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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(dá)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(fēng)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(dá)還能夠?qū)臻g碎片、月球等目標(biāo)進行有效探測。

非相干散射雷達(dá)最主要的探測目標(biāo)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(dá)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(dá)的技術(shù)性能指標(biāo)和數(shù)據(jù)處理有較高要求。因此，非相干散射雷達(dá)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(dá)。

海南三站式非相干散射雷達(dá)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(dá)是世界上首套相控陣體制多站式非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)，也是我國第一部相控陣體制的非相干散射雷達(dá)，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(dá)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(dá)回顧，以及海南三站式非相干散射雷達(dá)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(jì)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(dá)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(dāng)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(yuǎn)大于電子，離子產(chǎn)生的散射波強度遠(yuǎn)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(dá)接收到后，在雷達(dá)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(rèn)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(rèn)為，使用大功率雷達(dá)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(dá)，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(dá)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(yuǎn)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(jì)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(rèn)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(dāng)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�？梢姡⑸洳ㄖ须娮痈娮又g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�？紤]一種情形，當(dāng)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(dá)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(dá)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(dāng)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(lán)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(dá)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(dá)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(lán)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(dá)回顧

自20 世紀(jì)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(dá)，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(dá)，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(dá)鏈。其中，位于地磁赤道的Jicamarca 雷達(dá)使用偶極子天線陣收發(fā)信號，雷達(dá)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(dá)5000 千米高度，這個高度已到達(dá)磁層；位于低緯度地區(qū)的阿雷西博雷達(dá)是美國最先開始建造的一部非相干散射雷達(dá)。由于阿雷西博雷達(dá)基于最初尚未完善的非相干散射理論建造，當(dāng)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(dá)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(dá)2.5 MW。其天線增益達(dá)到62 dB，也是迄今世界上非相干散射雷達(dá)中最大的。該雷達(dá)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(xì)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(dá)有兩套天線系統(tǒng)，該雷達(dá)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(dá)是美國運行時間最長的高緯電離層非相干散射雷達(dá)。

在歐洲，英國、法國等國在20 世紀(jì)六七十年代建造過一些短時間運行的非相干散射雷達(dá)。20 世紀(jì)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(dá)群(簡稱EISCAT)，運行著三部非相干散射雷達(dá)。EISCAT在相當(dāng)長時間內(nèi)是世界上唯一的傳統(tǒng)體制多站式雷達(dá)，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(dá)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(dá)，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(dá)均為傳統(tǒng)體制非相干散射雷達(dá)，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(dá)技術(shù)制約，在雷達(dá)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(jì)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(biāo)志的第一代非相干散射雷達(dá)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(biāo)志的第二代非相干散射雷達(dá)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(dá)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(dá)PFISR 和RISR。這兩部雷達(dá)在設(shè)計上引入了很多新理念：首次在非相干散射雷達(dá)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(dá)

海南三站式非相干散射雷達(dá)是在原三亞非相干散射雷達(dá)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(dá)。它是國內(nèi)首套相控陣體制的非相干散射雷達(dá)。

在前期三亞非相干散射雷達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)的基礎(chǔ)上，將三亞站雷達(dá)收發(fā)陣面擴展一倍，達(dá)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(dá)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(dá)“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(dá)建成后的航拍照片。

圖2海南三站式非相干散射雷達(dá)“一發(fā)三收”工作模式示意圖

與美國和歐洲在20 世紀(jì)六七十年代建設(shè)的傳統(tǒng)體制非相干散射雷達(dá)相比，海南三站式非相干散射雷達(dá)采用了多項現(xiàn)代體制雷達(dá)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(dá)總體上綜合應(yīng)用系統(tǒng)軟件化和功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，使得該雷達(dá)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(dá)最重要的不同，就是海南三站式非相干散射雷達(dá)的相控陣體制。

雷達(dá)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(biāo)產(chǎn)生反射或者散射后，雷達(dá)接收到信號回波；雷達(dá)通過對回波進行分析，來確定目標(biāo)的性質(zhì)、速度、方位和距離等特性參量。為了讓雷達(dá)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(biāo)。傳統(tǒng)的非相干散射雷達(dá)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(dá)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(yán)重制約了雷達(dá)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(dá)不同，海南三站式非相干散射雷達(dá)是一部有源相控陣?yán)走_(dá)，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?yán)走_(dá)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(dá)的掃描范圍、探測數(shù)據(jù)時間空間分辨率等都遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)雷達(dá)。

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(dá)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(dá)方向返回，并被雷達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(fēng)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)觀測鏈和北歐高緯雷達(dá)群，開展了持續(xù)有效的電離層探測研究。進入21 世紀(jì)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(biāo)志的第一代非相干散射雷達(dá)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(dá)探測技術(shù)成功和系統(tǒng)的運行，分布式相控陣為標(biāo)志的第二代非相干散射雷達(dá)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(dá)；在子午工程二期支持下，以三亞非相干散射雷達(dá)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(dá)，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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