徐智堅(jiān) 肖焱山 李 彬 趙海斌

（1 三峽大學(xué)理學(xué)院 宜昌 443002）

（2 中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)行星科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210023）

（3 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院合肥230026）（4 中國科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心 合肥 230026）

1 引言

火流星是指小尺寸近地小天體進(jìn)入大氣層后與大氣劇烈摩擦發(fā)生燒蝕、空爆、裂解, 并伴隨發(fā)熱發(fā)光的現(xiàn)象, 部分火流星未完全燒蝕可隕落到地表成為隕石. 火流星不僅能通過空爆、撞擊對(duì)人類活動(dòng)區(qū)域構(gòu)成直接威脅, 對(duì)在軌航天器的安全運(yùn)行也構(gòu)成現(xiàn)實(shí)性威脅, 如國際空間站（International Space Station, ISS）、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope, HST）、韋布太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope, JWST）都遭遇過流星體撞擊.

近地小天體隨著直徑的減小數(shù)量呈冪律增長,直徑10 m以上的數(shù)量約108顆, 直徑3 m以上的數(shù)量約109顆. 較大尺寸的近地小天體可以通過天文望遠(yuǎn)鏡開展巡天觀測(cè)來進(jìn)行搜索和監(jiān)測(cè), 而小尺寸的近地小天體通常很難被望遠(yuǎn)鏡提前發(fā)現(xiàn), 難以了解其軌道特性、隕落地點(diǎn)、撞擊危害等關(guān)鍵信息, 監(jiān)測(cè)近地小天體進(jìn)入地球大氣層后的火流星事件是解決此問題的唯一途徑.

全球每年監(jiān)測(cè)到約4000次直徑10 m以下的近地小天體撞擊引發(fā)的火流星事件. 為實(shí)現(xiàn)對(duì)近地小行星及火流星的有效監(jiān)測(cè)、精確定軌并及時(shí)做出落點(diǎn)預(yù)判, 許多國家和地區(qū)大力發(fā)展和研究觀測(cè)技術(shù), 在過去的十年中視頻監(jiān)控技術(shù)與多站點(diǎn)組網(wǎng)已成為目前最主要的觀測(cè)技術(shù)與手段. 同時(shí), 基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立火流星數(shù)據(jù)庫, 可為完善近地小行星數(shù)密度分布模型[1]、研究母體及來源[2]提供數(shù)據(jù)支撐.

1.1 小尺寸近地天體撞擊威脅

小行星撞擊持續(xù)發(fā)生. 6500萬年以前一顆直徑超過10 km的小行星撞擊墨西哥灣希克蘇魯伯可能是導(dǎo)致恐龍滅絕的主因[3]. 1908年西伯利亞通古斯地區(qū), 一顆40 m直徑近地小行星空爆導(dǎo)致2150 km2范圍內(nèi)的樹木被摧毀[4]. 2013年2月15日俄羅斯車?yán)镅刨e斯克一顆直徑約17 m的近地小行星進(jìn)入大氣層, 空爆導(dǎo)致1500多人受傷及7000多座建筑受損[5]. 在我國, 一顆直徑4.2–9.4 m的小行星以低仰角進(jìn)入大氣層后分裂隕落到地表形成世界最大隕石散落帶–阿勒泰鐵隕石隕落帶[6]. 1976年3月8日吉林市北郊一顆小行星在離地表19 km處發(fā)生空爆, 主體裂解后隕落在近500 km2范圍內(nèi)形成隕石雨. 2017至2022年, 我國云南香格里拉、云南西雙版納、吉林松原、青海玉樹、河南駐馬店及甘肅龍德接連發(fā)生超級(jí)火流星事件, 并有隕石墜落.其中2020年12月23日青海玉樹一顆直徑約6.5 m的小行星引發(fā)了火流星事件, 空爆產(chǎn)生9.5 kt TNT（Trinitrotoluene）當(dāng)量的能量, 成為我國近年來最大的一次火流星事件[7].

火流星事件隨機(jī)出現(xiàn), 目前主要依靠目擊者描述、安防監(jiān)控、行車記錄儀等被動(dòng)途徑獲得信息,缺乏主動(dòng)開展的系統(tǒng)性監(jiān)測(cè). 一方面, 監(jiān)測(cè)缺乏使得針對(duì)火流星事件的流星體軌跡參數(shù)的解算、軌道和母體溯源、進(jìn)入大氣層前物理特性反演、隕落區(qū)的計(jì)算等問題變得困難; 另一方面, 由于目前發(fā)現(xiàn)的10 m級(jí)近地小行星數(shù)量不及理論預(yù)測(cè)的0.1%[8], 樣本數(shù)少且存在系統(tǒng)偏差, 從而導(dǎo)致了近地小行星尺頻分布在小尺寸端存在很大的不確定度, 對(duì)于米級(jí)大小的數(shù)量估計(jì)偏差可達(dá)5倍[9]. 因此,構(gòu)建區(qū)域級(jí)火流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)來開展常態(tài)化、多站點(diǎn)、全天區(qū)、聯(lián)合組網(wǎng)觀測(cè), 有助于精確刻畫火流星事件的特性參數(shù), 并完善小尺寸近地小行星的尺頻分布模型.

