天基近地天体探测技术与实践

阮宁娟,刘志敏,郑永超,4*

（1.北京空间机电研究所,北京 100094;2.先进光学遥感技术北京市重点实验室,北京 100094;3.北京市航空智能遥感装备工程技术研究中心,北京 100015;4.中国空间技术研究院空间激光信息感知技术核心专业实验室,北京 100094）

1 引言

近地天体 （NEO）是指近日距≤1.3AU的小天体,包含近地小行星 （NEA）和近地彗星（NEC）,其中大约90%以上是近地小行星。近地小行星按照它们的近日距 （q）、远日距 （Q）和半长轴 （a）可以分为四类,如图1所示。Amor型完全处于地球轨道外侧,Apollo型和Aten型穿越地球轨道,Atira型完全处于地球轨道内侧。国际上将与地球轨道最小交汇距离 （MOID）不大于0.05AU、绝对星等H≤22等 （相当于直径大于140m）的小行星定义为潜在威胁小行星（PHA）,PHA主要来源于与地球轨道交会的A-pollo型和Aten型小行星。

图1 NEA轨道分布[6]Fig.1 Near-Earth asteroids orbit classification

对NEO的探测具有重要的科学价值。NEO与太阳系同时形成,是构建太阳系大行星后剩余的“砖瓦材料”,保存了太阳星云的初始状态、星云演化过程以及行星的生长过程等信息。对NEO的探测在研究太阳系和小行星的起源与演化、地球生命的起源、太空资源开发利用等方面具有重要意义。

对NEO的探测具有重要的现实意义。NEO撞击地球对人类生存和发展构成了重大威胁。6500万年前一颗直径约10km的小行星撞击在墨西哥尤卡坦半岛,形成直径约198km的陨石坑,造成了包括恐龙在内的约75%的生物灭绝。1908年“通古斯大爆炸”事件,一颗直径约30～50m的小行星在俄罗斯西伯利亚埃文基自治区通古斯河上空发生爆炸,威力相当于1945年广岛原子弹的1000倍,造成2000km的8000万颗树被焚毁。2013年“车里雅宾斯克事件”,一颗直径15～20m的小行星在俄罗斯车里雅宾斯克地区上空爆炸,威力相当于广岛原子弹的30倍,造成1500余人受伤,1000多间房屋受损。NEO撞击能量与其直径的三次方成正比,直径1km以上的撞击能够造成全球级甚至大规模灭绝级灾难,直径140m以上的撞击能够造成中等以上国家区域级灾难,直径30～50m的撞击能够造成类似于通古斯事件的地方规模的危害,直径10m级的撞击仍具有一定的危害性。

国际上应对NEO撞击威胁的措施称为“行星防御” （Planetary Defense）,主要包含监测预警和应对处置两个方面。监测预警为行星防御提供基础数据和态势感知能力,NEO探测技术是监测预警的基础和关键,是需要先行发展的技术领域。

光学和红外测光是NEO巡天发现的主要手段。望远镜按照规划的巡天策略 （Survey Cadence）扫描可视天区,通过对同一视场多次重复观测 （一般3～4次）,从恒星背景中检出暗弱移动目标,再通过后随观测获取多个轨迹 （一般不小于3个）,以证认新发现和编目。持续的跟踪观测可以逐步提高轨道确定精度。行星雷达通过多普勒效应测量目标的距离和运动速度,能够将定轨精度提高数个量级,但是雷达探测距离有限,通常只有几个地月距离,主要用于对高风险目标近距离飞越时的高精度探测。

NEO的物理特性测量为撞击风险评估和应对处置方案选择提供基础数据。光学和红外测光可以获取目标的直径。光变曲线能够反演目标的形状、自转周期、自转轴指向等。多波段测光能够得到目标的光谱类型,从而能够依据分类估算其密度。对小天体的光谱观测可以推断其表面物质组成,更精细研究其光谱分类。雷达成像能够达到仅次于航天器抵近探测的空间分辨率,能够高精度测量目标的尺寸、三维形状和表面特性等信息。航天器抵近探测能够对特定的高风险目标或感兴趣目标进行全面的特性测量和科学研究,是远距离监测的重要补充。

