天基近地天體探測技術與實踐

阮寧娟,劉志敏,鄭永超,4*

（1.北京空間機電研究所,北京 100094;2.先進光學遙感技術北京市重點實驗室,北京 100094;3.北京市航空智能遙感裝備工程技術研究中心,北京 100015;4.中國空間技術研究院空間激光信息感知技術核心專業(yè)實驗室,北京 100094）

1 引言

近地天體 （NEO）是指近日距≤1.3AU的小天體,包含近地小行星 （NEA）和近地彗星（NEC）,其中大約90%以上是近地小行星。近地小行星按照它們的近日距 （q）、遠日距 （Q）和半長軸 （a）可以分為四類,如圖1所示。Amor型完全處于地球軌道外側,Apollo型和Aten型穿越地球軌道,Atira型完全處于地球軌道內側。國際上將與地球軌道最小交匯距離 （MOID）不大于0.05AU、絕對星等H≤22等 （相當于直徑大于140m）的小行星定義為潛在威脅小行星（PHA）,PHA主要來源于與地球軌道交會的A-pollo型和Aten型小行星。

圖1 NEA軌道分布[6]Fig.1 Near-Earth asteroids orbit classification

對NEO的探測具有重要的科學價值。NEO與太陽系同時形成,是構建太陽系大行星后剩余的“磚瓦材料”,保存了太陽星云的初始狀態(tài)、星云演化過程以及行星的生長過程等信息。對NEO的探測在研究太陽系和小行星的起源與演化、地球生命的起源、太空資源開發(fā)利用等方面具有重要意義。

對NEO的探測具有重要的現(xiàn)實意義。NEO撞擊地球對人類生存和發(fā)展構成了重大威脅。6500萬年前一顆直徑約10km的小行星撞擊在墨西哥尤卡坦半島,形成直徑約198km的隕石坑,造成了包括恐龍在內的約75%的生物滅絕。1908年“通古斯大爆炸”事件,一顆直徑約30～50m的小行星在俄羅斯西伯利亞埃文基自治區(qū)通古斯河上空發(fā)生爆炸,威力相當于1945年廣島原子彈的1000倍,造成2000km的8000萬顆樹被焚毀。2013年“車里雅賓斯克事件”,一顆直徑15～20m的小行星在俄羅斯車里雅賓斯克地區(qū)上空爆炸,威力相當于廣島原子彈的30倍,造成1500余人受傷,1000多間房屋受損。NEO撞擊能量與其直徑的三次方成正比,直徑1km以上的撞擊能夠造成全球級甚至大規(guī)模滅絕級災難,直徑140m以上的撞擊能夠造成中等以上國家區(qū)域級災難,直徑30～50m的撞擊能夠造成類似于通古斯事件的地方規(guī)模的危害,直徑10m級的撞擊仍具有一定的危害性。

國際上應對NEO撞擊威脅的措施稱為“行星防御” （Planetary Defense）,主要包含監(jiān)測預警和應對處置兩個方面。監(jiān)測預警為行星防御提供基礎數(shù)據(jù)和態(tài)勢感知能力,NEO探測技術是監(jiān)測預警的基礎和關鍵,是需要先行發(fā)展的技術領域。

光學和紅外測光是NEO巡天發(fā)現(xiàn)的主要手段。望遠鏡按照規(guī)劃的巡天策略 （Survey Cadence）掃描可視天區(qū),通過對同一視場多次重復觀測 （一般3～4次）,從恒星背景中檢出暗弱移動目標,再通過后隨觀測獲取多個軌跡 （一般不小于3個）,以證認新發(fā)現(xiàn)和編目。持續(xù)的跟蹤觀測可以逐步提高軌道確定精度。行星雷達通過多普勒效應測量目標的距離和運動速度,能夠將定軌精度提高數(shù)個量級,但是雷達探測距離有限,通常只有幾個地月距離,主要用于對高風險目標近距離飛越時的高精度探測。

NEO的物理特性測量為撞擊風險評估和應對處置方案選擇提供基礎數(shù)據(jù)。光學和紅外測光可以獲取目標的直徑。光變曲線能夠反演目標的形狀、自轉周期、自轉軸指向等。多波段測光能夠得到目標的光譜類型,從而能夠依據(jù)分類估算其密度。對小天體的光譜觀測可以推斷其表面物質組成,更精細研究其光譜分類。雷達成像能夠達到僅次于航天器抵近探測的空間分辨率,能夠高精度測量目標的尺寸、三維形狀和表面特性等信息。航天器抵近探測能夠對特定的高風險目標或感興趣目標進行全面的特性測量和科學研究,是遠距離監(jiān)測的重要補充。

