電離層非相干散射雷達探測技術應用展望

丁宗華　吳健　許正文　代連東　魚浪

(中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107)

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電離層非相干散射雷達探測技術應用展望

丁宗華吳健許正文代連東魚浪

(中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107)

摘要非相干散射雷達是目前地面觀測電離層最強大的手段．簡單介紹了非相干散射雷達探測技術的基本原理和發展現狀,接著結合實測數據詳細分析了該技術在電離層探測、空間物體探測、空間等離子體物理研究等方面的應用前景,緊接著介紹了一些新方法新技術在非相干散射雷達探測中的試驗和使用情況．這對提升我國電離層空間環境探測與研究水平,推動我國首套非相干散射雷達的科學產出和應用具有重要意義．

關鍵詞非相干散射;電離層;空間物體;空間等離子體物理

DOI10.13443/j.cjors.2015030201

The application prospect of the ionospheric incoherent scatter radar measurement

DING ZonghuaWU JianXU ZhengwenDAI Liandong YU Lang

(KeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Abstract The incoherent scatter radar (ISR) is the most powerful tool on the ground to observe the ionosphere. The basic principle and latest progress of ISR is presented. The application prospect of ISR in the ionospheric observation, space object monitoring and space plasma physics research is investigated detailedly by combing some measurements. And then some new method and technology being tested and applied in the ISR are described. The work is of importance to improve the ability in the ionospheric observation and research and strengthen the scientific output and application of the first ISR in China.

Keywords incoherent scatter; ionosphere; space object; space plasma physics

引言

電離層中等離子體隨機熱運動對入射電磁波產生的湯姆遜散射稱為非相干散射[1-2]．最初認為這種散射來自彼此獨立不相干的自由運動電子,但后來研究發現,由于受離子的影響,自由電子的運動并非“非相干”而是“部分相干”,但由于歷史原因,“非相干”這一名詞沿用至今．盡管電離層等離子體的非相干散射信號非常微弱,但仍可被強有力的大功率雷達探測到．

自20世紀60年代初開始,國外以美國和歐洲非相干散射科學聯合會(European Incoherent Scatter Scientific Association, EISCAT)為代表先后建設了十多套非相干散射雷達．在我國“子午工程”等支持下,中國電波傳播研究所于2012年在云南曲靖建成了我國首套非相干散射雷達(25.6°N,103.8°E,Qujing Incoherent Scatter Radar,QJISR)[3]．早期的非相干散射雷達一般屬于脈沖機械掃描雷達,采用大功率發射機和大口徑天線,存在系統復雜、波束掃描不夠靈活等局限,近年來發展了基于相控陣體制的新型非相干散射雷達,其中最典型的是美國先進模塊化非相干散射雷達(Advanced Modular Incoherent Scatter Radar,AMISR)和正在籌建的歐洲下一代非相干散射雷達系統(A Next Generation Geospace Radar System,EISCAT 3D)．EISCAT 3D 屬于多基地(一發五收)相控陣雷達系統,采用了固態發射、數字接收、先進的信號處理等技術,具有多波束準實時成像、多基線干涉測量等探測能力,代表了目前全球非相干散射雷達的最新發展方向．

電離層非相干散射雷達探測具有測量參數多、覆蓋空間范圍廣、時空分辨率高等突出優點,是目前地面探測與研究電離層的最強大手段．比如它可直接探測電離層電子密度、電子/離子溫度、等離子體徑向漂移速度等多種參數,間接反演電離層電導率、電場、熱層風、碰撞頻率等參數;它可探測電離層全剖面,空間覆蓋范圍更廣(方位俯仰可調,距離80～1 000 km);此外它的時空分辨率很高(時間分辨約數十秒,空間分辨可達數百米,具體與雷達的發射功率、天線增益、脈沖寬度等系統參數有關)．由于非相干散射雷達具有發射功率強(一般為MW量級)、天線增益大(一般大于40 dB)、接收靈敏度高、信號處理算法靈活等特點,在空間物體探測、空間等離子體物理研究等方面也具有重要應用前景．此外,也可以作為空間環境探測新技術、新方法的重要測試實驗平臺．