2 近地天体探测技术发展现状

2.1 巡天发现

CNEOS网站发布的历年NEA巡天发现数据如图2所示,截至2022年2月21日,国际上NEA累计编目28283颗,其中直径1km以上888颗,140m以上10005颗,PHA有2262颗。根据NEA尺寸频数分布模型估计,1km以上发现数量已经接近完备,140m以上发现数量接近40%,而30～50m发现数量不足3%。

图2 巡天发现的近地小行星Fig.2 Near-Earth asteroid discovered by survey

美国从20世纪80年代起陆续启动了多个NEO巡天计划,是国际上NEO巡天的主力,其观测设备和技术水平遥遥领先,提供了国际上绝大多数编目数据,比较著名的NEO巡天计划有：林肯近地小行星巡查 （LINEAR）、Catalina巡天（CSS）、泛星计划 （Pan-STARRS）、小行星地面撞击预警系统 （ATLAS）等。表1列出了国际上主要地基光学巡天设备的技术参数,其技术特点归纳如下：

表1 国际上主要地基NEO巡天项目Table 1 The main international ground-based NEO survey projects

（1）大口径与大视场的结合是提高望远镜巡天发现和编目能力的关键。大口径决定了巡天的深度 （高灵敏度、高极限探测能力）,决定了远距离探测发现目标的能力,大视场提高了巡天的效率,能够更快速地发现目标。LINEAR是较早的NEO巡天项目,其利用1m口径望远镜和快速巡天的能力,发现了超过1/3的1km以上NEO。CSS主要任务是发现140m以上NEO,由三台望远镜组成,既能利用1.5m口径望远镜远距离发现目标,又能利用0.7m口径大视场望远镜高频巡天,实现了巡天深度、宽度和频度较好的结合,CSS发现了将近一半的NEO。Pan-STARRS目前运行了两台口径1.8m的望远镜,受益于较高的巡天深度,其近地小行星发现量国际排名第二。建设中的Rubin天文台时空遗迹巡天望远镜LSST将太阳系天体编目作为其科学目标之一,其实现了巡天的深度和频度的结合,望远镜口径8.4m（有效口径6.7m）,9.62平方度视场,探测器像素规模达到了32亿,由189块4k×4k CCD拼接而成。根据巡天效能仿真结果,其单台设备的发现能力与现有设备加在一起的总和相当,在其2023年工作后的10年时间内能够发现62%的PHA。

（2）优化的巡天策略能够提高巡天效率和发现数量。如CSS利用其成套设备优势,利用其1m口径的专用后随望远镜,及时跟踪发现目标,避免“丢失”,使巡天望远镜的巡天时间增加了10%～20%。CSS还利用自主开发的数据处理软件,开展天区规划、观测计划和后随跟踪计划制定等巡天策略的优化工作,大幅提高了巡天效率。LSST采用了对同一天区重复观测两次的巡天策略,与现有观测3～4次的策略不同,对复杂背景下的目标检出和图像关联提出了较大挑战,该巡天策略一旦被验证成功,将能够极大提高巡天效率。

（3）中小口径超大视场巡天系统在小尺寸NEO临近预警方面优势显著。CSS利用其0.7m口径、19.4平方度视场巡天望远镜,实现了高频巡天,在临近预警方面发挥了实际作用,2008TC3、2014AA、2018LA三颗近地小行星在撞击地球前,只有CSS提供了及时预警。ATLAS主要任务是监测进入地球附近150万千米,直径大于30m的危险小行星,目前运行的三台0.5m口径光学望远镜,具备28.9平方度视场,三台设备配合能够24h小时完成整个夜空的监测。由ESA支持的在建宽视场快速扫描巡天计划“复眼”（Fly-Eye）,其任务是小尺寸NEO临近预警,对30～50m的目标提供至少一周的预警时间,1.1m口径的Fly-Eye望远镜采用光学视场分割方法将图像分布到16个子像面,实现100%的填充因子,每个子像面对应一片独立的CCD探测器,实现了44.9平方度超大视场,如此大的视场900次曝光就能覆盖整个天区,能够实现极高频度巡天。

