曲靖非相干散射雷达观测研究进展与展望.pdf
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1、苗建苏,丁宗华,代连东,杨嵩,吴健.2024.曲靖非相干散射雷达观测研究进展与展望.地球与行星物理论评(中英文),55(1):66-76.doi:10.19975/j.dqyxx.2022-082.MiaoJS,DingZH,DaiLD,YangS,WuJ.2024.ProgressandprospectsbasedonQujingincoherentscatterradarmeasurements.ReviewsofGeo-physicsandPlanetaryPhysics,55(1):66-76(inChinese).doi:10.19975/j.dqyxx.2022-082.曲靖非相干
2、散射雷达观测研究进展与展望苗建苏1,2,3,丁宗华1,2,3*,代连东1,2,3,杨嵩1,2,3,吴健1,2,31中国电波传播研究所,青岛2661072电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛2661073云南昆明电磁波环境国家野外科学观测研究站,曲靖655000摘要:本文介绍了我国曲靖非相干散射雷达的主要技术方案,结合实测数据分析表明该雷达具备了电离层电子密度与等离子体温度观测、空间碎片凝视探测与月球二维成像探测等能力,可用于研究电离层 F 层气候学特征、电子密度暴时变化与异常增强等天气事件、E-F 谷区结构与变化、约 3cm 以上尺寸空间碎片的分布特征与模型、月球不同区域的散射回波特性等.下
3、一步将重点开展低电离层与北驼峰结构及演化过程、电离层暴时与扰动特性观测.关键词:非相干散射雷达;技术方案;电离层;空间碎片;月球doi:10.19975/j.dqyxx.2022-082中图分类号:P352文献标识码:AProgress and prospects based on Qujing incoherent scatter radar measurementsMiaoJiansu1,2,3,DingZonghua1,2,3*,DaiLiandong1,2,3,YangSong1,2,3,WuJian1,2,31ChinaResearchInstituteofRadiowaveProp
4、agation,Qingdao266107,China2KeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,Qingdao266107,China3YunnanKunmingElectromagneticEnvironmentNationalObservationandResearchStation,Qujing655000,ChinaAbstract:Herein,thetechnicalcharacteristicsandprogrammeofQujingincoherentscatterradar(thefirstoneinChina)aredescrib
5、ed.Themeasurementabilityintheionosphere,spacedebris,andtheMoonwasinvestigatedusingthedata.Theresultsshowedthatthisradarisofimportanceusefulforthemeasuringionosphericclimatolo-gicproperty,analyzingstorm-timeandabnormalenhancementeventsanalysis,studyingE-Fvalleyanditsvari-ations,thedeterminingandmodel
6、ingspacedebrisdistributioncharacteristicsandmodel,andidentifyingthescat-terechocharacteristicsfromthedifferentregionsoftheMoon.Thenextworkwillfocusonthemeasurementofthestructureandevolutionofthelowerionosphereandthenorthernionospherecrest,storm-timevariations,anddis-turbancecharacteristicsproperty.K