1.2 國內(nèi)外火流星監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

火流星監(jiān)測(cè)經(jīng)歷了膠片相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、模擬攝像機(jī)和CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor）相機(jī)等觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展. 20世紀(jì)60年代, 德國和捷克共同建設(shè)了首個(gè)火流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)–歐洲火流星網(wǎng)（European Fireball Network,EN）[10], 通過膠片相機(jī)加裝旋轉(zhuǎn)快門拍攝長曝光照片的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè), 照片沖洗后進(jìn)行肉眼搜尋及位置、速度測(cè)量, 主要開展火流星計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)研究.21世紀(jì)初, 數(shù)碼相機(jī)和CCD （Charge Coupled Device）相機(jī)逐漸取代膠片相機(jī), 但仍采用旋轉(zhuǎn)快門方式獲取時(shí)間信息. 澳大利亞沙漠火流星網(wǎng)（Desert Fireball Network, DFN）[11]沿用并改進(jìn)了這種監(jiān)測(cè)方式, 通過de Bruijn序列驅(qū)動(dòng)液晶快門將精準(zhǔn)的時(shí)間編碼加入長曝光圖像中, 從而獲得高精度的時(shí)間、位置及光度等信息, 實(shí)現(xiàn)軌跡和軌道計(jì)算. 同時(shí)期, 低照度模擬攝像機(jī)的普及使得視頻監(jiān)控成為流星監(jiān)測(cè)的主要方法. 美國、加拿大、日本、歐洲等地相繼建立或升級(jí)了流星視頻監(jiān)測(cè)網(wǎng), 發(fā)展了如ASGARD （All Sky and Guided Automatic Realtime Detection）[12]、UFOCapture系列[13]等流星監(jiān)測(cè)軟件, 實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的近實(shí)時(shí)處理, 但視頻分辨率低且軌跡位置的測(cè)量精度不佳. 近年來,CMOS相機(jī)開始應(yīng)用于流星視頻監(jiān)測(cè), 其低噪點(diǎn)、高感光度、高分辨率等特點(diǎn)提升了監(jiān)測(cè)靈敏度和分辨率. 采用USB （Universal Serial Bus）或網(wǎng)絡(luò)方式傳輸數(shù)據(jù)可以簡化安裝過程. 如法國火流星觀測(cè)及隕石回收網(wǎng)絡(luò)（Fireball Recovery and InterPlanetary Observation Network, FRIPON）[14]、全球流星網(wǎng)（Global Meteor Network, GMN）[15]等, 發(fā)展了如FreeTure （Free software to capTure meteors）[16]、RMS （Raspberry Pi Meteor Station）[15]等監(jiān)測(cè)軟件及WMPL（WesternMeteorPyLib）[17]等數(shù)據(jù)處理程序, 進(jìn)一步提升了監(jiān)測(cè)效率和數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性.

流星視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備主要采用兩種方案: （1）相機(jī)配置廣角鏡頭, 因單相機(jī)監(jiān)測(cè)視場(chǎng)小, 通常多相機(jī)組合使用, 如全球流星網(wǎng)、美國全天流星監(jiān)測(cè)項(xiàng)目（Cameras for Allsky Meteor Surveillance,CAMS）[18]等. 優(yōu)勢(shì)在于流星監(jiān)測(cè)極限星等更低,主要用于暗弱流星群活動(dòng)監(jiān)測(cè)、新流星群確定等; （2）相機(jī)配置魚眼鏡頭, 單相機(jī)覆蓋全天視場(chǎng), 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單, 便于大范圍組網(wǎng). 如美國國家航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）全天火流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)[19]、法國FRIPON網(wǎng)及澳大利亞DFN網(wǎng)等, 主要用于火流星監(jiān)測(cè)及隕石回收.

我國在北京、山東、江蘇、新疆等地建立了一些零星的流星視頻監(jiān)控站點(diǎn)并開展了小規(guī)模組網(wǎng).青島艾山天文臺(tái)與國家天文臺(tái)合作開展了流星光譜監(jiān)測(cè), 并與愛好者合作開展流星視頻監(jiān)測(cè), 將視頻數(shù)據(jù)提交至國際流星組織（International Meteor Organization, IMO）. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在海南樂東和三亞開展了光學(xué)、綜合雷達(dá)和光譜多波段探測(cè), 研究流星體進(jìn)入大氣后對(duì)近地空間環(huán)境的影響[20–21].

為了滿足火流星事件監(jiān)測(cè)需求, 本文提出了一種基于多站布局的全天視頻相機(jī)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng).利用該系統(tǒng)構(gòu)建了江蘇區(qū)域火流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)（Jiangsu Regional All-sky Fireball Network, JsRAFN）, 對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能力、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息的可靠性進(jìn)行了分析, 形成可復(fù)制、可推廣部署的火流星監(jiān)測(cè)原型網(wǎng).

