子午工程二期流星雷达样机测试及数据对比分析.pdf
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1、陈志青,刘子谦,冯健,胡连欢,燕春晓,袁韦,吴学森,郑兵,周小俊.2024.子午工程二期流星雷达样机测试及数据对比分析.地球与行星物理论评(中英文),55(1):120-130.doi:10.19975/j.dqyxx.2023-006.ChenZQ,LiuZQ,FengJ,HuLH,YanCX,YuanW,WuXS,ZhengB,ZhouXJ.2024.Meteorradarprototypetestinganddataqualitycompari-sonanalysisforPhaseIIofChineseMeridianProject.ReviewsofGeophysicsandPlan
2、etaryPhysics,55(1):120-130(inChinese).doi:10.19975/j.dqyxx.2023-006.子午工程二期流星雷达样机测试及数据对比分析陈志青1,2,刘子谦1,2*,冯健3,胡连欢4,燕春晓1,2,袁韦1,2,吴学森3,郑兵1,5,周小俊1,51中国科学院国家空间科学中心,北京1001902空间天气学国家重点实验室,北京1001903中国电子科技集团公司第二十二研究所,青岛2661074中国科学院地质与地球物理研究所,北京1000295海南空间天气国家野外科学观测研究站,儋州571700摘要:子午工程二期将在分布于全国的 10 个观测站点建设流星雷达.
3、为了带动国内空间环境地基观测技术的发展,工程建设项目指挥部布局了流星雷达的国产化专项行动.为了确保建成后的设备满足使用要求,工程总体组织了设备样机测试,包括设备的技术指标测试和数据质量评估.技术指标测试表明其满足要求.在获得数据之后,以 EMDR 流星雷达数据为参考,对样机的数据进行质量评估.主要对比参数包括有效流星计数、流星数时空分布、扩散系数高度分布、风场随高度的分布和随时间的变化等.本文主要展示了数据质量评估的结果,揭示了流星雷达观测的一些基本特征和规律,为数据准确性的评估提供参考和借鉴.关键词:子午工程;流星雷达;样机测试;数据质量doi:10.19975/j.dqyxx.2023-0
4、06中图分类号:P352文献标识码:AMeteor radar prototype testing and data quality comparisonanalysis for Phase II of Chinese Meridian ProjectChenZhiqing1,2,LiuZi-Qian1,2*,FengJian3,HuLianhuan4,YanChunxiao1,2,YuanWei1,2,WuXuesen3,ZhengBing1,5,ZhouXiaojun1,51NationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijin
5、g100190,China2StateKeyLaboratoryofSpaceWeather,Beijing100190,China3ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation22thResearchInstitute,Qingdao266107,China4InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China5HainanNationalSpaceWeatherObservationandResearchStation,Danzhou571700,Ch
6、inaAbstract:ThePhaseofChineseMeridianProjectwilldeploy10meteorradarsystemsinChina.Topro-motetheadvancementofdomesticground-basedobservationtechnologies,theprojectmanagingheadquartersareengagedinaspecialcampaignforthelocalizationofmeteorradarproduction.Toensurethatthedomesticallymanu-facturedproductm
7、eetstherequirements,prototypetestingwascarriedout,includingatechniqueindicatortestand收稿日期:20230218;录用日期:20230420基金项目:子午工程二期标准规范建设SupportedbytheConstructionofStandardSpecificationforPhaseIIofChineseMeridianProject第一作者:陈志青(1978-),男,副研究员,主要从事空间环境地基探测技术研究和工程管理.E-mail:*通信作者:刘子谦(1984-),男,高级工程师,主要从事磁层物理和空间
8、天气的研究.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.,2024dataqualityevaluation.Accordingtotheresultsofthefieldtechniqueindicatortest,theprototypefullymetthere-quirements.Further,thedataqualitywasevaluatedusingtheEMDRmeteorradardataasareference.Themaincomparis