2 近地天體探測技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 巡天發(fā)現(xiàn)

CNEOS網(wǎng)站發(fā)布的歷年NEA巡天發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)如圖2所示,截至2022年2月21日,國際上NEA累計編目28283顆,其中直徑1km以上888顆,140m以上10005顆,PHA有2262顆。根據(jù)NEA尺寸頻數(shù)分布模型估計,1km以上發(fā)現(xiàn)數(shù)量已經接近完備,140m以上發(fā)現(xiàn)數(shù)量接近40%,而30～50m發(fā)現(xiàn)數(shù)量不足3%。

圖2 巡天發(fā)現(xiàn)的近地小行星Fig.2 Near-Earth asteroid discovered by survey

美國從20世紀80年代起陸續(xù)啟動了多個NEO巡天計劃,是國際上NEO巡天的主力,其觀測設備和技術水平遙遙領先,提供了國際上絕大多數(shù)編目數(shù)據(jù),比較著名的NEO巡天計劃有：林肯近地小行星巡查 （LINEAR）、Catalina巡天（CSS）、泛星計劃 （Pan-STARRS）、小行星地面撞擊預警系統(tǒng) （ATLAS）等。表1列出了國際上主要地基光學巡天設備的技術參數(shù),其技術特點歸納如下：

表1 國際上主要地基NEO巡天項目Table 1 The main international ground-based NEO survey projects

（1）大口徑與大視場的結合是提高望遠鏡巡天發(fā)現(xiàn)和編目能力的關鍵。大口徑決定了巡天的深度 （高靈敏度、高極限探測能力）,決定了遠距離探測發(fā)現(xiàn)目標的能力,大視場提高了巡天的效率,能夠更快速地發(fā)現(xiàn)目標。LINEAR是較早的NEO巡天項目,其利用1m口徑望遠鏡和快速巡天的能力,發(fā)現(xiàn)了超過1/3的1km以上NEO。CSS主要任務是發(fā)現(xiàn)140m以上NEO,由三臺望遠鏡組成,既能利用1.5m口徑望遠鏡遠距離發(fā)現(xiàn)目標,又能利用0.7m口徑大視場望遠鏡高頻巡天,實現(xiàn)了巡天深度、寬度和頻度較好的結合,CSS發(fā)現(xiàn)了將近一半的NEO。Pan-STARRS目前運行了兩臺口徑1.8m的望遠鏡,受益于較高的巡天深度,其近地小行星發(fā)現(xiàn)量國際排名第二。建設中的Rubin天文臺時空遺跡巡天望遠鏡LSST將太陽系天體編目作為其科學目標之一,其實現(xiàn)了巡天的深度和頻度的結合,望遠鏡口徑8.4m（有效口徑6.7m）,9.62平方度視場,探測器像素規(guī)模達到了32億,由189塊4k×4k CCD拼接而成。根據(jù)巡天效能仿真結果,其單臺設備的發(fā)現(xiàn)能力與現(xiàn)有設備加在一起的總和相當,在其2023年工作后的10年時間內能夠發(fā)現(xiàn)62%的PHA。

（2）優(yōu)化的巡天策略能夠提高巡天效率和發(fā)現(xiàn)數(shù)量。如CSS利用其成套設備優(yōu)勢,利用其1m口徑的專用后隨望遠鏡,及時跟蹤發(fā)現(xiàn)目標,避免“丟失”,使巡天望遠鏡的巡天時間增加了10%～20%。CSS還利用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件,開展天區(qū)規(guī)劃、觀測計劃和后隨跟蹤計劃制定等巡天策略的優(yōu)化工作,大幅提高了巡天效率。LSST采用了對同一天區(qū)重復觀測兩次的巡天策略,與現(xiàn)有觀測3～4次的策略不同,對復雜背景下的目標檢出和圖像關聯(lián)提出了較大挑戰(zhàn),該巡天策略一旦被驗證成功,將能夠極大提高巡天效率。