1電離層探測與研究

非相干散射雷達可探測電離層精細分層結構,獲取電離層電子密度、電子/離子溫度、等離子體徑向漂移速度等多個參數,為電離層空間天氣特性研究與建模提供數據支持[4]．比如非相干散射雷達探測的電離層電子密度剖面是電離層逐日變化、暴時變化、異常變化等各種天氣變化過程研究所需的關鍵數據,也可用于目前全球導航衛星(Global Navigation Satellite System,GNSS)信標/三頻信標/掩星/垂直探測等手段獲取電子密度剖面的精度分析驗證,支持電離層探測技術的發展．目前全世界廣泛使用的電離層經驗模型為國際參考電離層模型(International Reference Ionosphere, IRI),建立該模型主要使用了電離層垂直探測儀和非相干散射雷達等數據．

圖1～4分別為QJISR的一些實測結果,其中圖1為一個電離層回波功率剖面,反映了電離層精細分層結構,從圖1可見電離層各分層(E層,F1層和F2層)的高度和電子密度相對強弱(電子密度與回波功率緊密相關)．圖2為電離層多參數隨時間變化,從上到下依次為電子密度(單位是ele/m3)、電子溫度(單位是K)、離子溫度(單位是K)、等離子體徑向速度(單位是m/s),反映了電離層幾個基本參數的日變化特征．圖3為2012年5月每日正午時刻(13:00)電離層電子密度剖面,反映了電離層逐日變化特征,其中粗實線為月中值,可見電離層逐日變化是很強的,在最大電子密度高度處(約350 km)的相對變化約為25%～75%．圖4為2014年5月30日24 h連續探測的電離層電子密度變化,細實線為電離層峰值高度,可以看出存在電子密度夜間增強現象,這是一種常見的低緯電離層天氣現象．

圖1　電離層分層結構

圖2　電離層多參數的時間變化特征

圖3　電離層電子密度逐日變化

圖4　電離層電子密度夜間增強現象

非相干散射雷達探測獲取的等離子體運動速度、電場、熱層風、離子成分等數據對電離層電動力學過程和暴時擾動機理分析、中低層大氣-電離層-磁層耦合研究等具有重要意義．比如高緯等離子體對流是一種重要的空間天氣現象,其對流模式的強度和尺度主要由行星際磁場(太陽風攜帶)控制．EISCAT和美國Millstone Hill雷達在中高緯的全球對流特性與建模研究中做出了重要貢獻．再比如極區頂部電離層離子上涌是磁層-電離層耦合的主要方式,EISCAT雷達位于極隙區,經常觀測到離子上行現象．

作為人工擾動電離層的重要途徑,電離層加熱受到國內外科學家的關注,而非相干散射雷達可探測電離層電子溫度、離子溫度等參數,在電離層加熱實驗研究中發揮著“溫度計”的關鍵作用[4-5],因此國外在建設電離層加熱實驗系統時都建有非相干散射雷達作為重要診斷手段．比如EISCAT在挪威特羅姆瑟的高頻電離層加熱實驗站建有兩套非相干散射雷達(即EISCAT VHF和UHF雷達)．英國在北極斯瓦爾巴德島的SPEAR加熱試驗系統也建有非相干散射雷達．

目前全球在非相干散射雷達的電離層探測研究方面,以美國和EISCAT研究團隊的工作最具有代表性．比如美國Millstone Hill團隊至今已開展了50余年的觀測,建立了龐大數據庫,開發了全球非相干散射雷達數據共享軟件系統(Madrigal,http://madrigal.haystack.mit.edu/),在中緯亞極光區電離層特性與模型方面取得了一系列重要結果．EISCAT團隊開發了電離層非相干散射數據處理與分析軟件(Grand Unified Incoherent Scatter Data Analysis Package,GUISDAP),在北歐高緯極區電離層研究方面取得了大量重要結果．國外的主要工作包括:電離層結構與形態、電離層氣候特征、暴時與擾動變化、極區電離層動力學-電動力學過程與機理、中低緯電離層不規則結構、電離層電動力學模型和區域模型等研究．

2空間物體探測

非相干散射雷達在空間碎片、流星物質、衛星、小行星等空間物體探測方面也具有重要應用價值．對非相干散射雷達來說,空間物體(硬目標)與電離層是兩類完全不同的目標,其目標特性差別顯著,探測時的主要差別體現在信號處理和數據反演分析方法上．

