非相干散射探測歷史與海南三站式非相干散射雷達

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丁鋒 樂新安

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所

非相干散射雷達是最為重要的空間環(huán)境地基探測儀器。它不僅能高精度地探測幾乎整個電離層高度上的等離子體密度、成分、溫度、漂移速度，還能間接探測背景中性大氣的溫度、風場等電離層和高層大氣中的重要參量。此外，非相干散射雷達還能夠?qū)臻g碎片、月球等目標進行有效探測。

非相干散射雷達最主要的探測目標是電離層。電離層是高層大氣中受太陽輻射而部分電離的一部分，在地面以上60~1000 km 高度范圍。由于其中帶電粒子對電波傳播的影響，電離層的變化對無線電通訊、全球衛(wèi)星導(dǎo)航、空間探測器軌道等人類活動有重要影響。

一定頻率的電磁波在入射到電離層中的部分電離大氣后，產(chǎn)生湯姆孫散射。該散射信號中包含等離子體溫度、密度、集體漂移速度等信息。非相干散射雷達通過向電離層發(fā)射大功率無線電波并接收和處理回波，來對電離層的各種參量進行測量。由于電離層散射信號非常微弱，探測難度比較高，對雷達的技術(shù)性能指標和數(shù)據(jù)處理有較高要求。因此，非相干散射雷達探測代表了一個國家在地球空間地基科學(xué)探測研究水平和綜合技術(shù)的能力。世界上目前只有少數(shù)幾個國家和地區(qū)，如美國，歐洲和中國，擁有非相干散射雷達。

海南三站式非相干散射雷達是“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“子午工程二期”的骨干設(shè)備，于2023 年建成并通過工藝測試。海南三站式非相干散射雷達是世界上首套相控陣體制多站式非相干散射雷達系統(tǒng)，也是我國第一部相控陣體制的非相干散射雷達，能夠?qū)崿F(xiàn)對電離層漂移速度等參量的矢量探測。

本文嘗試對非相干散射探測歷史和海南三站式非相干散射雷達做一個介紹，內(nèi)容包括非相干散射原理，全球非相干散射雷達回顧，以及海南三站式非相干散射雷達等三部分。

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非相干散射原理

非相干散射探測原理的發(fā)現(xiàn)可追溯到20 世紀50 年代。在此前的研究中，科學(xué)家們已經(jīng)初步觀測到了地球上空電離層的存在，并通過測高儀的觀測反演出不同高度的電離層電子密度。但是，這種基于磁離子理論和測高儀觀測的電子密度反演需要預(yù)設(shè)一個電離層電子密度隨高度變化的數(shù)學(xué)模型。由于電離層的變化性，此種預(yù)設(shè)給反演精度帶來比較大的偏差。因此，電離層電子密度、等離子體漂移速度、電子和離子溫度等此前一直缺乏直接的、精確的測量。

1958年，美國物理學(xué)家戈登通過理論分析提出，可以使用大功率雷達向電離層發(fā)射探測波束并接收電離層的散射回波，從回波信息中直接反演出電離層電子密度等關(guān)鍵參量。考察電離層中的一個等離子體團，當一束單一頻率的無線電波入射到該等離子體團時，電子和離子都會產(chǎn)生受迫振蕩，進而散射出電磁波。由于離子的質(zhì)量遠大于電子，離子產(chǎn)生的散射波強度遠小于電子，因此我們探測到的主要是電子的散射回波(電子的湯姆孫散射)。由于自由電子在做隨機熱運動，每一個電子散射的回波會出現(xiàn)一個對應(yīng)于該電子瞬時熱運動速度的頻率移動。對于一個等離子體團，其中所有電子產(chǎn)生的散射總回波被雷達接收到后，在雷達接收信號的頻譜分布中表現(xiàn)出一定的頻譜展寬，該頻譜寬度與電子溫度相關(guān)。由此，可以從觀測到的頻譜寬度求得電離層電子溫度。戈登進一步認為，等離子體團中電子和電子之間互不相干，所產(chǎn)生的散射回波功率是由各自相互獨立的電子所產(chǎn)生的湯姆孫散射功率之和。這樣，回波功率就正比于電子密度。因此，他將其命名為“非相干散射”。由此，由觀測到的散射電波的功率譜密度可以推算得到電離層電子密度。基于此種理論，戈登推導(dǎo)出了電離層電子密度和電子溫度等關(guān)鍵參量與電離層散射回波功率譜的定量關(guān)系式。盡管電子的散射回波非常微弱，但戈登認為，使用大功率雷達有可能會探測到電子的散射回波功率，進而通過定量關(guān)系計算得到電離層的電子密度和溫度等關(guān)鍵參量。