（3）中小口徑超大視場巡天系統(tǒng)在小尺寸NEO臨近預警方面優(yōu)勢顯著。CSS利用其0.7m口徑、19.4平方度視場巡天望遠鏡,實現(xiàn)了高頻巡天,在臨近預警方面發(fā)揮了實際作用,2008TC3、2014AA、2018LA三顆近地小行星在撞擊地球前,只有CSS提供了及時預警。ATLAS主要任務是監(jiān)測進入地球附近150萬千米,直徑大于30m的危險小行星,目前運行的三臺0.5m口徑光學望遠鏡,具備28.9平方度視場,三臺設備配合能夠24h小時完成整個夜空的監(jiān)測。由ESA支持的在建寬視場快速掃描巡天計劃“復眼”（Fly-Eye）,其任務是小尺寸NEO臨近預警,對30～50m的目標提供至少一周的預警時間,1.1m口徑的Fly-Eye望遠鏡采用光學視場分割方法將圖像分布到16個子像面,實現(xiàn)100%的填充因子,每個子像面對應一片獨立的CCD探測器,實現(xiàn)了44.9平方度超大視場,如此大的視場900次曝光就能覆蓋整個天區(qū),能夠實現(xiàn)極高頻度巡天。

我國目前僅有的一臺于2006年建成的專用設備“近地天體望遠鏡” （CNEOST）,位于紫金山天文臺盱眙觀測站。望遠鏡是口徑1.04m的施密特系統(tǒng),配置了4k×4k漂移掃描CCD探測器,視場9平方度,發(fā)現(xiàn)了30余顆近地小行星。我國吉林站的1.2m口徑望遠鏡可兼用于NEO探測,與盱眙站望遠鏡一起加入了國際小行星預警網(wǎng)（IWAN）。

作為地基觀測系統(tǒng)能力的有效補充,NASA主導開展了利用空間望遠鏡的天基天文觀測,目前針對NEO實施的天基觀測任務有NASA的NEOWISE和NEO Surveyor巡天任務以及加拿大的NEOSSat任務。

WISE巡天望遠鏡于2009年12月14日發(fā)射,工作在525km的太陽同步軌道,采用單一指向深空的巡天模式,6個月能夠完成全天區(qū)覆蓋。望遠鏡口徑0.4m,視場47′,利用4個紅外波段 （3.4、4.6、12、22μm對應命名為W1、W2、W3、W4）開展巡天,W1、W2波段采用了1k×1k HgCdTe探測器,工作在30～34K;W3、W4波段采用了1k×1k Si：As探測器,工作溫度為7.8±0.05K。望遠鏡工作在17K,采用二級固氫制冷。在其四個波段同時工作的主任務階段,探測了超過158000顆小行星,新發(fā)現(xiàn)135顆NEO。在其制冷工質耗盡后,2013年12月21日起開始利用W1、W2兩個波段執(zhí)行命名為NEOWISE的NEO巡天任務,目標是發(fā)現(xiàn)NEO并測量其直徑和反照率,目前仍在軌運行。

建設中的NEO Surveyor是NASA專門用于NEO巡天的紅外空間望遠鏡,計劃于2026年發(fā)射。其主要任務目標是5年內發(fā)現(xiàn)2/3的直徑不小于140m的PHA（10年超過90%）并生成所有探測目標的直徑,在有光學測光數(shù)據(jù)時計算反照率。工作在日地L1軌道,口徑0.5m,通過分色片分成兩個紅外波段4～5.2μm、6～10μm,視場達到約12.7平方度,焦面采用2k×2k HgCdTe探測器1×4拼接,被動制冷到40K以下。NEO Surveyor上天后將與地基LSST聯(lián)合,加速國會授權NASA完成90%以上直徑大于140m NEO的編目任務的完成。

NEOSSat是加拿大2013年發(fā)射的一顆執(zhí)行空間目標監(jiān)視和近地小行星監(jiān)測兩項任務的微小衛(wèi)星,目標是發(fā)現(xiàn)Aten型和Atira型小行星。工作在約800km的太陽同步軌道,搭載了一臺口徑0.15m的Maksutov系統(tǒng)光學望遠鏡,通過衛(wèi)星指向來實現(xiàn)東西兩側天區(qū) （太陽延伸角±45°～±55°,黃緯方向±40°）掃描,由于其較小的觀測天區(qū),無法開展大范圍的巡天。