需要說明的是在電離層探測模式下,非相干散射雷達的探測回波(一般為功率剖面和功率譜)中也可能出現空間物體回波,可用于空間物體目標的初步分析．EISCAT在早期電離層探測實驗時經常觀測到異于常規電離層的回波,EISCAT稱之為“衛星回波”,當時并沒有深入研究,只是認為可能是空間碎片所引起．直到1991年EISCAT用VHF雷達對這種“衛星回波”進行探測實驗,并將結果與美國Haystack雷達探測結果和預測模型進行了對比,才確認多數“衛星回波”來自空間碎片．圖5為QJISR在電離層探測模式下的一個功率譜數據,在250～400 km之間的雙峰譜結構為典型的電離層非相干散射譜,而在650～700 km之間存在兩個譜峰,顯然是電離層之外的其他空間物體散射引起．

由于電離層探測模式一般需積累數分鐘,同時非相干積累時僅在每個重復周期內作自相關處理和譜估計,存在時間分辨率低、多普勒頻率分辨率低、探測精度低等不足,因此一般需加裝專門的空間物體數據采集設備與處理器,以提高空間物體的探測精度和分辨率．

EISCAT在歐州太空局(簡稱歐空局)支持下在空間碎片探測方面開展了廣泛深入研究[6]．他們主要以波束駐留模式,對低地球軌道上穿過波束范圍內的的小尺寸(直徑為厘米量級)空間碎片進行統計意義上的探測研究,獲得空間碎片的軌道高度、距離、方位、仰角、雷達散射截面(Radar Cross-Section, RCS)、等效尺寸、徑向速度等多個參數,為歐空局等用戶提供空間碎片數據服務．EISCAT在非相干散射雷達接收機第二中頻模擬信號輸出口安裝了專門的空間碎片數據采集與處理器(含空間碎片數據采集與信號處理板、數據分析軟件、數據存儲計算機等),實現了空間碎片波束駐留探測能力．EISCAT探測空間碎片的時間長短不一,既有連續24 h持續數天的探測,也有每天數小時持續數月的探測．比如,2006年7月8日,開展了連續24 h探測,共探測到1 700多個空間碎片,軌道高度分布在500～1 500 km,等效直徑為3～12 cm,徑向速度主要集中在±1.5 km/s．俄羅斯科學家近年來也利用其伊爾庫茨克非相干散射雷達積極開展空間碎片探測試驗．比如2006-2010年期間,每年探測時間1 500 h以上,累計探測近8 000 h,共探測到35萬多個空間碎片．

圖5　在電離層探測模式下非相干散射回波

國內金旺、丁宗華等積極開展基于非相干散射雷達的空間碎片探測實驗研究[7-8]．圖6為利用QJISR原始采樣數據計算的空間物體回波功率譜,可以清晰地發現在683 km處存在一個不同于電離層的空間硬目標回波,橫坐標為多普勒頻移,對應目標的徑向速度,從回波信噪比利用雷達方程可估算目標的雷達散射截面等．

國外學者[9]利用MU雷達在流星探測方面開展了一些重要工作,分析了雷達波束平行和垂直地磁場時散射回波特征,研究了流星結構和散射機制．圖7為MU雷達探測的流星回波信噪比變化,橫坐標表示時間(單位為ms),縱坐標為信噪比,細黑線表示地方時00:53:00開始探測的91 km的回波,而粗黑線為地方時07:45:00開始探測的90.6 km的回波,雷達波束垂直于地磁場,細黑線顯示了準周期的起伏,表明此過程不完全是一個擴散過程．此外,EISCAT多次報道在非相干散射雷達原始回波中檢測到行星、衛星等空間物體．

圖6　由原始采樣數據計算的空間物體回波功率譜

圖7　MU雷達實測的流星回波信噪比變化

3空間等離子體物理研究

在寧靜的電離層條件下,利用非相干散射雷達功率譜反演電離層參數時一般都假設電離層離子、電子速度滿足麥克斯韋分布,但是在電離層加熱、場向電流、極光電急流等劇烈擾動條件下此關系不再滿足,需對相關的反演理論進行修正,這涉及到非平衡態非麥克斯韋分布的碰撞等離子體物理研究．利用非相干散射雷達探測數據有望分析解決電離層加熱過程涉及到眾多的空間等離子體物理問題．國內徐彬等[10-11]開展了非麥克斯韋分布多階矩近似、超高斯分布函數、考慮碰撞以及外場影響等條件下的非相干散射譜理論與數值模擬研究工作．