在戈登提出非相干散射的概念僅僅六周后，1958年10 月，美國的另一位物理學(xué)家鮑爾斯使用美國的一部大功率雷達，實驗觀測到了電離層的散射回波。但是，鮑爾斯發(fā)現(xiàn)，觀測到的電離層散射回波的譜寬只有戈登預(yù)測譜寬的幾百分之一。這意味著，在雷達接收到的回波信號中，由等離子體散射引起的信號的多普勒頻移遠小于根據(jù)自由電子隨機熱速度推算出來的值。這說明，接收到的信號不完全是自由電子的非相干散射造成，而似乎更像是包含了離子的散射。

隨著等離子體物理學(xué)的發(fā)展，從20 世紀60 年代開始的幾十年里，經(jīng)過大量學(xué)者的理論研究和實驗驗證，非相干散射理論逐漸完善了起來。科學(xué)家們認為，電離層的電子不完全是自由運動的。電子浸在離子云之中，相互之間存在庫侖力。在庫侖力起顯著作用的范圍內(nèi)(如，一個正離子周邊的德拜半徑范圍內(nèi))，電子受正離子的束縛較強。一個正離子的德拜半徑內(nèi)，會存在多個電子；當正離子運動的時候，德拜半徑內(nèi)的電子也跟隨著正離子運動。這樣，在電子的散射回波中，既包含了電子本身的熱運動信息，又由于電子跟隨離子運動而包含了離子的運動信息。電子跟隨離子的運動由于是集體運動，產(chǎn)生的散射波強度大于電子隨機熱運動產(chǎn)生的散射波，從而在散射波頻譜中占據(jù)主導(dǎo)地位。可見，散射波中電子跟電子之間并不完全獨立，散射信號是部分相干的。學(xué)者們用不同的理論模型進行研究，獲得幾乎完全一致的結(jié)果。因此，“非相干散射探測”實質(zhì)上仍是相干散射探測。但“非相干散射”這個名詞卻早已為學(xué)界所習(xí)慣，所以一直被沿用了下來。

由上面的介紹我們知道，在電離層等離子體中，電子或離子的集體運動能夠產(chǎn)生較大的散射波功率。考慮一種情形，當一團等離子體中發(fā)生許多粒子共同參與的大范圍運動時，我們用一束電磁波去照射這團等離子體，所產(chǎn)生的散射波功率相對較強，也就有更可能被非相干散射雷達探測到。在等離子體中，典型的常態(tài)化存在的大范圍集體運動主要是一些波動，如朗繆爾波和離子聲波等。非相干散射雷達主要是針對這兩種等離子體波動過程中電子的湯姆孫散射進行探測。當一束電磁波入射到一團等離子體，我們所觀測到的散射波功率譜中包含了這些不同波動過程產(chǎn)生的頻譜分布。不同波動過程，由于其物理機制不同，電子的運動規(guī)律不一樣，所產(chǎn)生的頻譜分布具有各自不同的特征。也就是說，等離子體中不同的波動過程散射出來的回波對應(yīng)于各自不同的功率譜密度函數(shù)。通過等離子體動理論，可以得出不同波動對應(yīng)的功率譜密度函數(shù)與電離層中電子密度、電子和離子溫度、漂移速度等參量的定量關(guān)系，即非相干散射理論譜。典型的理論譜如圖1 所示。圖中分別顯示了由等離子體中的離子聲波引起的離子譜線(紅色)，以及朗繆爾波引起的等離子線(藍色)。這樣，理論譜就把電離層中待測的各種參量與非相干散射雷達可探測的量聯(lián)系了起來。由于功率譜密度函數(shù)可以通過非相干散射雷達探測到的回波信號來分析得到，我們通過對觀測到的功率譜密度函數(shù)和理論譜的分析和數(shù)據(jù)處理，就可以得到電離層中電子密度等各種參量的值，實現(xiàn)電離層的非相干散射探測。

