 （c）可知，流星事件出现率峰值时刻为北京时间约7:00，谷值时刻为北京时间19:00，基本呈24 h的周期规律分布，这与其他观测结果一致。这点可以通过地球公转和自转来解释，在地球公转轨道上，在迎风面与宇宙空间中流星体接触概率最大，背风面与空间中流星体接触概率最小。
流星事件的持续时长，与流星体大小、速度以及进入地球大气的角度密切相关。此处的持续时间表示观测到的流星持续时间，可能受限于雷达波束宽度以及波束与流星进入雷达波束位置角度的关系，并不能代表流星事件真实的持续时间。真实的持续时长，要比此处观测到时长的要长。
流星的速度范围通常在 11~72 km/s之间。流星的速度是由地球的公转速度、流星体的来源以及引力和轨道动力学共同决定的。这些因素共同作用，形成了流星速度的上下限。此处雷达观测视线速度表示流星体运动速度在雷达观测视线上的投影。如果流星体运动方向与观测视线平行，那么代表流星体的真实三维速度大小，观测到的速度最大，如果与观测视线垂直，那么观测到的视线速度为零。
2.2 双子座流星雨对流星数量的影响分析
为了研究双子座流星雨对流星体通量的影响，我们给出了雷达在三个方向上观测到的微流星事件参数分布，如图5 、图6 、图7 所示。分别表示双子座流星雨辐射点方向、垂直地磁场方向以及天顶方向观测到的微流星分布情况。在整个观测时段内，这3个波束方向分别观测到1393 次、3515 次、4592 次微流星事件。需要指出的是，由于双子座流星雨辐射点随时间的变化，同时受限于雷达的观测角度范围，当天双子座流星雨辐射点在24 h观测时段中只有约8 h在雷达的可观测范围内。如果按观测时长简单加权计算，那么双子座流星雨辐射点方向的微流星体数量为约4200 次，比垂直磁场方向略高，略低于天顶方向的数量。可见双子座流星雨对微流星体通量的影响不太明显。如果要精确考虑影响，还要考虑不同波束方向雷达的探测能力的变化的影响，是将来的研究内容。
图 5 观测期间双子座流星雨辐射点方向波束（随时间变化）观测到微流星事件参数分布（a）高度分布；（b）流星持续时间；（c）发生时刻分布；（d）视线速度分布Fig.5 Distribution of meteors observed in the Geminid radiant direction beam (time-varying) during the observation period |
图 6 观测期间垂直地磁场方向波束观测到微流星事件参数分布（a）高度分布；（b）流星持续时间；（c）发生时刻分布；（d）视向速度分布Fig.6 Distribution of meteors observed in the perpendicular to the geomagnetic field direction beam during the observation period |
我们还可以从其他观测设备来了解微流星体的日间变化。Liu等[16]分析漠河全天空流星雷达的多年观测数据表明，每日在漠河探测到的流星数量通常在1万~2.5万次，流星数量呈现以夏季多，冬季少的年周期变化特征。该项研究采用数据的是波束宽度范围几乎覆盖整个半球的低功率流星雷达数据，与本文采用的窄波束有区别，但是从10多年的流星事件数量日间变化可以发现，即使是相邻的两日，流星事件的数量变化剧烈。
目前的观测研究表明，即使是同一次流星雨观测到的可视大质量流星，不同年份观测到的数量也有明显的差别。对于质量小得多的微流星体来说，我们认为偶发微流星体占主要部分，也即来自各个方向的背景微流星体是占主导地位的，流星雨对微流星体总量的贡献不大。此外，我们认为微流星体的出现量是受多个因素影响的，在时间尺度上剧烈波动，但是在宏观上应该是有规律可循的，揭示其客观规律需要更多的观测数据和精确的微流星体模型。
2.3 近地空间微流星体通量估算
雷达在24 h连续观测内共探测到9500 颗微流星体，平均每小时约400颗，最高点出现在北京时间约7:00，约1200 颗/小时。一天周期当中，微流星体出现率相差较大，极大时刻出现在北京时间约7:00，极小时刻为北京时间19:00。