9、onparametersincludedvalidmeteorcount,space-timedistributionofmeteornumber,heightdistributionofdiffusioncoefficient,anddistributionofwindfieldatvaryingheightandtime.Thisstudymainlyexplainsdataqualityevaluationresults,revealingsomebasiccharacteristicsandlawsofmeteorradarobservation,inanattempttotestif
10、ythecapabilityoftheprototypeandprovideareferenceforfuturemeteorradardataqualityevaluation.Keywords:ChineseMeridianProject;meteorradar;prototypetesting;dataquality0引言科学观测数据必须具备良好的质量,特别是准确性,才能有效地支撑科学研究和业务应用.高质量的观测数据往往能展现更多的时空细节和特征,更接近观测对象的实际状态.在观测设备的研制过程中所采取的各种定标、标定方法都是为了确保观测数据的准确性.然而,对于依赖于遥感的空间环境地基观测
11、,因不能在实验室中模拟观测对象,一般难以对观测设备进行全面的标定.流星雷达采用遥感的方式,对中高层大气中的风场等参量进行观测(Roper,1975;Valenticetal.,1996).对流星雷达的实验室或者现场标定仅限于针对收发信号的幅度、相位,并不能对风场、扩散系数等物理参量进行标定,也难以对数据的准确性进行评价.这类观测设备的某个新型号往往需要经历比较长时间的实际应用,数据的准确性才会得到普遍认可.空间环境地基综合监测网(子午工程二期)(Wang,2010;Wangetal.,2020)将在分布于全国的 10 个观测站点建设流星雷达(表 1 所示),以实现对我国区域中高层大气风场的大中
12、尺度的连续监测.这对研究中间层和热层中的动力学过程,对我国区域的中高层大气建模具有重要意义.作为我国在空间天气领域唯一的国家重大科技基础设施,带动国内空间环境地基观测技术的发展是子午工程的重要使命.工程建设项目指挥部非常重视观测设备的国产替代,布局了流星雷达的国产化专项行动.为了确保建成后的设备满足使用要求,工程总体组织了多厂家比测、样机测试等多个环节,对设备的技术指标、数据质量进行了全面的测试和分析.在样机测试过程中,子午工程指挥部采用现有成熟型号(澳大利亚 EMDR)(Raoetal.,2014)与国产流星雷达样机(以下称为样机)同区域运行,对两台设备的数据进行了多个方面的对比分析.本文展
13、示了数据对比分析的结果,揭示了流星雷达观测的一些基本特征和规律,为数据准确性的评估提供参考和借鉴.1设备简介和测试条件 1.1 流星雷达与发展基础运行在星际空间的流星体在接近地球时被地球引力吸引,以很高的速度(约 1172km/s 之间)穿越地球大气层(刘学富,2004).与大气摩擦产生的热将流星体烧蚀,形成沿运动路径分布的等离子体柱,也就是流星余迹.假定流星余迹随大气运动,利用流星余迹对无线电波的散射即可对大气风场等参数进行测量.大气风场测量流星雷达,多采用全天空宽波束发射、多个接收天线干涉测量的方法测量流星的位置、多普勒速度,进而反演大气风场等参量(Younger,2011).1930 年
14、代起国外就开展了流星的无线电探测研究(Skellett,1931),流星雷达技术发展较为成熟.在国内,杨克俊(1989)于上世纪 80 年代提出表1子午工程流星雷达站点分布Table1DistributionofmeteorradarstationsintheMeridianProject站点经度纬度备注蒲江站103.62E30.31N二期站点昌平十三陵站116.18E40.29N二期站点桂林叠彩站110.34E25.34N二期站点博罗站114.48E23.49N二期站点威海文登站121.79E37.18N二期站点宾川站100.61E25.63N二期站点那曲色尼站92.25E31.62N二期站
15、点榆中站104.22E35.98N二期站点伽师站76.78E39.56N二期站点库尔勒站86.32E41.62N二期站点漠河站122.34E53.48N一期站点,进口设备黄陂站114.45E31.01N一期站点,进口设备第55卷第1期陈志青,等:子午工程二期流星雷达样机测试及数据对比分析121利用淘汰的短波信号发射机建设流星雷达,并设计了雷达的关键参数.2000 年后,多家单位引进了澳大利亚生产的流星雷达.同时,武汉大学、中国电子科技集团公司第二十二研究所开展了国产流星雷达研制(潘凌云,2017)和观测试验.目前比较成熟的流星雷达型号有澳大利亚生产的 EMDR 和 SKiYMET(Hockin
16、getal.,2001).子午工程一期引进 EMDR 流星雷达,安装于湖北黄陂、黑龙江漠河 2 个观测站点.EMDR 流星雷达采用正交八木天线向天空发射圆极化电波,5 个接收天线可按 L 型、T 型或十字形配置接收阵列.黄陂和漠河的 EMDR 流星雷达分别在 2010 年和 2012年建成开始稳定运行至今,观测数据支撑了大量的科学研究,例如中高层大气的研究(Yietal.,2021)、中层顶-低热层流星雨及大气动力学变化性的研究(Zhouetal.,2022a,2022b)、低层大气调制中高层大气波动的研究(Gongetal.,2022;Luoetal.,2022;Maetal.,2022)等
17、,数据质量已经得到了充分的验证.1.2 样机与对标设备简介本次测试的样机由中国电子科技集团公司第二十二研究所生产.样机采用了单站全天空干涉测量技术体制,其基本组成包括发射分系统、天线分系统、接收分系统、信号处理分系统.发射分系统采用集中式固态发射机体制,通过先合成功率再分路的方式实现了发射两路正交信号的一致性;天线分系统中发射天线采用二单元交叉折合偶极子天线,发射圆极化波,接收天线为五根二单元交叉偶极子天线组成;接收分系统采用多通道全数字接收机,由激励源、接收通道与控制器组成,主要负责产生雷达发射的激励信号,并通过天线分系统接收散射回波;信号处理分系统主要负责对接受分系统接收的回波完成信号数字