2 區(qū)域火流星視頻監(jiān)測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)原理及系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)單站點(diǎn)硬件如圖1所示, 主要硬件設(shè)備由天文相機(jī)、魚眼鏡頭、小型工業(yè)計(jì)算機(jī)及遠(yuǎn)程控制終端組成, 見圖1左圖. 部分站點(diǎn)采用4G網(wǎng)絡(luò)終端及太陽能供電系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)和電源. 相機(jī)和鏡頭安裝在透明圓頂密封的專用外殼中, 直接固定在基墩或立柱上, 見圖1右圖.

圖1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)單站點(diǎn)硬件, 左: 主要硬件設(shè)備, 右: 透明圓頂密封的專用外殼Fig.1 Single station hardware for monitoring network system, left: main hardware equipment, right: special enclosure with sealed transparent dome

天文相機(jī)采用IMX485 CMOS芯片, 像素大小2.9μm, 靶面尺寸為1/1.2英寸, 具有低噪點(diǎn)、高感光度等特點(diǎn). 圖像分辨率為1440×1088（2×2像素合并, 即bin2）, 空間分辨率為9.9（′）/pixel. 視頻幀率為每秒20幀（20 fps）, 即提供0.05 s的流星軌跡時(shí)間分辨率. 配備2.5 mm/F1.6魚眼鏡頭, 鏡頭像圈直徑為6.4 mm, 與相機(jī)芯片寬度6.322 mm適配, 可以實(shí)現(xiàn)180?全天視場(chǎng)覆蓋監(jiān)測(cè).

小型工業(yè)計(jì)算機(jī)（配置為Intel i7 CPU, 16G內(nèi)存）作為控制終端與相機(jī)通過USB 3.0線連接, 固態(tài)硬盤用于短期數(shù)據(jù)存儲(chǔ), 機(jī)械硬盤存儲(chǔ)所有流星視頻數(shù)據(jù), 同時(shí)通過FTP （File Transfer Protocol）回傳至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器, 站點(diǎn)與數(shù)據(jù)中心互為異地備份. 通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol,NTP）服務(wù)同步控制終端時(shí)間, 同步間隔10分鐘. 遠(yuǎn)程控制終端對(duì)小型工業(yè)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程桌面、遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)等操作.

監(jiān)測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)程序主要由Python代碼實(shí)現(xiàn). 流星監(jiān)測(cè)視頻采集及識(shí)別采用OpenCV庫. 火流星觸發(fā)監(jiān)測(cè)后程序?qū)⑹录昂?–2 s （可設(shè)置）的視頻合并存儲(chǔ)在硬盤中, 視頻片段為avi格式, 視頻幀疊加生成png和fits格式流星圖片. 程序還提供: 站點(diǎn)信息、拍攝時(shí)段、觸發(fā)閾值及邊緣遮蓋等管理功能. 軌跡計(jì)算程序包含測(cè)量輸出、時(shí)間偏差校準(zhǔn)和軌跡計(jì)算等功能, 并采用WMPL軟件包[17]進(jìn)行蒙特卡洛參數(shù)優(yōu)化及軌道計(jì)算.

2.2 技術(shù)原理

火流星監(jiān)測(cè)采集基于三幀差分法, 分別計(jì)算前2幀（fβ-1、fβ）和后2幀（fβ、fβ+1）的圖像差分,閾值為U, 再將兩次的差分圖像Dβ、Dβ+1進(jìn)行與運(yùn)算, 則可以得到移動(dòng)目標(biāo)變化區(qū)域D（x,y）:

視頻片段存儲(chǔ)采用幀緩存列隊(duì)法, 目標(biāo)源出現(xiàn)并達(dá)到檢測(cè)閾值時(shí)觸發(fā)視頻記錄, 將緩存隊(duì)列中事件前后的幀合并存儲(chǔ), 流星監(jiān)測(cè)視頻片段幀序列如圖2所示.

圖2 流星監(jiān)測(cè)視頻片段幀序列Fig.2 Frame sequences of meteor monitoring video clips

星點(diǎn)提取通過在圖像上尋找局部極大值實(shí)現(xiàn),再使用二維高斯點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（Point Spread Function, PSF）擬合確定星像中心位置（ximg,yimg）, 排除錯(cuò)誤識(shí)別的星點(diǎn). 視頻單幀圖像曝光時(shí)間短,可識(shí)別恒星數(shù)目少（15–30顆）, 難以完成精確的天體測(cè)量校準(zhǔn). 定期在晴朗無月夜間隔30分鐘拍攝10 s曝光圖片, 每晚可獲得約2000顆均勻分布于全天視場(chǎng)的參考星用于天體測(cè)量校準(zhǔn). 由于相機(jī)安裝無法使光軸投影中心與真實(shí)天頂嚴(yán)格重合, 圖片的正北方向也難以和地理正北方向?qū)R,在Ceplecha[22]和Borovicka等[23]的經(jīng)典方法中需要擬合13個(gè)常數(shù), 且擬合對(duì)初值非常敏感. 因此我們采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行天體測(cè)量校準(zhǔn). 由于徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)（Radial Basis Function Network,RBFN）具有結(jié)構(gòu)簡單、訓(xùn)練簡潔、學(xué)習(xí)收斂速度快、非線性逼近能力強(qiáng)、能夠克服局部最小值等特點(diǎn), 適用于全天相機(jī)圖像的天體測(cè)量校準(zhǔn), 該方法在Tian等人的實(shí)際使用中結(jié)果很理想[24],徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)采用PyRadbas軟件包實(shí)現(xiàn).