我国目前仅有的一台于2006年建成的专用设备“近地天体望远镜” （CNEOST）,位于紫金山天文台盱眙观测站。望远镜是口径1.04m的施密特系统,配置了4k×4k漂移扫描CCD探测器,视场9平方度,发现了30余颗近地小行星。我国吉林站的1.2m口径望远镜可兼用于NEO探测,与盱眙站望远镜一起加入了国际小行星预警网（IWAN）。

作为地基观测系统能力的有效补充,NASA主导开展了利用空间望远镜的天基天文观测,目前针对NEO实施的天基观测任务有NASA的NEOWISE和NEO Surveyor巡天任务以及加拿大的NEOSSat任务。

WISE巡天望远镜于2009年12月14日发射,工作在525km的太阳同步轨道,采用单一指向深空的巡天模式,6个月能够完成全天区覆盖。望远镜口径0.4m,视场47′,利用4个红外波段 （3.4、4.6、12、22μm对应命名为W1、W2、W3、W4）开展巡天,W1、W2波段采用了1k×1k HgCdTe探测器,工作在30～34K;W3、W4波段采用了1k×1k Si：As探测器,工作温度为7.8±0.05K。望远镜工作在17K,采用二级固氢制冷。在其四个波段同时工作的主任务阶段,探测了超过158000颗小行星,新发现135颗NEO。在其制冷工质耗尽后,2013年12月21日起开始利用W1、W2两个波段执行命名为NEOWISE的NEO巡天任务,目标是发现NEO并测量其直径和反照率,目前仍在轨运行。

建设中的NEO Surveyor是NASA专门用于NEO巡天的红外空间望远镜,计划于2026年发射。其主要任务目标是5年内发现2/3的直径不小于140m的PHA（10年超过90%）并生成所有探测目标的直径,在有光学测光数据时计算反照率。工作在日地L1轨道,口径0.5m,通过分色片分成两个红外波段4～5.2μm、6～10μm,视场达到约12.7平方度,焦面采用2k×2k HgCdTe探测器1×4拼接,被动制冷到40K以下。NEO Surveyor上天后将与地基LSST联合,加速国会授权NASA完成90%以上直径大于140m NEO的编目任务的完成。

NEOSSat是加拿大2013年发射的一颗执行空间目标监视和近地小行星监测两项任务的微小卫星,目标是发现Aten型和Atira型小行星。工作在约800km的太阳同步轨道,搭载了一台口径0.15m的Maksutov系统光学望远镜,通过卫星指向来实现东西两侧天区 （太阳延伸角±45°～±55°,黄纬方向±40°）扫描,由于其较小的观测天区,无法开展大范围的巡天。

2.2 特性测量

目前大部分NEO的直径是通过光学测光获取的绝对星等H估算的,只有少部分由红外测光或雷达精确测量了直径。光学测光估算NEO直径的公式如下：

式中,D为NEO的直径,单位为km,P为V波段几何反照率。光学测光获取的直径与反照率相关,由绝对星等计算直径时,假设P为0.14,而实际NEO的反照率分布较宽,从小于0.02到大于0.50,这就使得光学测光估算的直径有约5倍的误差。

红外测光采用热物理模型来反演包含直径在内的多项物理参数,如标准热物理模型 （STM）和快速自转模型 （FRM）,近地小行星热物理模型 （NEATM）针对近地小行星的物理特性进行了改进。基于NEATM反演的小行星直径采用雷达、航天器抵近探测等方法进行了验证,结果表明只要采用至少两个热红外波段对小行星的光变曲线进行充分采样,有较好的信噪比及由轨道获取的精确的探测距离,直径测量精度能够优于±10%。在此基础上如果有高精度的绝对星等,能够将反照率的精度限定到 ±20%范围内。由热物理模型估算NEO直径的原理如下,对无大气的球体热平衡方程为：

式中,A是NEO的投影面积,S是入射到NEO表面的太阳辐射照度,L和L分别是NEO反射的太阳辐射流量和自身辐射流量。L/L=A/（1-A）,A为邦德反照率。因为太阳光谱能量的辐射峰值在光学波段,邦德反照率通常假设等于光学波段（约0.56μm）的总邦德反照率A。邦德反照率与更容易测量的光学几何反照率P有如下关系：