7、eywords:incoherentscatterradar;technicalprogramme;ionosphere;spacedebris;Moon0引言非相干散射雷达利用电离层中等离子体热运动对入射电磁波的微弱散射来遥测电离层物理参数,具有探测参数多、空间覆盖范围广、时空分辨率高等突出优点,是目前地面监测电离层最强大的设备,此外在流星、空间碎片、月球等空间物体探测以及射电信号接收方面也具有重要应用价值.自美国人收稿日期:20221222;录用日期:20230217基金项目:国家重点研发计划资助项目(2022YFF0503901)SupportedbytheNationalKeyRese
8、archandDevelopmentProgram(GrantNo.2022YFF0503901)第一作者:苗建苏(1966-),男,高级工程师.主要从事电离层探测技术研究.E-mail:*通信作者:丁宗华(1978-),男,研究员.主要从事电离层探测与电波传播研究.E-mail:第55卷第1期地球与行星物理论评(中英文)Vol.55No.12024年1月ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysicsJan.,2024Gordon 于 1958年首先提出用大功率雷达探测电离层后向散射回波信号的设想(Gordon,1958)以来,国外以美国和欧洲非相干散射科学联合会
9、(EIS-CAT)为代表先后建设了约 10 套非相干散射雷达(丁宗华等,2014a;Evans,1969),在全球电离层时空特性与演化过程分析、大气层-电离层-磁层耦合研究、电离层物理机制研究与模式开发等方面取得了一系列研究成果.随着我国综合国力与科技实力的不断提升,自主建设非相干散射雷达成为我国电离层与空间天气科学发展的紧迫需求.建设非相干散射雷达必须考虑费用高昂、技术复杂、难度大等因素,通过对已建大型雷达进行改造建设非相干散射雷达,其具有建设费用相对低、周期相对短等优点,这是我国自主建设非相干散射雷达的重要途径.在子午工程(国家十一五重大科学工程)支持下,我国利用云南曲靖(25.6N,10
10、3.8E)原军用 110 雷达,于2012 年初改造建成了我国首套非相干散射雷达(丁宗华等,2014b;Dingetal.,2018).该雷达位于我国西南中低纬过渡区,毗邻青藏高原,主要面向该地区的电离层多参数探测、时空变化特性分析、大气层与电离层耦合研究、空间环境监测应用等科学与应用目标.该雷达参照欧洲非相干散射科学联合会(EISCAT)Svalbard 雷达设计(Wannbergetal.,1997),采用了传统的真空电子管发射、抛物面天线机械扫描等技术,工作频率、发射功率等主要参数与 EISCATSvalbard、美国 MillstoneHill 雷达相近,技术性能基本相当.曲靖非相干散
11、射雷达的建成,标志着我国掌握了电离层探测大型设备的关键技术,目前该雷达已在电离层、空间碎片与月球探测方面取得了重要结果(丁宗华等,2018,2020,2022;杨嵩等,2018,2022).本文简单介绍了该雷达的技术方案,接着介绍了主要观测结果与研究进展,并对下一步观测进行了展望.1技术方案 1.1 技术指标设计考虑假设入射电磁波在电离层 300km 高度处散射,电离层电子密度为 1012m3,雷达脉冲宽度为 32us,天线有效口径面积约 1000m2,发射峰值功率 2.0MW,散射点处雷达波束横向面积 1km2,则单个距离门内总电子数目为 51021个,总散射截面为5107m2,代入雷达方程
12、,可知到达天线处的电离层散射回波功率约 11015W,是发射峰值功率的51022倍,由此可见电离层非相干散射信号的微弱程度(丁宗华等,2017).因此,非相干散射雷达必须采用大功率发射机、高增益天线、低噪声接收等技术.曲靖非相干散射雷达是在 110 雷达基础上改造而成,受当时 110 雷达条件、雷达技术水平、研制时间与经费等所限,充分利用 110 雷达原有条件、利用成熟的技术成为当时设计技术指标时的主要考虑.(1)关于工作频率,由于 110 雷达工作频率为 480MHz,设计指标应在该频率附近,否则天线馈线等性能下降.大功率速调管是非相干散射雷达的关键部件,当时国际上 480MHz 附近成熟的