2.2 特性測量

目前大部分NEO的直徑是通過光學測光獲取的絕對星等H估算的,只有少部分由紅外測光或雷達精確測量了直徑。光學測光估算NEO直徑的公式如下：

式中,D為NEO的直徑,單位為km,P為V波段幾何反照率。光學測光獲取的直徑與反照率相關,由絕對星等計算直徑時,假設P為0.14,而實際NEO的反照率分布較寬,從小于0.02到大于0.50,這就使得光學測光估算的直徑有約5倍的誤差。

紅外測光采用熱物理模型來反演包含直徑在內的多項物理參數(shù),如標準熱物理模型 （STM）和快速自轉模型 （FRM）,近地小行星熱物理模型 （NEATM）針對近地小行星的物理特性進行了改進。基于NEATM反演的小行星直徑采用雷達、航天器抵近探測等方法進行了驗證,結果表明只要采用至少兩個熱紅外波段對小行星的光變曲線進行充分采樣,有較好的信噪比及由軌道獲取的精確的探測距離,直徑測量精度能夠優(yōu)于±10%。在此基礎上如果有高精度的絕對星等,能夠將反照率的精度限定到 ±20%范圍內。由熱物理模型估算NEO直徑的原理如下,對無大氣的球體熱平衡方程為：

式中,A是NEO的投影面積,S是入射到NEO表面的太陽輻射照度,L和L分別是NEO反射的太陽輻射流量和自身輻射流量。L/L=A/（1-A）,A為邦德反照率。因為太陽光譜能量的輻射峰值在光學波段,邦德反照率通常假設等于光學波段（約0.56μm）的總邦德反照率A。邦德反照率與更容易測量的光學幾何反照率P有如下關系：

式中,G為相位斜率參數(shù),由NEO表面顆粒的粗糙度、形狀和孔隙率等決定,典型取值范圍為約0.1～0.4。 通常A≤1,所以L∝（1-A）D→D,通過紅外測光能夠直接獲取NEO的直徑。NEOWISE自2013年重啟任務以來,已經測量了超過1850個小行星的直徑,其觀測數(shù)據(jù)已經被用來對小行星的數(shù)量、尺寸和軌道設置約束,用于研究主帶小行星的尺寸和反照率分布,用反照率作為額外的約束來鑒別新的碰撞家族成員。

光譜探測能夠獲取NEO表面的物質成分,不同的物質成分對應不同的分類、密度、結構及其強度,光譜探測對于研究NEO的分布和來源、撞擊危害性,以及在軌處置方案的選擇均有重要意義。由于NEO的暗、弱、小、動的特點,光譜測量困難,目前僅有一小部分測量了光譜。航天器抵近探測和采樣返回是全面刻畫目標特性的重要手段,對于有較大撞擊風險的特定目標,有必要實施這樣的任務,以提高防御技術的針對性。國際上已經實施了多次以科學探測為主的任務,NASA于2021年11月24日發(fā)射的DART,是國際上第一個以評估小行星撞擊和偏轉能力為目標的抵近探測任務,隨后ESA計劃在2024年10月發(fā)射Hera,進一步對撞擊后的小行星Didymos雙星開展全方位探測。

2.3 預警預報

NEO的預警預報能力包括基于觀測的預警巡天能力和基于數(shù)據(jù)庫、軟件和模型的預警能力。NASA針對潛在威脅天體 （PHO）撞擊威脅的監(jiān)測預警流程如圖3所示。

圖3 NASA NEO巡天和預警流程[41]Fig.3 NASA NEO survey and alert process[41]

CSS、ATLAS以及在建的Fly-Eye是專門建造的地基預警巡天系統(tǒng)。俄羅斯正在論證天基預警巡天系統(tǒng)“白天小行星監(jiān)測系統(tǒng)”（SODA）,擬在日地L1軌道部署1～2顆光學衛(wèi)星,對所有從太陽方向過來,無法采取有效防御措施的尺寸大于10m的NEO及時預警,為采取民防措施提供4～10h的預警時間。SODA衛(wèi)星上裝載有2～3臺30cm口徑光學望遠鏡,采用圓錐籬笆掃描技術對太陽方向過來的小行星在數(shù)分鐘之內完成封邊探測,也可以工作在跟蹤探測模式精確測量軌道、質量和速度等特性。SODA衛(wèi)星運行方案如圖4所示。