利用非相干散射雷達在高緯極區經常觀測到一些重要的空間等離子體現象,為相關研究提供了重要數據支撐．比如EISCAT 在極區經常觀測到一種短暫的離子聲波譜線強度急劇增加(4～5個量級)現象,即自然增強離子聲波譜線(Natural Enhanced Ion Acoustic Spectral Lines, NEIALs),其可能的物理機制包括電流驅動不穩定性、強場向電流驅動、郎繆爾波參量衰減等;在高緯極區中層頂區域經常探測到極區夏季異常回波(Polar Mesosphere Summer Echo, PMSE)和極區冬季異常回波(Polar Mesosphere Winter Echo, PMWE),目前認為是中層頂區域冰晶粒子與等離子體相互作用產生的[12]．此外,非相干散射雷達對高緯極區的等離子體對流、離子上行、粒子沉降、極光卵的發展和演化、舌狀電離結構等重要等離子體物理問題的研究都具有重要意義．

作為唯一的磁赤道地區非相干散射雷達,Jicamarca雷達的建設初衷是為了研究離子沿磁力線回旋運動對電離層等離子體參數起伏和非相干散射譜峰特征的影響,該雷達被視為離子的“質譜儀”．該雷達運行以來在低緯電離層不規則體結構、等離子體不穩定性發展演化與機制、赤道電離層電動力學等研究方面取得了豐碩成果[13]．

4非相干散射探測新技術新方法試驗研究

作為一套大型空間環境科學實驗設施,非相干散射雷達本身在實驗方法、信號處理、數據反演等方面存在許多值得持續研究之處,這直接推動了一些新技術新方法在非相干散射探測中的試驗和應用．比如:脈沖編碼是非相干散射雷達信號處理的一個重要內容,它決定了雷達的距離分辨率、譜分辨率、回波信噪比等重要指標,早期EISCAT學者曾專門設計了基于Walsh變換的交替碼用于非相干散射雷達探測,近年來有學者開始探討偽隨機碼、多相位碼、混合編碼等新型編碼技術在非相干散射雷達中的應用．國內吳永宏等[14]研究了互補碼在非相干散射探測中的應用,認為相對巴克碼來說,互補碼能更好抑制旁瓣,解碼后具有較高的信噪比．在非相干散射譜反演方面,國外一般采用最小二乘法及其修正方法,吳永宏等[15]提出了一種不受初始值影響的非線性最小二乘反演算法,該算法不受初始值影響,反演精度高,其相對誤差的絕對值不大于5%．

隨著軟件無線電等技術的發展,EISCAT正在積極籌劃EISCAT 3D的建設,它將在波束形成與控制、信號處理、數據分析軟件設計等方面采用一系列雷達新方法新技術,以提高非相干散射雷達的觀測分辨率、測量精度、覆蓋范圍和靈活性等．比如對原始回波高速采樣后直接用軟件進行信號處理,代替以前的數字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)等硬件．此外,EISCAT 3D正在探索試驗包括三維立體成像、post acquisition 波束合成、孔徑合成成像、干涉測量、波束和相位front shaping、目標識別與跟蹤、自適應交叉實驗等非相干散射探測新技術[16]．

5結論

作為目前最強大的地基電離層空間環境探測手段,非相干散射雷達在電離層觀測與研究、空間物體探測、空間等離子體物理研究等方面具有重要應用價值．

本文結合我國首套非相干散射雷達的部分實測結果,分析了非相干散射雷達探測的應用前景,對提升我國的電離層非相干散射探測與研究水平,特別是推動曲靖非相干散射雷達的科學產出與應用具有重要意義．

參考文獻

[1] GORDON W E. Incoherent scatter of radio waves by free electrons with applications to space exploration by radar[J]. Proceeding of IRE, 1958, 46(11):1824-1829.

[2] EVANS J V. Theory and practice of ionosphere study by Thomson scatter radar [J]. Proceeding of the IEEE, 1969, 57(4): 494-530.

[3]丁宗華, 魚浪, 代連東, 等. 曲靖非相干散射雷達功率剖面的初步觀測與分析[J].地球物理學報, 2014, 57(11): 3564-3569.

DING Z H, YU L, DAI L D, et al. The preliminary measurement and analysis of power profile by the Qujing incoherent scatter radar[J].Chinese journal of geophysics, 2014, 57(11): 3564-3569.(in Chinese)

[4] CHENG M, B XU, WU Z S, et al. Observation of VHF incoherent scatter spectra disturbed by HF heating[J]. Journal of atmospheric and solar-terrestrial physics, 2013, 105: 245-252.