为了估算微流星体通量，需考虑对应的探测面积。在海拔100 km的高度，距离地球表面足够近，可只计算一个面的面积大小。雷达波束宽度（1.1°×1.4°），在高度100 km处，可形成东西轴1.92 km南北轴2.44 km的近似椭圆探测形状，探测面积约为 3.68 km2。
雷达测量微流星时是通过发射脉冲，然后接收回波的方式，并非时时刻刻在监视目标区域的微流星体。其工作占空比为6.1%，也即每个工作周期（3.3 ms）只有6.1%的时间在观测微流星体，认为每个工作周期内，微流星出现分布是均匀的。
根据公式F=N/sT，其中N是观测到的微流星体数量，s是观测范围面积，T是观测时长。估算在24 h的观测时段内，微流星体平均通量为每日4.3次/百平米。在不同的轨道高度，地球对微流星体通量具有不同的屏蔽和汇聚效应[4]，此估算值可视作100 km左右高度处的实测参考值。受到雷达的观测模式和灵敏度限制，该估算值要低于实际微流星体通量值。雷达从雷达信号中推导出流星体的质量涉及流星体的消融模型，等离子体电磁波散射截面等复杂的过程，目前没有经过验证的准确可靠的方法。根据前期相关文献，地基大功率雷达可测量质量大于微克（10−6 g）级别以上质量范围内的微流星体。
美国长期暴露设施如图8 所示，作为比对，在此给出美国长期暴露设施的对微流星体的观测值。美国长期暴露设施在太空中运行期间，其表面受到了大量的微小撞击，在轨时长69个月，在这期间中形成了32000个撞击坑。LDEF 暴露面积约130 m2，由此计算微流星体通量为每日11.9次/百平米。
两种不同的测量微流星体通量的差异见表2 。三亚雷达测量的通量远小于LDEF的通量值，二者比值约1∶3。由于两种测量方式差异较大，测量轨道高度、时间和时长不同，所采样的微流星样本不同，因此有差异不难理解。本文想指出的是，根据前文测量结果，微流星体出现的地方时分布差异较大。由于LDEF是低轨道卫星，其轨道周期约96.15 min，LDEF卫星的轨道倾角是28.5°，每天围绕地球14圈左右，那么LDEF记录的微流星地方时分布与地基雷达有较大差别，我们认为这应该是导致两者测量结果差距的主要原因。
表 2 SYISR和LDEF两种测量方式参数比较Table 2 Comparison of parameters between SYISR and LDEF Measurement Methods |
| 序号 | 设施 | 每日撞击概率 密度次/百平米 | 测量轨道 高度/km | 观测时长 |
| 1 | SYISR | 4.3 | 80~120 | 24小时 |
| 2 | LDEF | 11.9 | 335~477 | 69个月 |
3 结语
本文基于三亚非相干散射雷达在2020年12月13至14日双子座流星雨期间的观测数据，研究了微流星撞击近地空间航天器的概率。在24h连续观测时长里，共观测到9500 颗微流星事件，平均每小时约400颗。根据雷达波束宽度及工作占空比计算，微流星体通量为4.3次/天/百平米。此外，微流星通量地方时分布差异较大，极大时刻为北京时间7:00，极低时刻为19:00。受到雷达的观测模式和灵敏度限制，该流星体通量估算值要低于实际微流星体通量值。
近地空间观测表明，微流星体通量受多个因素影响的，在日间和周日时间尺度上剧烈波动，但是在宏观上应该有规律可循的，揭示其客观规律需要更多的观测数据和精确的微流星体模型。与美国长期暴露设施的通过撞击坑获得的结论相比，三亚雷达测量的微流星撞击概率密度约为前者的1/3。由于两者测量方式差别较大，对宇宙微流星体的测量轨道高度、测量时间点和时长均不同，这些因素都会影响结论。不过根据雷达测量的微流星地方时分布，长期暴露设施的轨道参数引起的地方时采样与雷达测量地方时的差异，可能是导致测量结论差距的主要原因。由于微流星体观测数据稀缺，采用地基高功率雷达对宇宙微流星体进行观测是比较经济实用的方法。本文研究对建立我国自主的微流星体通量模型有重要参考价值。
致谢
本文研究的开展得益于三亚非相干散射雷达的顺利建成，自主可靠的观测数据的获取不易，在此感谢三亚野外台站观测科研人员。