圖4 SODA衛(wèi)星運行方案Fig.4 SODA satellite operation scheme

在數(shù)據(jù)收集與處理方面,國際天文學聯(lián)合會小行星中心 （MPC）能夠實時獲取和關聯(lián)新的NEO觀測軌跡,發(fā)布新發(fā)現(xiàn)和提供即將到來的近地小行星碰撞事件相關預警。撞擊概率由NASA的NEO計劃的SENTRY系統(tǒng)和歐盟的NEODys系統(tǒng)實時更新。

3 天基近地天體探測技術

3.1 天基監(jiān)測的優(yōu)勢與特點

（1）大氣影響：與地基監(jiān)測相比,天基監(jiān)測不受大氣的影響,能在全波段開展探測;沒有大氣散射和輻射背景,在4～200μm波段制冷的天基望遠鏡的觀測背景比地基望遠鏡低10;沒有大氣“視寧度”（Seeing）對分辨率的影響;也不受天氣的影響。（2）觀測效率和盲區(qū)：在多種因素的綜合影響下,地基望遠鏡有效觀測時間僅為約20%～50%,而天基望遠鏡能夠實現(xiàn)全天時連續(xù)觀測;受在夜空方向觀測以及地球遮擋的影響,地球與太陽之間部分區(qū)域是地基監(jiān)測的盲區(qū),而天基監(jiān)測能夠有效彌補這一盲區(qū)。（3）預警預報：選擇合適的軌道和工作模式,天基監(jiān)測可以對地球白天方向快速覆蓋,能夠對太陽方向過來的NEO及時預警預報,天基監(jiān)測能夠更多地觀測到潛在威脅程度較高的Aten型和Apollo型NEO,以及地球軌道內側的Atira型目標。

天基紅外監(jiān)測比光學監(jiān)測有額外的高靈敏度優(yōu)勢。NEO反照率普遍較低,成雙峰分布,顯著分布的峰值在3%和17%。NEO接收的太陽輻射大部分被吸收并在紅外波段輻射出來,單位輻射能量在紅外波段對應有更多的光子數(shù)。NEO離太陽較近,星下點平均溫度約300K,其在熱紅外波段的輻射流量比可見波段高1～2個量級,如圖5所示。天基紅外監(jiān)測有更暗的星系和恒星背景,更有利于移動目標的檢出。如前所述,紅外多波段測光能夠高精度測量尺寸特性,在有可見光測光數(shù)據(jù)的條件下,還可以進一步獲取反照率。

圖5 NEO光譜能量分布Fig.5 Spectral energy distribution of NEO

3.2 天基監(jiān)測系統(tǒng)任務與方案設計

新一代專用的天基NEO巡天望遠鏡優(yōu)選了遠離地球的軌道,如NEO Surveyor工作在距地球150萬公里的日地L1軌道。早期B612基金會論證的“哨兵”（Sentinel）紅外巡天望遠鏡工作在距地球約0.3AU的類金星軌道。在遠離地球的軌道沒有地球的遮擋,有更大的可視天區(qū),能夠對地球白天方向大范圍覆蓋觀測,如圖6、圖7所示。圖6對比了日地L1軌道NEO Surveyor規(guī)劃的觀測天區(qū) （淺黃色區(qū)域）和近地軌道的 NEOWISE的可視天區(qū) （紅色條帶）。

圖6 NEO Surveyor與WISE/NEOWISE的可視天區(qū)對比Fig.6 The FOR contrast of NEO Surveyor and WISE/NEOWISE

圖7 “哨兵” 可視天區(qū)[45]Fig.7 The FOR of Sentinel[45]

日地L1軌道巡天具有顯著優(yōu)勢,一是望遠鏡能夠對地球白天方向大范圍天區(qū)進行觀測,能夠與地基觀測天區(qū)范圍、發(fā)現(xiàn)目標類型形成互補,大幅提高巡天效能;二是有利于紅外空間望遠鏡工程實施,對太陽一側采用遮陽屏遮擋太陽輻射,能夠實現(xiàn)望遠鏡被動制冷;三是觀測時數(shù)傳天線能夠始終對著地球方向,有利于數(shù)據(jù)傳輸,采用Ka波段通信和NASA的深空網(wǎng),數(shù)傳速率可以達到約150 Mbps。