18、化,回波信号脉冲压缩与相干积累、流星信号提取与分析,并控制与监控发射分系统.样机还具备实时监控雷达的运行工作状态、雷达无人值守自动观测、远程控制、雷达数据存储与管理、雷达数据产品综合显示等功能(图 1).发射分系统信号处理分系统接收分系统GPSTX 天线 RX 天线 RX 天线 RX 天线 RX 天线 RX 天线 2 2 2.5 2.5 激励信号图1流星雷达样机系统组成示意图Fig.1Compositiondiagramofthemeteorradarprototypesystem本次测试采用的对标设备为子午工程一期安装于湖北黄陂的 EMDR 流星雷达.该设备与样机的总体方案和各项设计指标基本
19、一致,同样采用“十”字形接收天线布局.两台设备的具体指标如表 2所示.1.3 测试条件为了使得两台设备的观测结果具有可比性,样表2EMDR 流星雷达和样机的主要设计指标Table2MaindesignindexesofEMDRmeteorradarandtheprototypeEMDR样机工作频率38.9MHz39.0MHz峰值功率20kW24kW波束宽度(3dB)7070接收机带宽75kHz75kHz接收机灵敏度100dBm100dBm122地球与行星物理论评(中英文)2024年机 的 测 试 场 地 应 尽 量 靠 近 黄 陂 站(31.01N,114.45E),考虑到场地面积、电磁环境等
20、条件最终定在位于武汉市蔡甸区的易瓦特科技园内(30.44N,114.06E).该场地与黄陂站相距约 70km.采用 HWM14 模式(Drobetal.,2015)对风场进行模拟,结果如图 2 所示.两地最大的差异为1.68m/s,平均差异百分比为 3.12%,可见其差异非常小,不影响两台设备之间的对比分析.EW_HP/(ms1)高度/km0708090100110100755025025507510010075502502550751001007550252550751006121824EW_CD/(ms1)2021-12-28高度/km07080901001106121824EW_delt
21、a/(ms1)高度/km07080901001106121824NS_HP/(ms1)高度/km070809010011010075502502550751001007550250002550751001007550252550751006121824NS_CD/(ms1)高度/km07080901001106121824NS_delta/(ms1)UT/hUT/hUT/h高度/km07080901001106121824图2黄陂站和样机测试地点的风场模拟结果(左:黄陂,中:样机测试地点,右:二者之差).EW:风场东西分量;NS:风场南北分量;HP:黄陂;CD:蔡甸;delta:两者之差Fig
22、.2WindfieldsimulationresultsfromtheHuangpistationandprototypetestsite(left:Huangpi,middle:prototypetestsite,right:thedifferencebetweenthetwo)子午工程指挥部首先于 2021 年 12 月 23 日(除特别注明,本文和相关数据均采用世界时)组织了样机的技术指标测试,测试结果见第 2 节.然后,2021 年 12 月 25 日至 2022 年 1 月 3 日,样机连续观测 10 天(测试期间停电 3 次:12 月 25 日6:287:50、12 月 31 日
23、9:00 至 1 月 1 日 9:00、1月 2 日 18:0024:00),黄陂站 EMDR 流星雷达同时观测.两台设备采取基本相同的工作参数(距离门:2km;脉冲重复频率:430Hz;脉冲波形:高斯调制;脉冲宽度:16km;编码方式:4 位互补码;积累次数:4 次;风场高度范围:70110km;风场时间分辨:1 小时).获得数据之后,遵照事先制定的测试大纲,总体技术组以 EMDR 流星雷达数据为参考,对样机的数据进行质量评估.主要对比参数包括有效流星计数、流星数时空分布、扩散系数高度分布、风场随高度的分布和随时间的变化等.详细的对比结果见第 3 节.2技术指标测试结果样机的现场技术指标测试
24、针对工作频率(频谱)、峰值功率、驻波系数、幅度和相位一致性、接收灵敏度和动态范围、高度分辨率等 21 项技术指标.其中主要指标项(共 7 项)的测试结果如表 3 所示,均满足预设的要求.表3样机主要指标项的测试结果Table3Testresultsofthemainprototypeindicators指标项测试结果工作频率(发射)39MHz,带宽0.6MHz峰值功率28.2kW接收机灵敏度117.9dBm接收机动态范围75.9dB接收通道相位一致性0.068(补偿后)接收通道幅度一致性0.003dB(补偿后)发射驻波比通道1:1.07;通道2:1.13因为流星雷达将与其他多类无线电监测设备同
25、址安装运行,为避免设备间的电磁干扰,本次测试对发射机谐波抑制能力提出了很高的要求并进行了详细的测试.图 3 为采用频谱仪接发射端口以及样机正常工作期间采用手持式频谱仪测到的发射频谱.从图 3(左)可见,离工作频率 1MHz 处相对峰值的抑制比约为 55.79dB,离工作频率 4MHz第55卷第1期陈志青,等:子午工程二期流星雷达样机测试及数据对比分析123处的抑制比约为 68.8dB.谐波被抑制,在频谱中难以观察到,对应 2 倍频和 3 倍频处的抑制比分别为 68.2dB 和 68.36dB.可见样机的发射频谱表现良好.在本文成稿之时,基于本样机定型生产的流星雷达已经在子午工程二期的文登站与电
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