[5] XU B, CHENG M, XU Z W, et al. Heat-induced temperature enhancement in the polar summer ionosphere[J]. Advance in polar science, 2011, 22(2): 101-110.

[6] MARKKANEN J, LENHTINEN M. Real time space debris monitoring with EISCAT[J]. Advances in space research, 2005, 35: 1197-1209.

[7] 金旺, 吳振森, 吳健, 等. 非相干散射雷達探測空間碎片實驗研究[J]. 電波科學學報, 2011, 26(5): 956-960.

JIN W, WU Z S, WU J, et al. Space debris experiment study using the incoherent scatter radar[J]. Chinese journal of radio science, 2011, 26(5): 956-960.(in Chinese)

[8] 丁宗華, 許正文, 趙振維. 非相干散射雷達的空間碎片參數提取[J]. 現代雷達, 2014, 36 (2):1-5.

DING Z H, XU Z W, ZHAO Z W. Parameter extraction of space debris by the incoherent scatter radar[J]. Modern radar, 2014, 36(2): 1-5. (in Chinese)

[9] ZHOU Q H, MATHEWS J D, NAKAMARU T. Implications of meteor observation by MU radar[J]. Geophysical research letter, 2001, 28(7): 1399-1402.

[10]徐彬, 吳振森, 吳健, 等. 碰撞等離子體的非相干散射譜[J]. 物理學報, 2009, 58(7): 5104-5110.

XU B, WU Z S, WU J, et al. The incoherent scatter spectra in the collisional plasma[J]. Acta physica sinica, 2009, 58(7): 5104-5110. (in Chinese)

[11]吳軍, 吳健, 李強. 外場下等離子體中波的增強和帶電粒子流的加速[J].電波科學學報, 2007, 22(1): 38-42.

WU J, WU J, LI Q. Enhancement of wave and acceleration of electron in plasma by external field[J].Chinese journal of radio science, 2007, 22(1): 38-42. (in Chinese)

[12]馬征征, 徐彬, 吳軍, 等. 挪威Tromso地區甚高頻雷達觀測極區夏季中層回波[J].電波科學學報, 2013, 28(1): 1-6.

MA Z Z, XU B, WU J, et al. VHF radar observations of PMSE over Norway[J].Chinese journal of radio science, 2013, 28(1): 1-6. (in Chinese)

[13]FARLEY D T. Early incoherent scatter observations at Jicamarca[J]. Journal of atmospheric and solar-terrestrial physics, 1991, 53: 665-675.

[14]吳永宏, 吳健, 吳振森. 互補碼在非相干散射中的應用[J].系統仿真學報, 2009, 21(19): 6148-6151.

WU Y H, WU J, WU Z S. Complementary code application in incoherent scattering[J]. Journal of system simulation, 2009, 21(19): 6148-6151. (in Chinese)

[15]吳永宏, 吳健, 吳振森, 等. 非相干散射的一種非線性反演方法[J]. 電波科學學報, 2008, 23(1): 74-79.

WU Y H, WU J, WU Z S, et al. Non-linear inversion algorithm for incoherent scattering[J].Chinese journal of radio science, 2008, 23(1): 74-79. (in Chinese)

[16]AIKIO A, MCCREA I W. EISCAT 3D science case, EISCAT 3D preparatory phase project WP3[R/OL]. [2015-03-02]. http://www.eiscat3d.se.

丁宗華(1978-),男,湖北人,博士,高級工程師,研究方向為非相干散射雷達探測技術．

吳健(1962-),男,安徽人,博士,研究員,研究方向為電波傳播．

許正文(1971-),男,安徽人,博士,研究員,研究方向為電離層電波傳播．

作者簡介

中圖分類號TN958

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)01-0193-06

收稿日期：2015-03-02

丁宗華， 吳健， 許正文，等.電離層非相干散射雷達探測技術應用展望[J].電波科學學報,2016,31(1):193-198. DOI:10.13443/j.cjors.2015030201

DING Z H, WU J, XU Z W, et al. The application prospect of the ionospheric incoherent scatter radar measurement[J]. Chinese journal of radio science2016,31(1):193-198. (in Chinese). DOI:10.13443/j.cjors.2015030201

資助項目: 國防技術基礎項目和民用航天預研基金項目

聯系人： 丁宗華 E-mail：zhdingmou@163.com