本文先由簡化模型快速匹配參考星, 再由基于徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)方法完成天體測(cè)量校準(zhǔn). 首先選取部分亮星得到僅包含5個(gè)參數(shù)（圖片X軸與正北方向夾角A0, 圖像中心坐標(biāo)（x0,y0）, 參數(shù)（c1,c2））的簡化天體測(cè)量模型:

式中A、z分別為所求星像的方位角和天頂距,r為所求星像到圖像中心的距離. 由簡化模型可以快速得到星表參考星（Acat,zcat）在圖片上的預(yù)期坐標(biāo)（xcat,ycat）:

其次, 以預(yù)期坐標(biāo)為中心、6像素為半徑的區(qū)域內(nèi)匹配圖中對(duì)應(yīng)星像得到（Acat,zcat）與（ximg,yimg）關(guān)聯(lián)列表. 將（ximg,yimg）列表作為徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)的輸入集, （Acat,zcat）作為輸出集進(jìn)行訓(xùn)練. 由此可計(jì)算視頻幀中任意測(cè)量點(diǎn)（xmeas,ymeas）的方位角A和天頂距z. RBFN方法校準(zhǔn)的殘差分布如圖3, 方位角殘差由?Asinz表示,標(biāo)準(zhǔn)差為3.41′,天頂距殘差由?z表示, 標(biāo)準(zhǔn)差為1.47′.

圖3 RBFN方法天體測(cè)量校準(zhǔn)殘差分布Fig.3 Astrometric calibration residuals of the RBFN method

進(jìn)一步對(duì)流星視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 得到包含流星每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間、視速度、軌跡起點(diǎn)-終點(diǎn)坐標(biāo)（赤經(jīng)、赤緯、高度角、方位角）等結(jié)果. 快速篩選符合時(shí)間匹配范圍（±2 s）的視頻片段, 再通過站間距離、站點(diǎn)與流星軌跡組成平面的最小夾角QAB、視速度及軌跡重疊率等信息確定雙站、多站匹配數(shù)據(jù).

火流星軌跡計(jì)算基于三角測(cè)量法, 結(jié)合相交平面和視線擬合法, 并使用Vida等人提出的蒙特卡洛法[17]優(yōu)化軌跡結(jié)果. 首先, 當(dāng)兩個(gè)站點(diǎn)同時(shí)觀測(cè)到一顆火流星, 站點(diǎn)與流星視軌跡構(gòu)成擬合平面,平面的單位法向量分別為、, 則平面交線→R=×作為流星軌跡的初值. 由地心OECI指向站點(diǎn)與交線最近點(diǎn)S的向量→S作為軌跡位置的初值, 如圖4左圖所示. 多站觀測(cè)根據(jù)觀測(cè)透視角Pa的sin2Pa值計(jì)算權(quán)重Wk, 將平面交線的加權(quán)平均作為流星軌跡. 其次, 由視線擬合法進(jìn)一步確定火流星軌跡, 站點(diǎn)與流星軌跡中每一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)連成一束射線（即“視線”）, 如圖4右圖所示. 由相交平面得到的軌跡位置作為初始條件, 計(jì)算Ns個(gè)站點(diǎn)Nm（k）個(gè)測(cè)量點(diǎn)所有視線與軌跡位置的角度差之和:

圖4 左圖: 相交平面法, A、B兩個(gè)站點(diǎn)及擬合平面. 右圖: 視線擬合法, ∠obs, traj為“視線”與軌跡上投影點(diǎn)之間的夾角.Fig.4 Left: the method of intersecting planes, the stations A, B and the fit planes. Right: the method of lines of sight,∠（obs, traj）is the angle between the “l(fā)ine of sight” and the projected point on the trajectory.

其中, 對(duì)于k站點(diǎn)第j個(gè)測(cè)量點(diǎn),obskj為站點(diǎn)指向流星每個(gè)測(cè)量點(diǎn)（即“視線”）的方向向量,modkj為“視線”在軌跡上的投影點(diǎn)的方向向量. 最小化Fsum得到新的擬合結(jié)果及并將移動(dòng)至軌跡開始位置作為軌跡參考位置矢量. 為了同步軌跡的動(dòng)力學(xué)特征, 選取最先觀測(cè)到流星的站點(diǎn)為參考站點(diǎn), 其時(shí)間偏移?t= 0, 流星體在時(shí)間tref（j）內(nèi)移動(dòng)距離lref（j）. 采用線性插值法求得非參考站點(diǎn)k運(yùn)動(dòng)相同距離所需時(shí)間tk（lref（j））, 計(jì)算時(shí)間偏差?t=tk（lref（j））-tref（j）. 最小化所有時(shí)間偏差之和Tsum得到?t的最優(yōu)解, 更新所有觀測(cè)點(diǎn)時(shí)間重新計(jì)算軌跡.