式中,G为相位斜率参数,由NEO表面颗粒的粗糙度、形状和孔隙率等决定,典型取值范围为约0.1～0.4。 通常A≤1,所以L∝（1-A）D→D,通过红外测光能够直接获取NEO的直径。NEOWISE自2013年重启任务以来,已经测量了超过1850个小行星的直径,其观测数据已经被用来对小行星的数量、尺寸和轨道设置约束,用于研究主带小行星的尺寸和反照率分布,用反照率作为额外的约束来鉴别新的碰撞家族成员。

光谱探测能够获取NEO表面的物质成分,不同的物质成分对应不同的分类、密度、结构及其强度,光谱探测对于研究NEO的分布和来源、撞击危害性,以及在轨处置方案的选择均有重要意义。由于NEO的暗、弱、小、动的特点,光谱测量困难,目前仅有一小部分测量了光谱。航天器抵近探测和采样返回是全面刻画目标特性的重要手段,对于有较大撞击风险的特定目标,有必要实施这样的任务,以提高防御技术的针对性。国际上已经实施了多次以科学探测为主的任务,NASA于2021年11月24日发射的DART,是国际上第一个以评估小行星撞击和偏转能力为目标的抵近探测任务,随后ESA计划在2024年10月发射Hera,进一步对撞击后的小行星Didymos双星开展全方位探测。

2.3 预警预报

NEO的预警预报能力包括基于观测的预警巡天能力和基于数据库、软件和模型的预警能力。NASA针对潜在威胁天体 （PHO）撞击威胁的监测预警流程如图3所示。

图3 NASA NEO巡天和预警流程[41]Fig.3 NASA NEO survey and alert process[41]

CSS、ATLAS以及在建的Fly-Eye是专门建造的地基预警巡天系统。俄罗斯正在论证天基预警巡天系统“白天小行星监测系统”（SODA）,拟在日地L1轨道部署1～2颗光学卫星,对所有从太阳方向过来,无法采取有效防御措施的尺寸大于10m的NEO及时预警,为采取民防措施提供4～10h的预警时间。SODA卫星上装载有2～3台30cm口径光学望远镜,采用圆锥篱笆扫描技术对太阳方向过来的小行星在数分钟之内完成封边探测,也可以工作在跟踪探测模式精确测量轨道、质量和速度等特性。SODA卫星运行方案如图4所示。

图4 SODA卫星运行方案Fig.4 SODA satellite operation scheme

在数据收集与处理方面,国际天文学联合会小行星中心 （MPC）能够实时获取和关联新的NEO观测轨迹,发布新发现和提供即将到来的近地小行星碰撞事件相关预警。撞击概率由NASA的NEO计划的SENTRY系统和欧盟的NEODys系统实时更新。

3 天基近地天体探测技术

3.1 天基监测的优势与特点

（1）大气影响：与地基监测相比,天基监测不受大气的影响,能在全波段开展探测;没有大气散射和辐射背景,在4～200μm波段制冷的天基望远镜的观测背景比地基望远镜低10;没有大气“视宁度”（Seeing）对分辨率的影响;也不受天气的影响。（2）观测效率和盲区：在多种因素的综合影响下,地基望远镜有效观测时间仅为约20%～50%,而天基望远镜能够实现全天时连续观测;受在夜空方向观测以及地球遮挡的影响,地球与太阳之间部分区域是地基监测的盲区,而天基监测能够有效弥补这一盲区。（3）预警预报：选择合适的轨道和工作模式,天基监测可以对地球白天方向快速覆盖,能够对太阳方向过来的NEO及时预警预报,天基监测能够更多地观测到潜在威胁程度较高的Aten型和Apollo型NEO,以及地球轨道内侧的Atira型目标。

天基红外监测比光学监测有额外的高灵敏度优势。NEO反照率普遍较低,成双峰分布,显著分布的峰值在3%和17%。NEO接收的太阳辐射大部分被吸收并在红外波段辐射出来,单位辐射能量在红外波段对应有更多的光子数。NEO离太阳较近,星下点平均温度约300K,其在热红外波段的辐射流量比可见波段高1～2个量级,如图5所示。天基红外监测有更暗的星系和恒星背景,更有利于移动目标的检出。如前所述,红外多波段测光能够高精度测量尺寸特性,在有可见光测光数据的条件下,还可以进一步获取反照率。