美國的Shao等在2015年提出了一個由5顆立方星組成的低成本光學巡天星座 （Cubesat-5）方案,工作在類金星軌道。每顆立方星裝載一臺10cm口徑光學望遠鏡,該星座獲得了五倍單星觀測天區(qū)帶來的搜索能力的提升,但是其較小的口徑也限制了小尺寸暗弱目標的發(fā)現(xiàn)能力。國內錢學森實驗室霍卓璽等提出了一種異構的類金星軌道小衛(wèi)星星座,命名為CROWN,其中1顆主星搭載窄視場紅外望遠鏡,用于后隨跟蹤和特性測量,6～8顆子星搭載寬視場光學望遠鏡,用于巡天觀測。該星座具備10m級直徑NEO普查能力,能夠對其中的高價值、高風險目標進行定位、跟蹤觀測、定軌,系統(tǒng)性解決NEO普查問題。類金星軌道光學小衛(wèi)星星座因為較好的觀測幾何,以多星形成較大的天區(qū)覆蓋,在近地小行星日常編目方面具有優(yōu)勢。

類金星軌道巡天因為遠離地球,與日地L1軌道相比數(shù)傳速率下降了900～30000倍。為了解決全幀數(shù)據(jù)難以下傳的問題,需要采用星上處理來提取和識別目標,目前的NEO巡天還無法驗證在低信噪比下基于星上的存儲和處理能夠有效完成所有源的提取的能力。另外星上處理無法采用地面標準的天文數(shù)據(jù)處理技術,無法實施高精度的天體測量校正和光度校正,這大幅減弱了其在探測閾值附近的目標提取能力。經技術和經濟的綜合比較,NASA認為日地L1軌道是紅外巡天的最優(yōu)軌道。

中科院空間中心李明濤等提出了一種定點在地球繞日軌道前方或后方約1000萬公里處 （定義為地球領航軌道或尾隨軌道）以預警巡天為主的系統(tǒng)。在該軌道部署1～2臺1m口徑光學望遠鏡,能夠對地球周圍約0.05AU范圍的直徑20m以上NEO可靠預警,能夠提供比日地L1軌道更強的太陽方向預警能力,該軌道主要的不足是有較大的觀測相位角。上海衛(wèi)星工程研究所、國家天文臺等研究機構提到了一種能夠同時應用于監(jiān)測預警和偏轉處置的日地逆行軌道 （DRO）系統(tǒng)方案,采用至少4顆衛(wèi)星繞地球周期飛行,能夠實現(xiàn)對進入1000萬千米范圍內的20m以上NEO全時全范圍覆蓋,該系統(tǒng)需要大衛(wèi)星多星組網(wǎng),需要集成監(jiān)測和處置兩類載荷,系統(tǒng)復雜度和建設成本相對較高,根據(jù)NEO特點采取針對性處置方案的難度也較大。

綜合來看,對于NEO的發(fā)現(xiàn)、編目和特性測量,日地L1軌道是實施紅外巡天的優(yōu)選軌道。采用多顆光學小衛(wèi)星的類金星軌道巡天系統(tǒng)有較高的巡天效能,但仍需要解決數(shù)傳速率低,實施星上處理帶來的探測能力下降等問題。對于小尺寸NEO的短臨預警,國內外提出了日地L1軌道、地球公轉軌道、日地DRO軌道等多種星座方案,均能夠對白天和太陽方向威脅目標可靠預警,方案的優(yōu)選還需要從天地協(xié)同、巡天效能、技術可行性和經濟性等角度進行綜合權衡。

3.3 天基監(jiān)測系統(tǒng)巡天效能仿真

巡天效能仿真用于評估巡天望遠鏡NEO探測能力和編目能力,是監(jiān)測效能評估的重要手段。望遠鏡的靈敏度或信噪比 （SNR）是決定探測能力的主要因素,一般認為SNR不小于5即能夠以較高的探測率探測到目標。探測能力是實現(xiàn)編目能力的基礎,編目能力主要與巡天的深度（靈敏度）、巡天的寬度 （可視天區(qū)范圍）、巡天的速度和頻度 （取決于巡天策略、視場、積分時間及相鄰視場的切換時間）等有關。巡天效能仿真以信噪比模型為基礎,如NASA的噴推實驗室（JPL）發(fā)展了一個由Python編寫的評價紅外空間望遠鏡巡天效能的仿真工具 （SST）,最早用于分析WISE/NEOWISE的觀測數(shù)據(jù),通過與觀測數(shù)據(jù)的比較,驗證了信噪比模型的準確性。其巡天效能仿真的結果與多個軟件仿真分析結果進行了比較,差異不超過10%。SST仿真分析的輸入為①望遠鏡參數(shù);②NEO的分布模型;③巡天策略。輸出為按每類NEO軌道分布的發(fā)現(xiàn)比例,并能夠根據(jù)探測到的每一個目標的輻射通量、位置和時間進行詳細的特性評估。