流星體初始進(jìn)入大氣層時(shí)無明顯減速, 可近似為勻速運(yùn)動(dòng)求得初始速度v0. 但初始階段流星亮度低、測(cè)量精度差, 需要逐步增加測(cè)量點(diǎn)擬合時(shí)間與長度的線性關(guān)系. 隨著更多觀測(cè)點(diǎn)加入, 擬合結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)逐漸降低, 直至流星發(fā)生明顯減速時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)再次增大, 最終取標(biāo)準(zhǔn)差最小值對(duì)應(yīng)的速度作為初始速度.

最后, 采用蒙特卡洛法對(duì)上述方法得到的最佳幾何解進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化. 計(jì)算角度差的標(biāo)準(zhǔn)差作為添加噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差σ, 向每個(gè)原始測(cè)量值中添加高斯噪聲N（0,σ）重新計(jì)算流星軌跡, 并將此過程重復(fù)進(jìn)行n次, 得到n個(gè)軌跡解. 取Tsum最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的軌跡解作為最優(yōu)解, 此時(shí)在幾何解的不確定度范圍內(nèi)得到了最佳動(dòng)力學(xué)解.根據(jù)?R、→S、v0及流星出現(xiàn)時(shí)刻計(jì)算流星體的開普勒軌道[17].

3 江蘇區(qū)域火流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)

3.1 組網(wǎng)布局

JsRAFN是利用本文監(jiān)測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)在江蘇地區(qū)實(shí)地構(gòu)建的火流星監(jiān)測(cè)原型網(wǎng). 開展火流星及流星長期監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、特征分析、軌跡及軌道計(jì)算等工作, 并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證監(jiān)測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)的能力.

JsRAFN現(xiàn)已有6個(gè)站點(diǎn)運(yùn)行觀測(cè), 站間基線為50–150 km, 所有站點(diǎn)均使用2.2節(jié)所述的單站系統(tǒng), 覆蓋江蘇及周邊約1.0×105km2范圍區(qū)域. 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在站點(diǎn)及紫金山天文臺(tái)互為異地備份存儲(chǔ), 數(shù)據(jù)處理工作主要在紫金山天文臺(tái)進(jìn)行. 已部署站點(diǎn)地理位置分布如圖5中倒三角標(biāo)記所示, 站點(diǎn)信息如表1.

圖5 JsRAFN的站點(diǎn)分布Fig.5 The station distribution of JsRAFN

3.2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)能力分析

根據(jù)實(shí)測(cè), 監(jiān)測(cè)相機(jī)可觀測(cè)恒星的極限視星等約為+3.0等, 流星約為-1.0等. 2021年9月至2022年10月累計(jì)獲取流星視頻記錄6000余條, 其中約50%僅有單站觀測(cè)記錄. 雙站或多站關(guān)聯(lián)確定火流星121顆、流星1214顆, 其中雙站關(guān)聯(lián)率71.4%、三站關(guān)聯(lián)率23.8%、四站及以上關(guān)聯(lián)率4.8%. 未觀測(cè)到可以回收隕石的火流星記錄.圖6給出了JsRAFN觀測(cè)到流星的輻射點(diǎn)在天球中的分布（地心赤道坐標(biāo)系, J2000）, 火流星以“星形”標(biāo)注. 顏色欄對(duì)應(yīng)流星的地心速度, 低速流星體（深色）主要分布在黃道附近（圖中虛線顯示）. 輻射點(diǎn)的聚集顯示了流星群活動(dòng)（占總數(shù)的46%）. 其余在天球上分布較為均勻的為偶發(fā)流星, 約占總數(shù)的54%. 赤緯-45?以南的區(qū)域由于江蘇省地理位置原因難以觀測(cè).

圖6 流星輻射點(diǎn)在天球中的分布Fig.6 Distribution of radiation points in the celestial sphere

為了評(píng)估不同距離基線上兩站的關(guān)聯(lián)比例（關(guān)聯(lián)數(shù)/單站記錄數(shù)）, 表2給出了部分基線雙站關(guān)聯(lián)比例. 仙林XL、星甸XD、盱眙XY站點(diǎn)間基線距離適中（50–80 km）, 仙林-星甸（XL-XD）基線距離最短, 關(guān)聯(lián)比例最高, 達(dá)21.3%. 盱眙-星甸（XYXD）基線上兩站點(diǎn)天光背景條件較佳, 關(guān)聯(lián)比例可達(dá)到21.0%. 而盱眙-仙林（XY-XL）基線上仙林站更靠近城市, 天光背景較差, 導(dǎo)致其關(guān)聯(lián)比例偏低. 蘇州-如東（SZ-RD）基線兩站之間距離遠(yuǎn), 關(guān)聯(lián)比例明顯偏低.