圖1非相干散射理論譜示意圖。低頻端紅色部分雙峰譜為離子聲波引起的離子譜線，高頻端藍色部分為朗繆爾波引起的等離子譜線。ωil為離子聲波振蕩頻率，ωpl為等離子體頻率

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全球非相干散射雷達回顧

自20 世紀50 年代末人造地球衛(wèi)星上天以來，人類進入空間時代。大部分航天器運行在電離層高度，對地球外層空間環(huán)境的探測需求日益增多。1958 年，隨著非相干散射理論的提出，美國率先開始在阿雷西博建造非相干散射雷達，以實現(xiàn)對電離層的剖面探測。從1960 年到1971 年，美國相繼建成Jicamarca，Arecibo，Millstone Hill 和Sondrestrom 等大型的非相干散射雷達，形成從高緯度地區(qū)到低緯赤道區(qū)的一條非相干散射雷達鏈。其中，位于地磁赤道的Jicamarca 雷達使用偶極子天線陣收發(fā)信號，雷達工作頻率為49.9 MHz，其特有的長波特性使得有效探測信號可達5000 千米高度，這個高度已到達磁層；位于低緯度地區(qū)的阿雷西博雷達是美國最先開始建造的一部非相干散射雷達。由于阿雷西博雷達基于最初尚未完善的非相干散射理論建造，當時的理論一定程度上低估了電離層散射回波功率，因而該雷達擁有世界上最大的單口徑球面天線，天線的有效直徑為305 m，工作頻率是430 MHz，峰值功率可達2.5 MW。其天線增益達到62 dB，也是迄今世界上非相干散射雷達中最大的。該雷達兼具射電天文和電離層探測功能，其高增益使得其能探測到電離層的精細結(jié)構(gòu)，在2022 年停用之前積累了大量觀測數(shù)據(jù)。位于美國本土中緯度地區(qū)的Millstone Hill 雷達有兩套天線系統(tǒng)，該雷達至今已有40 多年的連續(xù)觀測記錄。位于格陵蘭島的Sondrestr?m 雷達是美國運行時間最長的高緯電離層非相干散射雷達。

在歐洲，英國、法國等國在20 世紀六七十年代建造過一些短時間運行的非相干散射雷達。20 世紀70 年代末，歐洲各國科學(xué)界在挪威共同建造了歐洲非相干散射雷達群(簡稱EISCAT)，運行著三部非相干散射雷達。EISCAT在相當長時間內(nèi)是世界上唯一的傳統(tǒng)體制多站式雷達，具備電離層等離子體矢量速度探測能力，即將被目前在建的相控陣體制三站式雷達EISCAT-3D代替。

在子午工程一期的支持下，我國于2012 年初在云南曲靖建成了首臺非相干散射雷達，工作頻率500 MHz，發(fā)射脈沖功率2 MW，采用口徑29 m碟形天線，測量的高度范圍90~1000 km。

以上雷達均為傳統(tǒng)體制非相干散射雷達，需要大量的大功率高壓部件，系統(tǒng)龐大復(fù)雜，運行與維護費用高昂。并且，由于建造時間較早，受雷達技術(shù)制約，在雷達工作模式、探測分辨率、探測能力等方面存在局限。

進入21 世紀以來，隨著技術(shù)的進步和空間科學(xué)需求的日新月異，以大功率集中功放為標志的第一代非相干散射雷達技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，以美國發(fā)展的分布式相控陣為標志的第二代非相干散射雷達探測技術(shù)取得突破，其技術(shù)和方法不斷完善和發(fā)展。2000年，美國提出了“先進模塊化的可移動雷達Advanced modular incoherent scatter radar (AMISR)”計劃，并于2005~2006 先后在美國阿拉斯加的Poker Flat 和加拿大的Resolute Bay 建造起兩部現(xiàn)代相控陣體制的非相干散射雷達PFISR 和RISR。這兩部雷達在設(shè)計上引入了很多新理念：首次在非相干散射雷達中采用有源相控陣技術(shù)，能夠完成全空域掃描探測；模塊化程度高，便于維護；率先采用全固態(tài)發(fā)射技術(shù)。