SST的信噪比模型表示為：

式中,A為望遠鏡入瞳面積;Q為探測器量子效率;τ為光學系統(tǒng)透過率;E為入瞳光譜流量密度;t為積分時間;Δυ為探測波段的帶寬;υ為探測波段的中心頻率;N為噪聲像元表示的成像質量;I是望遠鏡對黃道輻射的響應;I是望遠鏡對自身熱輻射的響應;I是探測器暗電流;I是雜散光貢獻;R是總的讀出噪聲電子數(shù)。

紅外波段的光譜流量密度由標準熱物理模型（NEATM）或快速旋轉模型 （FRM）生成。為了實現(xiàn)背景限探測,紅外波段探測需要制冷望遠鏡,使其熱輻射流量低于黃道塵埃輻射流量,黃道輻射由三維黃道塵埃模型計算。對于約10μm波段探測,望遠鏡工作溫度需要小于約60K。光學波段探測,天空背景主要來自黃道光,雜散光來自于較小太陽延伸角時的太陽輻射,要求控制望遠鏡雜散光不超過黃道背景水平。

目前的巡天成果為我們建立準確的NEA分布模型奠定了基礎。NEOWISE巡天預測的NEA的總數(shù)以及Aten型、Apollo型和Amor型的比例,與Greenstreet等通過基于動力學模型數(shù)值仿真分析得到的從主帶進入近地空間的NEA數(shù)量相似。Grav等建立了太陽系天體軌道根數(shù)模型,利用該模型采用蒙特卡羅模擬,生成上述三類NEA的軌道分布,并將尺寸和反射率分布的差異反映到了上述三類軌道分布模型中。因為沒有足夠的Atira型觀測數(shù)據(jù),采用了基于動力學來源的模型來生成Atira型的軌道分布。A.Mainzer等基于以上方法對NEO Surveyor紅外望遠鏡分別工作在日地L1軌道和類金星軌道,對直徑140m以上NEA和PHA的編目能力進行了效能仿真,采用自后隨 （self-follow-up）的巡天策略,每個視場重復觀測4次形成一個軌跡,總共獲取3個軌跡來形成約22天的觀測弧段,如圖8所示,圖中實線和虛線分別代表日地L1軌道和類金星軌道巡天,水平虛線分別代表2/3和90%完備性達標線,左圖中紅線和黑線分別代表NEA和PHA。右圖中青色代表Atira型,品紅色代表Aten型,綠色代表Apollo型,藍色代表Amor型。

圖8 由NEATM生成輻射流量的140m以上直徑NEA的編目完備性[23]Fig.8 Integral survey completeness for populations of NEAs larger than 140m in diameter vs.time,with fluxes computed using the NEATM[23]

3.4 天基監(jiān)測望遠鏡關鍵技術

紅外望遠鏡多波段測光能夠滿足NEO的發(fā)現(xiàn)、編目、特性測量和預警預報的多場景任務需求,是天基監(jiān)測的主要手段。北京空間機電研究所“十三五”期間在國內率先開展了應用于系外行星大氣探測的紅外空間望遠鏡技術研究和樣機研制,下面簡要介紹天基監(jiān)測望遠鏡研制涉及的主要關鍵技術。