13、商用速调管频率为 500MHz,因此设计时工作频率确定为 500MHz.(2)关于发射峰值功率与最大占空比,国外非相干散射雷达发射峰值功率一般为13MW,最大占空比为 5%25%.若取 1MW,则发射占空比很大,由此带来散热、冷切等问题,设计时发射峰值功率和最大占空比分别确定为 2.1MW 和 5%.(3)关于抛物面天线口径,国外非相干散射雷达的口径最小为 32m,由于 110 雷达建有 44m 截球式天线罩,地上部分为 36.5m,若天线口径太大,降低仰角时天线面将接触地面,由此导致探测区域受限.经综合考虑,设计时天线口径确定为 29m.(4)其他指标.当时国外 500MHz 非相干散射雷达
14、仅有 EISCATSvalbard 雷达,因此其他指标主要参考该雷达.曲靖非相干散射雷达实际主要技术指标包括:(1)工作频率:500MHz.(2)发射峰值功率:2.1MW.(3)天线形式:29m 口径抛物面天线.(4)天线增益:41dB.(5)最大占空比:5%.(6)系统噪声温度:约 150K.详细技术指标可参见文献 Ding 等(2018).1.2 设备组成曲靖非相干散射雷达将原 110 雷达 25m 口径天线面扩展到 29m 以满足天线高增益要求,改造了馈线与伺服分机,重新研制了发射、接收、信号处理、数据处理终端、监控、电源、冷却等分机,该雷达发射、冷切、天线馈线与伺服(简称天伺馈)均有独
15、立机房,其它分机部署在主控机房.该雷达的设备组成、框图与实物图见参考文献(Dingetal.,2018).主要分机介绍如下:第55卷第1期苗建苏,等:曲靖非相干散射雷达观测研究进展与展望671.2.1天伺馈分机天伺馈分机主要完成大功率发射信号的对空辐射、空间散射回波信号的收集、天线转动等,它由馈源喇叭、圆极化器、收发开关、方位与俯仰关节、传输波导、天线监控单元、天线驱动单元、29m主反射面、3.5m 副反射面、天线座和天线罩等部件组成.其中球形天线罩用于保护天线机械与电气性能,其直径为 44m,采用截球式,地上部分高36.5m,采用 1581 块有机玻璃钢组成,是上世纪70 年代国际上最大的有
16、机玻璃钢蜂窝夹层结构天线罩,填补了国际空白.1.2.2发射分机发射分机主要完成射频信号的激励、调制和放大功能,采用主振放大式结构,前级固态放大器将来自激励源的 10mW 射频相参信号放大至 50100W,提供给大功率速调管作为射频输入.发射分机包括前级固态放大器、末级速调管放大器、高压电源、高压电容器、固态脉冲调制器、控制与保护装置、冷却装置等部件.其中三端口环流器将反射能量引导至大功率水负载以便保护速调管输出窗,定向耦合器用于实时监测发射机输出端与波导内的大功率信号,波导充气装置用于实时补充波导内的六氟化硫气体以提高波导的耐功率性能.1.2.3接收分机接收分机主要完成空间散射回波信号的射频接
17、收与下变频转换,采用低噪前放与常温中放相结合的方案,由低噪声前端、射频滤波器、混频器、中频放大器、频率综合器、激励源等部件组成.空间散射回波信号(中心频率 500MHz)通过馈源进入低噪声前端,经过低噪放大、混频,变成频率为140MHz 的第一中频信号,通过数十米长电缆从高频舱进入机房接收机柜.第一中频信号先进行信道分离(分为离子通道、等离子体通道.其中等离子体通道信号非常微弱,一般难以探测),然后通过混频器下变频为 30MHz 的中频信号,输出至信号处理机.关于信道分离的说明:电离层散射信号由离子散射谱与等离子体散射谱两部分组成,离子散射谱位于中心频率附近,谱宽为 100kHz 以内,等离子
18、体散射谱偏离中心频率约 10MHz,谱宽约 1kHz.中频接收机由五个通道组成,其中一个通道为离子通道,其中心频率为 140MHz,带宽为 137.5142.5MHz,对应离子通道;其它通道为等离子体通道,中心频率分别为 130MHz、135MHz、145MHz 与 150MHz,通过设置不同的本振频率,即可实现分离.由于等离子体散射谱信号非常微弱,国外很少能探测到,曲靖非相干散射雷达仅在某电离层实验期间可探测到等离子体散射谱信号,其等离子体通道很少使用或几乎不用.1.2.4信号处理分机信号处理分机主要完成空间散射回波信号(中频)的正交采样、下变频、匹配滤波、脉冲压缩、非相干积累、数据存储和结
19、果输出等,它由 AD 采样、DSP 处理器、数据存储和结果输出显示等部件组成.信号处理分机最终生成电离层回波功率、自相关函数或功率谱数据,输出至数据处理终端分机.1.2.5数据处理分机数据处理分机通过内部网络接收来自信号处理分机的回波功率、自相关函数或功率谱数据,经过处理与反演,输出电离层电子密度、等离子体温度与速度等科学参数,由数据工作站、数据分析与处理软件组成.非相干散射回波功率估算电离层电子密度的方法比较成熟(丁宗华等,2014b),但是非相干散射功率谱(离子散射谱)反演电离层参数的理论非常复杂,需在某些假设条件下(比如电子热运动速度满足麦克斯韦分布、忽略电子与中性粒子碰撞等)进行近似,