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海南三站式非相干散射雷達

海南三站式非相干散射雷達是在原三亞非相干散射雷達的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。從2015~2020年，在國家重大科研儀器研制項目(部門推薦)的資助下，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所與合作單位中國電科十四所、南昌大學(xué)一起，歷經(jīng)六年時間，研制成功一臺由4096 個天線單元組成的三亞非相干散射雷達。它是國內(nèi)首套相控陣體制的非相干散射雷達。

在前期三亞非相干散射雷達基礎(chǔ)上，從2019 年到2023 年，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成了海南三站式非相干散射雷達的建設(shè)，目前已通過工藝測試。海南三站式非相干散射雷達隸屬于子午工程二期海南低緯監(jiān)測分系統(tǒng)。它的主要建設(shè)內(nèi)容包括：在前期三亞非相干散射雷達的基礎(chǔ)上，將三亞站雷達收發(fā)陣面擴展一倍，達到8320個天線單元，峰值發(fā)射功率超過4 兆瓦；此外，在海南島的儋州和文昌分別新建兩個雷達接收陣面，每個接收陣面由4096個接收天線。三個站形成一發(fā)三收的格局，可實現(xiàn)對電離層漂移速度等的矢量觀測。圖2為海南三站式非相干散射雷達“一發(fā)三收”工作模式示意圖。圖3為海南三站式非相干散射雷達建成后的航拍照片。

圖2海南三站式非相干散射雷達“一發(fā)三收”工作模式示意圖

圖3海南三站式非相干散射雷達實物圖。從左到右為儋州站雷達接收陣面，三亞主站雷達收發(fā)陣面，以及文昌站雷達接收陣面

與美國和歐洲在20 世紀六七十年代建設(shè)的傳統(tǒng)體制非相干散射雷達相比，海南三站式非相干散射雷達采用了多項現(xiàn)代體制雷達的先進技術(shù)，包括模塊化有源相控陣、全固態(tài)發(fā)射、數(shù)字接收和波束合成等，在雷達總體上綜合應(yīng)用系統(tǒng)軟件化和功能模塊標準化設(shè)計，使得該雷達具有持續(xù)觀測、全空域覆蓋、空間快速掃描等新的優(yōu)勢。其中與傳統(tǒng)雷達最重要的不同，就是海南三站式非相干散射雷達的相控陣體制。

雷達的工作原理是，發(fā)射一個窄波束的電磁波到空中，電磁波入射到目標產(chǎn)生反射或者散射后，雷達接收到信號回波；雷達通過對回波進行分析，來確定目標的性質(zhì)、速度、方位和距離等特性參量。為了讓雷達能夠探測較大的空間范圍，需要不斷改變波束的指向，就像探照燈一樣，去照射更大范圍的空間目標。傳統(tǒng)的非相干散射雷達一般有一個龐大的天線系統(tǒng)，采用機械掃描的方式，通過伺服系統(tǒng)改變天線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動角度，來改變波束的指向，以達到掃描的目的。由于天線系統(tǒng)龐大笨重，機械掃描速度緩慢，這嚴重制約了雷達的探測范圍和探測數(shù)據(jù)的時間空間分辨率。

與傳統(tǒng)體制雷達不同，海南三站式非相干散射雷達是一部有源相控陣雷達，由成千上萬個小型的天線單元組成。這些天線單元有規(guī)則地排列在一個平面上，構(gòu)成陣列天線。利用電磁波相干原理，通過計算機控制各天線單元電流的相位，能夠?qū)⑻炀€陣列上各單元發(fā)出的電磁波合成為沿某一方向照射的窄波束，并通過改變相位來改變波束的指向進行掃描。由于相控陣雷達采用相位掃描的方式，其掃描速度比傳統(tǒng)的機械掃描快得多。在一定的探測時間范圍內(nèi)，可看作是同時發(fā)出多個波束對空間中不同區(qū)域進行探測。在相同的孔徑與操作波長下，相控陣非相干散射雷達的掃描范圍、探測數(shù)據(jù)時間空間分辨率等都遠優(yōu)于傳統(tǒng)雷達。