图5 NEO光谱能量分布Fig.5 Spectral energy distribution of NEO

3.2 天基监测系统任务与方案设计

新一代专用的天基NEO巡天望远镜优选了远离地球的轨道,如NEO Surveyor工作在距地球150万公里的日地L1轨道。早期B612基金会论证的“哨兵”（Sentinel）红外巡天望远镜工作在距地球约0.3AU的类金星轨道。在远离地球的轨道没有地球的遮挡,有更大的可视天区,能够对地球白天方向大范围覆盖观测,如图6、图7所示。图6对比了日地L1轨道NEO Surveyor规划的观测天区 （浅黄色区域）和近地轨道的 NEOWISE的可视天区 （红色条带）。

图6 NEO Surveyor与WISE/NEOWISE的可视天区对比Fig.6 The FOR contrast of NEO Surveyor and WISE/NEOWISE

图7 “哨兵” 可视天区[45]Fig.7 The FOR of Sentinel[45]

日地L1轨道巡天具有显著优势,一是望远镜能够对地球白天方向大范围天区进行观测,能够与地基观测天区范围、发现目标类型形成互补,大幅提高巡天效能;二是有利于红外空间望远镜工程实施,对太阳一侧采用遮阳屏遮挡太阳辐射,能够实现望远镜被动制冷;三是观测时数传天线能够始终对着地球方向,有利于数据传输,采用Ka波段通信和NASA的深空网,数传速率可以达到约150 Mbps。

美国的Shao等在2015年提出了一个由5颗立方星组成的低成本光学巡天星座 （Cubesat-5）方案,工作在类金星轨道。每颗立方星装载一台10cm口径光学望远镜,该星座获得了五倍单星观测天区带来的搜索能力的提升,但是其较小的口径也限制了小尺寸暗弱目标的发现能力。国内钱学森实验室霍卓玺等提出了一种异构的类金星轨道小卫星星座,命名为CROWN,其中1颗主星搭载窄视场红外望远镜,用于后随跟踪和特性测量,6～8颗子星搭载宽视场光学望远镜,用于巡天观测。该星座具备10m级直径NEO普查能力,能够对其中的高价值、高风险目标进行定位、跟踪观测、定轨,系统性解决NEO普查问题。类金星轨道光学小卫星星座因为较好的观测几何,以多星形成较大的天区覆盖,在近地小行星日常编目方面具有优势。

类金星轨道巡天因为远离地球,与日地L1轨道相比数传速率下降了900～30000倍。为了解决全帧数据难以下传的问题,需要采用星上处理来提取和识别目标,目前的NEO巡天还无法验证在低信噪比下基于星上的存储和处理能够有效完成所有源的提取的能力。另外星上处理无法采用地面标准的天文数据处理技术,无法实施高精度的天体测量校正和光度校正,这大幅减弱了其在探测阈值附近的目标提取能力。经技术和经济的综合比较,NASA认为日地L1轨道是红外巡天的最优轨道。

中科院空间中心李明涛等提出了一种定点在地球绕日轨道前方或后方约1000万公里处 （定义为地球领航轨道或尾随轨道）以预警巡天为主的系统。在该轨道部署1～2台1m口径光学望远镜,能够对地球周围约0.05AU范围的直径20m以上NEO可靠预警,能够提供比日地L1轨道更强的太阳方向预警能力,该轨道主要的不足是有较大的观测相位角。上海卫星工程研究所、国家天文台等研究机构提到了一种能够同时应用于监测预警和偏转处置的日地逆行轨道 （DRO）系统方案,采用至少4颗卫星绕地球周期飞行,能够实现对进入1000万千米范围内的20m以上NEO全时全范围覆盖,该系统需要大卫星多星组网,需要集成监测和处置两类载荷,系统复杂度和建设成本相对较高,根据NEO特点采取针对性处置方案的难度也较大。