表2 不同基線雙站關(guān)聯(lián)比例Table 2 Proportion of association between two stations with different baselines

圖7表示2021年9月至2022年10月期間對(duì)仙林站、星甸站和盱眙站每月流星數(shù)量統(tǒng)計(jì)條形圖, 從中可見這3個(gè)站點(diǎn)每月流星數(shù)量統(tǒng)計(jì)整體趨勢(shì)一致,8月、12月流星記錄數(shù)量明顯增多, 主要對(duì)應(yīng)于每年的英仙座和雙子座流星群活動(dòng). 下半年因?yàn)橛卸鄠€(gè)小規(guī)模流星群活動(dòng), 如南寶瓶座δ、摩羯座α、南/北金牛座、獵戶座、獅子座及后發(fā)座流星群等,流星數(shù)量整體多于上半年.

圖7 2021年9月至2022年10月期間仙林站、星甸站和盱眙站每月流星數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.7 Monthly number statistics of meteors in XianLin, Xingdian and XuYi stations between 2021 September and 2022 October

圖8給出了所有流星絕對(duì)星等的直方圖, 流星視星等轉(zhuǎn)換為絕對(duì)星等的公式為:

圖8 流星絕對(duì)星等直方圖Fig.8 Histogram of the absolute magnitude of all meteors

Mabs為流星絕對(duì)星等,Mobs為視星等,d為流星至站點(diǎn)距離, 單位為km. 由于行星際物質(zhì)尺寸-數(shù)量呈冪律分布, 圖8中星等和流星數(shù)量對(duì)數(shù)值Mabs–lgN線的斜率為0.452, 與Halliday等[25]研究得到的斜率0.424接近, 暗于-2.5等的流星數(shù)量逐漸偏離Mabs–lgN線, 因此監(jiān)測(cè)網(wǎng)流星絕對(duì)星等檢測(cè)完備度可達(dá)-2.5等.

根據(jù)流星絕對(duì)星等和質(zhì)量轉(zhuǎn)換公式[26]:

其中vg為地心速度（公式中單位采用cm·s-1）,m為流星體進(jìn)入地球大氣層之前的質(zhì)量. 若取流星體密度為3 g·cm-3, 地心速度為30 km·s-1, 則絕對(duì)星等-2.5等的流星體對(duì)應(yīng)直徑為1.5 cm. 流星體地心速度越大, 對(duì)應(yīng)可以檢測(cè)到更小尺寸的流星體.

4 監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用

4.1 火流星定軌

2021年10月2日18:29:52.8 （UTC） JsRAFN監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)到火流星JsFB20211002, 仙林站、星甸站和盱眙站同時(shí)記錄到該事件, 上海地區(qū)天文愛好者也提供了該事件的觀測(cè)數(shù)據(jù), 分析結(jié)果如圖9所示, 圖9 （a）是仙林站的監(jiān)測(cè)圖像. 表3給出了軌跡擬合結(jié)果和軌道. 軌跡的空間殘差小于200 m, 如圖9（b）所示. 軌道參數(shù)表明這顆火流星軌道類似Aten型近地小行星, 軌道示意圖如圖9 （c）. 火流星的亮度曲線特征在相同時(shí)刻重合, 如圖9 （d）所示, 其中星甸站的亮度偏差是由于外殼結(jié)露導(dǎo)致. 火流星在1.7 s發(fā)生第一次空爆, 對(duì)應(yīng)高度約56 km, 第二次空爆發(fā)生在3.3 s, 對(duì)應(yīng)高度約36 km, 最后一次空爆發(fā)生在事件末端3.8 s, 對(duì)應(yīng)高度約32 km, 分別對(duì)應(yīng)圖9 （a）和（d）中A、B、C所示.

表3 火流星JsFB20211002最佳擬合軌跡解和軌道Table 3 Best-fit trajectory and orbit for fireball JsFB20211002

圖9 火流星JsFB20211002數(shù)據(jù)分析結(jié)果. （a）仙林站監(jiān)測(cè)圖像, （b）軌跡空間殘差, （c）火流星軌道示意圖, （d）火流星亮度曲線.Fig.9 Data analysis results of the fireball event JsFB20211002. （a） Fireball image by Xianlin Station, （b） spatial residuals of the trajectory, （c） plot of the fireball orbit, （d） light-curve of the fireball.

4.2 火流星通量估算

根據(jù)氣象資料, 江蘇省及周邊長三角區(qū)域年平均云量約60%[27], 監(jiān)測(cè)網(wǎng)一年有效觀測(cè)時(shí)間可估算為1752 h （假設(shè)一年時(shí)間中白天占比50%,且60%時(shí)間被云層遮擋）, 目前可覆蓋范圍約1.0×105km2, 則每年可以獲得約1.752×108km2·h的觀測(cè). 計(jì)算得到質(zhì)量40 g、直徑3 cm的火流星通量為2.68×10-7km-2·h-1, 與Halliday等人給出的2.50×10-7km-2·h-1接近. 圖10中菱形點(diǎn)給出了JsRAFN網(wǎng)所有流星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出的通量, 實(shí)線為1996年Halliday等人利用加拿大隕石觀測(cè)及回收項(xiàng)目（Meteorite Observation and Recovery Project, MORP）經(jīng)過十年的火流星觀測(cè)結(jié)果得出的通量[25].