20、然后进行反演.反演时一般假设电离层参数初值,利用非相干散射谱理论,计算电离层非相干散射功率谱理论值,与实际测量值进行最小二乘拟合,在一定条件下(迭代次数、收敛精度)反复迭代,最终反演出电离层电子密度、电子温度、离子温度与等离子体速度四个基本参数.1.2.6冷却分机冷却分机主要为发射机提供满足要求的循环冷却水,它由一次水箱及水泵、二次水箱及水泵、热交换器、室外冷却塔、水处理器、控制箱等组成.冷却分机采用二次水冷方式,即一次水箱及水泵将 020 冷却水循环输出至发射分机各部件,二次水箱及水泵通过热交换器对一次水进行冷却,室外冷却塔对二次水进行冷却,水处理器对一次水进行电阻率、杂质含量、温度等监测与
21、处理.当电阻68地球与行星物理论评(中英文)2024年率、杂质含量等不满足一次冷却水要求时,自动启动离子交换树脂水处理器进行水处理.1.3 设备关键技术发射分机是非相干散射雷达的关键部件,具有电压高、功率大、辐射强等特点,技术复杂,造价昂贵.其中高压打火与控制保护是发射分机关键技术.该发射机采用了先进的固态开关技术,通过 40个高压 IGBT 模块组成固态串联开关,一方面为速调管提供高压脉冲,另一方面为速调管提供高压打火保护(包括电弧检测、高压静电实时泄放等).其中固态串联开关具有很低的阻抗和电压降,可保证速调管阴极高压的稳定;调制器内电流传感器可快速识别是否存在打火并在 1us 内切断速调管
22、阴极高压;固态串联开关与速调管阴极之间的串联电感与二极管组合可使脉冲上升沿与峰值电流达到平衡,该技术不需要传统的高压脉冲变压器和撬棒,安全性和可靠性高.由于发射功率大、接收信号微弱,如何实现收发快速隔离,既保护发射时泄露信号不损坏接收机前端,又保证微弱信号的正常接收是该雷达的另一关键技术.本雷达采用四端口 3dB 电桥技术,结合有源滤波器、大功率同轴负载、充气机与水冷机组,实现收发快速隔离,其收发隔离度大于 75dB,驻波比小于 1.35,波尖泄漏能量小于 0.5erg,收发隔离切换时间小于 20us,插损小于 0.2dB,耐功率大于 100kW.滤波器腔体内有放电管与 PIN 管,用于大功率
23、脉冲的监测与能量泄放;同轴负载用于吸收泄漏能量;充气机用于滤波器充气,保持内部干燥,防止腔体内部打火;水冷机组用于同轴负载和滤波器冷切降温,提高其稳定性.2电离层观测由于夜间电离层电子密度低、散射回波弱、信噪比差,估算或反演的电离层参数数据误差大,因此曲靖非相干散射雷达主要在白天开展观测.由于曲靖非相干散射雷达利用了原 110 雷达的伺服与部分馈线系统,整个天馈系统(含配重)为数百吨,快速转动时伺服电机冲击电流较大,持续(1 小时及以上)扫描易导致伺服系统短路、馈线打火等问题,导致设备故障无法持续观测,因此曲靖非相干散射雷达天线主要是固定指向,较少开展大范围扫描观测.曲靖非相干散射雷达探测电离
24、层电子密度时,主要采用功率剖面估算法;探测等离子体温度与速度时,采用非线性最小二乘拟合反演法.图 1a 为曲靖非相干散射雷达观测的电离层回波功率剖面实例,横坐标为回波功率,纵坐标为高度(单位:km);图 1b 为电离层回波功率谱,横坐标为频率(单位:kHz),纵坐标为高度(单位:km),不同颜色代表归一化功率谱密度.从图 1a 可见电离层 Es 层、谷区、F1 层、F2 层和顶部回波的分布高度与信号相对强弱.从图 1b 可知,低电离层(约 120km)功率谱为单峰结构,这是由于低电离层中性分子密度大,电子、离子与中性分子的碰撞效应显著,导致它们比较容易达到热平衡,此时电子温度近似等于离子温度,
25、功率谱为单峰结构,从单峰谱宽即可反演电子温度与离子温度;随着高度增加,双峰结构逐渐明显,功率谱谱宽迅速增加,另外散射信号逐渐增强;在更高的高度(F2 层峰值以上),由于电子密度迅速减小,散射信号显著降低.3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5回波强度105100200300400500600700800高度/km高度/km频率/kHzF2 层F1 层Es 层谷区顶部电离层(a)(b)151050510151502002503003504004505005506000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0图1电离层散射功率剖面(
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