在一個典型的非相干散射離子譜線探測周期里，海南三站式非相干散射雷達在三亞收發(fā)站向一定方向發(fā)脈沖編碼信號。發(fā)射信號穿透整個電離層，并沿途引起電離層等離子體散射。部分散射波向雷達方向返回，并被雷達接收到。在接收的信號回波中，既包含發(fā)射信號的消息，也包含空間不同高度等離子體的散射信息。雷達的信號處理機對接收信號進行解碼，經(jīng)過一系列的信號處理過程，得到不同高度的散射信號功率譜密度函數(shù)。隨后，我們采用多參量擬合方法，即將雷達探測到的離子線功率譜與理論計算得到的功率譜進行擬合，經(jīng)過反復(fù)迭代，得到不同高度的電子密度、電子溫度、離子溫度和離子在視線方向的漂移速度等眾多電離層參量。

三亞站發(fā)射的信號，在電離層同一散射體積內(nèi)被散射之后，被三亞、儋州和文昌三個站接收到。根據(jù)雙基地雷達原理，從每個站的接收數(shù)據(jù)中，可以反演得到對應(yīng)于發(fā)射波束和接收波束角平分線方向的等離子體視線漂移速度。通過三個站測量得到的不同方向的視線漂移速度，即可得到電離層同一散射體積內(nèi)離子的矢量漂移速度，進而根據(jù)離子動量方程反演得到電離層電場矢量和高層大氣風場矢量等高階參量。圖4 展示了海南三站式非相干散射雷達在一天之內(nèi)探測得到的電離層電子密度、電子溫度、離子溫度和離子漂移速度隨時間和高度的變化。從圖中可以看到電離層電子密度等參量的高度剖面結(jié)構(gòu)及其隨地方時變化呈現(xiàn)出的規(guī)律變化。

圖4三亞非相干散射雷達探測得到的2023年4月7日電離層電子密度、電子溫度、離子溫度和離子漂移速度隨時間和高度的變化。探測模式為天頂方向交替碼探測

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小結(jié)

電離層非相干散射雷達探測是地基電離層探測最為強大和有效的手段，為電離層科學(xué)研究發(fā)揮了十分重要的作用。由于非相干散射探測技術(shù)要求高，系統(tǒng)十分復(fù)雜，花費巨大，此前主要是美國和歐盟多國分別在美洲建立了4 站構(gòu)成的雷達觀測鏈和北歐高緯雷達群，開展了持續(xù)有效的電離層探測研究。進入21 世紀以來，隨著技術(shù)的進步和空間科學(xué)需求的日新月異，以大功率集中功放為標志的第一代非相干散射雷達技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，以美國發(fā)展的先進模塊非相干散射雷達探測技術(shù)成功和系統(tǒng)的運行，分布式相控陣為標志的第二代非相干散射雷達探測技術(shù)取得突破，其技術(shù)和方法不斷完善和發(fā)展。正是在這種形勢下，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在國家重大科研儀器研制項目(部門推薦)支持下，從2015 年到2020 年，經(jīng)過六年時間建立起中國第一部現(xiàn)代相控陣體制的三亞非相干散射雷達；在子午工程二期支持下，以三亞非相干散射雷達為基礎(chǔ)，經(jīng)過擴展和新建接收站，于2023 年建成海南三站式非相干散射雷達，實現(xiàn)對我國低緯地區(qū)全天空掃描探測和空間環(huán)境矢量觀測，為我國低緯電離層科學(xué)研究和電離層空間環(huán)境應(yīng)用提供最有力的探測手段。

本文選自《現(xiàn)代物理知識》2024年4期YWA編輯

來源：《現(xiàn)代物理知識》

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