圖10 JsRAFN監(jiān)測(cè)網(wǎng)流星體通量與Halliday等人結(jié)果[25]對(duì)比Fig.10 Comparison of JsRAFN network meteoroid flux with the results of Halliday et al.[25]

4.3 流星群活動(dòng)監(jiān)測(cè)

將流星軌道數(shù)據(jù)與IAU流星群數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比, 根據(jù)觀測(cè)時(shí)刻太陽經(jīng)度、日心黃道坐標(biāo)系中輻射點(diǎn)坐標(biāo)、地心速度, 將符合偏差閾值的流星歸類為相應(yīng)流星群屬. 結(jié)果顯示: 總共檢測(cè)到246顆英仙座流星群流星（PER）, 42顆南寶瓶座δ流星群流星（SDA）, 42顆雙子座流星群流星（GEM）, 37顆南金牛座流星群流星（STA）, 15顆摩羯座α流星群流星（CAP）以及監(jiān)測(cè)數(shù)量較少的獵戶座（ORI）、水瓶座（ETA）、后發(fā)座（COM）、長蛇座（HYD）、波江座（ERI）、獅子座（LEO）等流星群流星.

我們采用Jenniskens等人在文獻(xiàn)[28]中提供的對(duì)比方法, 計(jì)算流星群各軌道參數(shù)的中值與其母體進(jìn)行比較, 結(jié)果如表4所示. 對(duì)比結(jié)果與文獻(xiàn)[28]結(jié)果相符, 表中所列太陽經(jīng)度、輻射點(diǎn)坐標(biāo)及軌道參數(shù)與母體參數(shù)接近. 對(duì)于母體為長周期彗星的流星群, 其軌道偏心率大、a更離散且與母體的軌道半長徑偏差較大, 而非周期彗星產(chǎn)生的流星體的a則無意義, 因此選取q和e兩個(gè)軌道根數(shù)進(jìn)行比較.

表4 群流星軌道參數(shù)與母體軌道參數(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of orbital parameters of meteor streams with their parent bodies

4.4 流星軌道類型分析

根據(jù)所有軌道結(jié)果, 我們對(duì)流星軌道類型進(jìn)行了分析. 圖11分別給出了所有流星、偶發(fā)流星、群流星地心速度分布直方圖以及流星體軌道半長徑倒數(shù)的分布, 由圖可知: （1）流星體可以分為兩類,小行星來源的慢速流星體及海外天體（trans-Neptunian object, TNO）或長周期彗星來源的高速流星; （2）小行星來源的流星體1/a分布的峰值對(duì)應(yīng)3:1軌道共振, 即近地小行星的起源, 而TNO或彗星來源的小行星1/a分布的峰值對(duì)應(yīng)海王星軌道及1/a值接近零處. 圖中顯示出一些1/a <0的流星體, 我們認(rèn)為這部分是由于時(shí)間分辨率不夠或數(shù)據(jù)分析中對(duì)初始速度的計(jì)算存在誤差導(dǎo)致的.

圖11 （a）所有流星地心速度分布; （b）偶發(fā)流星地心速度分布; （c）群流星地心速度分布對(duì)比; （d） 1/a分布.Fig.11 （a） Distribution of geocentric velocities of all meteors; （b） distribution of geocentric velocities of sporadic meteors; （c）distribution of geocentric velocities of meteoroid groups; （d） distribution of 1/a.

根據(jù)Jopek等[29]提出的雙參數(shù)彗星-小行星分類方法, 采用Q-i準(zhǔn)則進(jìn)行分類, 彗星軌道滿足:

其余為小行星軌道. 表5為本文JsRAFN監(jiān)測(cè)網(wǎng)和全球主要流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)軌道分類結(jié)果對(duì)比. 其中EDMOND和GMN數(shù)據(jù)涵蓋的站點(diǎn)分布于多個(gè)國家和地區(qū), 具有廣域性特點(diǎn), 而UKMON和Sonota-Co網(wǎng)分別為英國和日本單個(gè)國家區(qū)域性覆蓋, 所有監(jiān)測(cè)網(wǎng)均有站點(diǎn)分布均勻、樣本數(shù)量充足的特點(diǎn),具有可靠參考性.