综合来看,对于NEO的发现、编目和特性测量,日地L1轨道是实施红外巡天的优选轨道。采用多颗光学小卫星的类金星轨道巡天系统有较高的巡天效能,但仍需要解决数传速率低,实施星上处理带来的探测能力下降等问题。对于小尺寸NEO的短临预警,国内外提出了日地L1轨道、地球公转轨道、日地DRO轨道等多种星座方案,均能够对白天和太阳方向威胁目标可靠预警,方案的优选还需要从天地协同、巡天效能、技术可行性和经济性等角度进行综合权衡。

3.3 天基监测系统巡天效能仿真

巡天效能仿真用于评估巡天望远镜NEO探测能力和编目能力,是监测效能评估的重要手段。望远镜的灵敏度或信噪比 （SNR）是决定探测能力的主要因素,一般认为SNR不小于5即能够以较高的探测率探测到目标。探测能力是实现编目能力的基础,编目能力主要与巡天的深度（灵敏度）、巡天的宽度 （可视天区范围）、巡天的速度和频度 （取决于巡天策略、视场、积分时间及相邻视场的切换时间）等有关。巡天效能仿真以信噪比模型为基础,如NASA的喷推实验室（JPL）发展了一个由Python编写的评价红外空间望远镜巡天效能的仿真工具 （SST）,最早用于分析WISE/NEOWISE的观测数据,通过与观测数据的比较,验证了信噪比模型的准确性。其巡天效能仿真的结果与多个软件仿真分析结果进行了比较,差异不超过10%。SST仿真分析的输入为①望远镜参数;②NEO的分布模型;③巡天策略。输出为按每类NEO轨道分布的发现比例,并能够根据探测到的每一个目标的辐射通量、位置和时间进行详细的特性评估。

SST的信噪比模型表示为：

式中,A为望远镜入瞳面积;Q为探测器量子效率;τ为光学系统透过率;E为入瞳光谱流量密度;t为积分时间;Δυ为探测波段的带宽;υ为探测波段的中心频率;N为噪声像元表示的成像质量;I是望远镜对黄道辐射的响应;I是望远镜对自身热辐射的响应;I是探测器暗电流;I是杂散光贡献;R是总的读出噪声电子数。

红外波段的光谱流量密度由标准热物理模型（NEATM）或快速旋转模型 （FRM）生成。为了实现背景限探测,红外波段探测需要制冷望远镜,使其热辐射流量低于黄道尘埃辐射流量,黄道辐射由三维黄道尘埃模型计算。对于约10μm波段探测,望远镜工作温度需要小于约60K。光学波段探测,天空背景主要来自黄道光,杂散光来自于较小太阳延伸角时的太阳辐射,要求控制望远镜杂散光不超过黄道背景水平。

目前的巡天成果为我们建立准确的NEA分布模型奠定了基础。NEOWISE巡天预测的NEA的总数以及Aten型、Apollo型和Amor型的比例,与Greenstreet等通过基于动力学模型数值仿真分析得到的从主带进入近地空间的NEA数量相似。Grav等建立了太阳系天体轨道根数模型,利用该模型采用蒙特卡罗模拟,生成上述三类NEA的轨道分布,并将尺寸和反射率分布的差异反映到了上述三类轨道分布模型中。因为没有足够的Atira型观测数据,采用了基于动力学来源的模型来生成Atira型的轨道分布。A.Mainzer等基于以上方法对NEO Surveyor红外望远镜分别工作在日地L1轨道和类金星轨道,对直径140m以上NEA和PHA的编目能力进行了效能仿真,采用自后随 （self-follow-up）的巡天策略,每个视场重复观测4次形成一个轨迹,总共获取3个轨迹来形成约22天的观测弧段,如图8所示,图中实线和虚线分别代表日地L1轨道和类金星轨道巡天,水平虚线分别代表2/3和90%完备性达标线,左图中红线和黑线分别代表NEA和PHA。右图中青色代表Atira型,品红色代表Aten型,绿色代表Apollo型,蓝色代表Amor型。

图8 由NEATM生成辐射流量的140m以上直径NEA的编目完备性[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 天基监测望远镜关键技术