（1）低背景應用大規(guī)模紅外探測器陣列技術

低背景紅外探測器是實現(xiàn)背景限探測基本保障。約10μm波段的探測器暗電流要求小于約200電子/（像元·秒）,比對地觀測應用低數(shù)個量級。NEO Surveyor望遠鏡兩個紅外通道均采用了美國Teledyne公司研制的2k×2k規(guī)模碲鎘汞（HgCdTe）探測器陣列,并通過可拼接封裝結構實現(xiàn)了1×4機械拼接,實現(xiàn)了約14.4平方度的大視場成像。其應用在詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）上的截止波長約5μm的探測器,在37～46K工作溫度有較好的性能,能夠直接應用于NEO Surveyor項目。2010年其針對NEO Surveyor的需求開始研制截止波長10μm的長波探測器,到2015年研制成功了2k×2k規(guī)模的探測器陣列,在約40K工作時,暗電流達到了0.3電子/（像元·秒）,通過被動制冷方式即能滿足降溫需求。

（2）低溫電子學技術

低溫電子學是紅外空間望遠鏡低噪聲、低功耗的重要保證。將實現(xiàn)探測器信號放大、模數(shù)轉換和探測器驅動等的前端電路以專用集成電路 （ASIC）的形式就近放置在探測器附近,工作在低溫溫區(qū),其它處理數(shù)字信號的電路均位于常溫溫區(qū)。基于ASIC的低溫電子學技術實現(xiàn)了敏感模擬信號的就近數(shù)字化,保證了信號的質量,同時ASIC片上系統(tǒng)大幅減小了電路的功耗、重量和體積,能夠在低溫下高穩(wěn)定工作,有較小的漏熱,滿足探測器被動制冷和高穩(wěn)定性工作的需要。Teledyne為其低背景應用探測器及HAWAII系列讀出電路開發(fā)的SIDECAR ASIC,已經在多個空間和地基望遠鏡任務中得到了應用。

（3）深低溫制冷技術

為了實現(xiàn)望遠鏡60K以下、探測器40K以下工作溫度,需要采用主被動結合的深低溫制冷技術。工作在日地平動點軌道的望遠鏡,采用被動制冷為主、主動制冷為補充的制冷方案具有長壽命高可靠的特點。工作在地球共軌尾隨軌道的Spitzer空間望遠鏡在超流氦工質耗盡后,通過被動輻射制冷,望遠鏡和探測器達到了29K的平衡溫度,驗證了在遠離地球軌道的被動制冷能力。美歐近期發(fā)射和正在研制的JWST、ARIEL和NEO Surveyor等紅外空間望遠鏡均采用了該制冷方案。

（4）低溫光學技術

因工作溫度的大幅下降,給紅外空間望遠鏡像質保證帶來了一系列難題,如材料低溫物性變化、光學幾何參數(shù)變化、光學零件面型變化、低溫熱穩(wěn)定性、低溫污染等問題。低溫光學設計需要遵循無熱化設計、運動學支撐、非調整原則,以實現(xiàn)低溫下的熱卸載和穩(wěn)定性。開展光機熱集成分析是預測和分析低溫環(huán)境下光學性能變化的重要手段。低溫下的像質和系統(tǒng)性能測試,需要低溫真空測試設備的支持,如需要有模擬深空環(huán)境的氦流程系統(tǒng)和氦艙,需要能夠在低溫環(huán)境下工作的平行光管或模擬光路、光源和測試設備等。紅外空間望遠鏡需要開展全壽命周期定量化污染控制,需要建立標準的污染控制流程。

4 結語

近地天體撞擊威脅是人類面臨的共同挑戰(zhàn),行星防御是人類的共同責任。監(jiān)測預警是行星防御的前提和基礎,目前國際上已經建成了分布廣泛的地基監(jiān)測網(wǎng)絡,正在努力實現(xiàn)140m以上NEO的完備性編目,加快預警巡天系統(tǒng)建設,提升小尺寸NEO短臨預警能力,天基監(jiān)測系統(tǒng)能夠大幅提升NEO的編目、短臨預警和特性測量綜合能力,彌補地基監(jiān)測盲區(qū),天地協(xié)同的監(jiān)測體系是下一階段建設的重點。長期以來,美國引領了近地天體地基和天基監(jiān)測預警技術的發(fā)展,我國在該領域起步晚,貢獻度較低,需要急起直追。建設我國的天基監(jiān)測系統(tǒng),將能夠快速提升我國NEO探測國際貢獻度,大幅推動我國以低背景應用大規(guī)模紅外探測器陣列技術、低溫電子學技術、深低溫制冷技術和低溫光學技術為代表的深低溫紅外空間望遠鏡技術的發(fā)展,縮小該技術領域與美歐長期存在的差距,這對于中國航天是挑戰(zhàn),更是機遇。