表5 JsRAFN網(wǎng)與全球主要流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)偶發(fā)流星軌道分類對(duì)比Table 5 Comparison of the sporadic meteor orbit classification between JsRAFN and the major globalmeteor monitoring networks

由表5結(jié)果可知: （1）各監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的比例分布顯示, 類彗星軌道的流星占主導(dǎo)地位, 亮度更高的火流星中類彗星軌道的比例更高, 原因可能是彗星起源的流星體速度較高, 導(dǎo)致相同尺寸的流星體進(jìn)入大氣層后其亮度更高; （2）由JsRAFN監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)給出的類近地小行星軌道和類彗星軌道的比例分別為27.1%和72.9%, 與其他流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)軌道分類結(jié)果相一致; （3）在JsRAFN監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)中, 火流星軌道分類比例較其他監(jiān)測(cè)網(wǎng)比例結(jié)果略有偏差, 我們認(rèn)為其原因是一年的樣本數(shù)量較少, 對(duì)于該分布的統(tǒng)計(jì)特性沒有完全展現(xiàn).

類近地小行星軌道可再分類為類Aten型及類Apollo型軌道, 分類結(jié)果如表6. 所監(jiān)測(cè)流星中類Apollo型軌道超過95%, 類Aten型數(shù)量很少.

表6 類近地小行星軌道分類Table 6 Classification of asteroid orbit types

5 總結(jié)和討論

本文基于多站布局的全天視頻相機(jī)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 在江蘇及周邊構(gòu)建了一個(gè)區(qū)域級(jí)原型系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了火流星監(jiān)測(cè)組網(wǎng)控制、視頻數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及流星體定軌的完整流程. 在江蘇區(qū)域火流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中, 總共確定了121顆火流星及1214顆流星, 雙站、三站及三站以上確定流星比例分別為71.4%、23.8%和4.8%.流星視星等監(jiān)測(cè)極限約為-1.0等, 絕對(duì)星等檢測(cè)完備度可達(dá)-2.5等,能夠達(dá)到完備地監(jiān)測(cè)所有火流星的要求, 充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還可開展常規(guī)流星、流星群監(jiān)測(cè). 徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在天體測(cè)量校準(zhǔn)中體現(xiàn)出了簡便、快捷的優(yōu)勢(shì), 并能滿足定位精度. 但由于流星距離遠(yuǎn)、觀測(cè)仰角低引起的坐標(biāo)測(cè)量誤差, 不會(huì)在軌跡計(jì)算過程中得到改善, 將直接影響軌跡計(jì)算結(jié)果.可通過降低該站點(diǎn)的權(quán)重減小其影響, 或適當(dāng)增加站點(diǎn)密度縮短站間基線來改善此問題.

以火流星事件JsFB20211002為例展示了軌跡、軌道計(jì)算結(jié)果, 其軌道類似Aten型近地小行星, 軌跡空間殘差小于200 m, 火流星發(fā)生的三次空爆在監(jiān)測(cè)圖像和光度曲線中相匹配. 首先, 我們計(jì)算得到了大于40 g （對(duì)應(yīng)直徑3 cm）的火流星通量為2.68×10-7km-2·h-1, 結(jié)果與其他流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)的報(bào)告一致; 其次, 獲得了所有雙站（及多站）關(guān)聯(lián)流星的軌跡和軌道結(jié)果, 可識(shí)別出多個(gè)流星群活動(dòng), 識(shí)別結(jié)果符合對(duì)應(yīng)流星群及其母體的相應(yīng)特征. 最后, 本文對(duì)所有偶發(fā)流星軌道進(jìn)行分類, 分析了流星體的兩個(gè)主要來源, 分別為小行星來源和彗星來源. 類小行星軌道與類彗星軌道比例分別為27.1%和72.9%, 而火流星呈現(xiàn)出彗星起源比例更高的總體趨勢(shì). 此外, 進(jìn)一步對(duì)類近地小行星軌道分類, Aten型近地小行星的軌道特點(diǎn)使得類Aten型軌道的流星體數(shù)量非常少.

江蘇區(qū)域火流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)目前站點(diǎn)數(shù)量較少, 站間基線存在一定差異,監(jiān)測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)完備性尚有不足.與國際主要流星監(jiān)測(cè)網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比: 在火流星軌道分類比例、類Aten/Apollo型分類比例等方面由于樣本數(shù)量較少, 統(tǒng)計(jì)結(jié)果略有偏差; 但在多站數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)比例、火流星通量估計(jì)、流星群檢測(cè)及偶發(fā)流星軌道分類等方面具有較好的一致性. 對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了基于全天相機(jī)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的區(qū)域火流星視頻監(jiān)測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)在實(shí)際組網(wǎng)使用中的檢測(cè)效率, 并能達(dá)到統(tǒng)計(jì)信息測(cè)量的效能要求.

致謝感謝紫金山天文臺(tái)盱眙觀測(cè)站的洪仁全, 南京天文愛好者協(xié)會(huì)許軍、成炳峰及蘇州市天文學(xué)會(huì)孫霈源在站點(diǎn)建設(shè)及日常維護(hù)中提供的支持. 感謝上海天文愛好者邵淳提供火流星的觀測(cè)數(shù)據(jù). 感謝審稿人對(duì)文章提出的寶貴建議, 使得文章的質(zhì)量有了顯著的提高.