红外望远镜多波段测光能够满足NEO的发现、编目、特性测量和预警预报的多场景任务需求,是天基监测的主要手段。北京空间机电研究所“十三五”期间在国内率先开展了应用于系外行星大气探测的红外空间望远镜技术研究和样机研制,下面简要介绍天基监测望远镜研制涉及的主要关键技术。

（1）低背景应用大规模红外探测器阵列技术

低背景红外探测器是实现背景限探测基本保障。约10μm波段的探测器暗电流要求小于约200电子/（像元·秒）,比对地观测应用低数个量级。NEO Surveyor望远镜两个红外通道均采用了美国Teledyne公司研制的2k×2k规模碲镉汞（HgCdTe）探测器阵列,并通过可拼接封装结构实现了1×4机械拼接,实现了约14.4平方度的大视场成像。其应用在詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）上的截止波长约5μm的探测器,在37～46K工作温度有较好的性能,能够直接应用于NEO Surveyor项目。2010年其针对NEO Surveyor的需求开始研制截止波长10μm的长波探测器,到2015年研制成功了2k×2k规模的探测器阵列,在约40K工作时,暗电流达到了0.3电子/（像元·秒）,通过被动制冷方式即能满足降温需求。

（2）低温电子学技术

低温电子学是红外空间望远镜低噪声、低功耗的重要保证。将实现探测器信号放大、模数转换和探测器驱动等的前端电路以专用集成电路 （ASIC）的形式就近放置在探测器附近,工作在低温温区,其它处理数字信号的电路均位于常温温区。基于ASIC的低温电子学技术实现了敏感模拟信号的就近数字化,保证了信号的质量,同时ASIC片上系统大幅减小了电路的功耗、重量和体积,能够在低温下高稳定工作,有较小的漏热,满足探测器被动制冷和高稳定性工作的需要。Teledyne为其低背景应用探测器及HAWAII系列读出电路开发的SIDECAR ASIC,已经在多个空间和地基望远镜任务中得到了应用。

（3）深低温制冷技术

为了实现望远镜60K以下、探测器40K以下工作温度,需要采用主被动结合的深低温制冷技术。工作在日地平动点轨道的望远镜,采用被动制冷为主、主动制冷为补充的制冷方案具有长寿命高可靠的特点。工作在地球共轨尾随轨道的Spitzer空间望远镜在超流氦工质耗尽后,通过被动辐射制冷,望远镜和探测器达到了29K的平衡温度,验证了在远离地球轨道的被动制冷能力。美欧近期发射和正在研制的JWST、ARIEL和NEO Surveyor等红外空间望远镜均采用了该制冷方案。

（4）低温光学技术

因工作温度的大幅下降,给红外空间望远镜像质保证带来了一系列难题,如材料低温物性变化、光学几何参数变化、光学零件面型变化、低温热稳定性、低温污染等问题。低温光学设计需要遵循无热化设计、运动学支撑、非调整原则,以实现低温下的热卸载和稳定性。开展光机热集成分析是预测和分析低温环境下光学性能变化的重要手段。低温下的像质和系统性能测试,需要低温真空测试设备的支持,如需要有模拟深空环境的氦流程系统和氦舱,需要能够在低温环境下工作的平行光管或模拟光路、光源和测试设备等。红外空间望远镜需要开展全寿命周期定量化污染控制,需要建立标准的污染控制流程。

4 结语

近地天体撞击威胁是人类面临的共同挑战,行星防御是人类的共同责任。监测预警是行星防御的前提和基础,目前国际上已经建成了分布广泛的地基监测网络,正在努力实现140m以上NEO的完备性编目,加快预警巡天系统建设,提升小尺寸NEO短临预警能力,天基监测系统能够大幅提升NEO的编目、短临预警和特性测量综合能力,弥补地基监测盲区,天地协同的监测体系是下一阶段建设的重点。长期以来,美国引领了近地天体地基和天基监测预警技术的发展,我国在该领域起步晚,贡献度较低,需要急起直追。建设我国的天基监测系统,将能够快速提升我国NEO探测国际贡献度,大幅推动我国以低背景应用大规模红外探测器阵列技术、低温电子学技术、深低温制冷技术和低温光学技术为代表的深低温红外空间望远镜技术的发展,缩小该技术领域与美欧长期存在的差距,这对于中国航天是挑战,更是机遇。