子午工程二期北方中緯高頻雷達網(wǎng)

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張佼佼 藍(lán)愛蘭 鄧翔 王瑋 李航 孫凌晨 閻敬業(yè)

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心

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引言

在地球表面以上60 到1000 千米的區(qū)域，一部分大氣會受太陽和宇宙射線的輻射而被電離，這個區(qū)域被稱為電離層。電離層是大氣層中所有帶電粒子的家園，然而，這些帶電粒子的分布并不均勻。電離層中存在各種尺度的密度不均勻體，這些不均勻體會對依靠或經(jīng)過電離層傳播電磁波的無線電通訊、超視距雷達探測、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)等產(chǎn)生干擾。

我國北方至俄羅斯北部地區(qū)是受來自北極地區(qū)惡劣空間天氣影響最為明顯和直接的區(qū)域，也是電離層高中低緯耦合與擾動傳播的重要場所。尤其是在擾動空間天氣條件下，北極電離層眾多不均勻體可直接傳輸?shù)皆搮^(qū)域，直接影響該區(qū)域的電離層狀態(tài)。同時，該區(qū)域也是極區(qū)空間天氣擾動沿子午線傳播到我國中低緯地區(qū)的必由之路。對該地區(qū)的大范圍、全程監(jiān)測不僅對電離層南北耦合等重大科學(xué)問題非常重要，同時也為我國的電離層擾動預(yù)報預(yù)警提供支撐，所以這一區(qū)域是子午工程二期重點監(jiān)測區(qū)域之一。為此，子午工程二期在我國北部吉林龍井市、內(nèi)蒙古四子王旗、新疆和靜縣部署三個高頻雷達站，每站兩部高頻雷達，形成我國北方中緯高頻雷達網(wǎng)，對亞洲中高緯度電離層不均勻體開展廣域全天候監(jiān)測。

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高頻雷達基本探測原理與構(gòu)成

高頻雷達的工作頻率在10 兆赫茲左右(波長約30 米)，屬于短波波段，與我們經(jīng)常收聽的廣播屬于同一波段。這個頻率的電磁波會在電離層中發(fā)生折射，從而在電離層中實現(xiàn)長距離傳播。當(dāng)高頻電磁波在雷達波束與磁力線近乎垂直處遇到電離層不均勻體分布，且尺度與電磁波波長相當(dāng)時，就會發(fā)生布拉格散射。這種情況下，入射波長和散射波長相同，他們發(fā)生電磁波的干涉，所以這種雷達又被稱為高頻相干散射雷達，如圖1 所示。雷達探測期間，不均勻體運動會使回波發(fā)生多普勒頻移，利用這個特點可獲得電離層不均勻體的多普勒速度信息。電離層F層的等離子體不均勻體就像整個電離層等離子體運動的示蹤劑，它們隨著電離層等離子體運動而運動，所以高頻雷達探測的等離子體不均勻體的運動常被用來表征電離層等離子體的整體運動特征。

圖1高頻電磁波在電離層中發(fā)生折射，遇到電離層不均勻體被反射

用于電離層探測的高頻雷達通常采用相控陣體制，其工作原理是通過改變陣列中各天線單元的信號相位關(guān)系，實現(xiàn)陣列方向圖的波束指向變化。一部雷達大多采用雙天線陣列：收發(fā)主陣和干涉子陣。收發(fā)主陣具備發(fā)射大功率信號和接收回波的能力，并實現(xiàn)方位向掃描觀測；干涉子陣不具備發(fā)射功能，用于接收主陣發(fā)射的信號經(jīng)不均勻體散射后的回波，并通過與主陣接收到的回波進行相干處理，獲得回波的仰角信息。圖2 展示了子午工程二期北方中緯高頻雷達網(wǎng)在每個臺站部署兩部雷達(東向雷達和西向雷達)的天線主陣、子陣和雷達控制室的位置。每部雷達的主陣均由16 個天線單元構(gòu)成，子陣由4 個天線單元構(gòu)成，天線單元采用雙折合振子天線，并設(shè)計反射網(wǎng)以提升陣列增益；雷達電子設(shè)備(包括收發(fā)單元、數(shù)字信號處理單元、數(shù)據(jù)處理及傳輸單元等)均部署在雷達控制室內(nèi)，控制室內(nèi)配置UPS及溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等輔助設(shè)備，為電子設(shè)備正常工作提供保障。每部雷達的視場范圍為78°，通過陣列設(shè)計，同一臺站的兩部雷達分別用于對東部天空和西部天空進行觀測，實現(xiàn)156°的大視場覆蓋。

圖2子午工程二期北方中緯高頻雷達網(wǎng)每個臺站兩部雷達的天線陣列示意圖(帶箭頭虛線表示陣列法向，帶箭頭實線指向北)

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國際高頻雷達網(wǎng)發(fā)展歷程

20 世紀(jì)七八十年代，美國科學(xué)家在高緯度地區(qū)利用甚高頻(VHF)相干散射雷達測量電離層不均勻體散射的一系列試驗中發(fā)現(xiàn)：電離層回波具有多普勒頻移特征，證明等離子體存在垂直于磁力線方向的運動。但甚高頻電波在電離層中沿直線傳播，以及不均勻體的探測要求電磁波傳播方向垂直于磁力線限制了甚高頻雷達在更高緯度地區(qū)的應(yīng)用，因為在更高緯度的極區(qū)磁力線近乎垂直于地面。利用高頻(HF)電磁波可以被電離層折射的特性，可在高緯度地區(qū)實現(xiàn)電磁波與地球磁力線正交的條件，從而探測到這些區(qū)域的電離層不均勻體運動。1983 年10 月，美國約翰霍普金斯大學(xué)的格林沃爾德教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊在加拿大鵝灣建成了世界上首部高頻相干散射雷達。該雷達天線由16 個對數(shù)周期天線組成，工作頻率范圍為8~20 兆赫茲。雷達具有16 個掃描波位，波束寬度3.25°，所以掃描范圍為52°，探測距離為從約200 千米到3000 千米以上。距離分辨率由發(fā)射脈沖寬度決定，普通模式下脈沖寬度為300微秒，對應(yīng)距離分辨率為45 千米。全視場掃描時間分辨率在普通模式下是1 到2 分鐘。1987 年，該雷達又增加了一副額外的4 單元子陣列，利用干涉測量技術(shù)獲取回波的仰角信息。羅霍涅米證實了該雷達探測的電離層F層不均勻體運動速度即為電離層等離子體E×B對流漂移速度。隨后，另一臺幾乎相同的雷達在南極洲哈雷建造完成，它具有與鵝灣雷達地磁共軛的視場。哈雷雷達于1988 年1 月開始運行，聯(lián)合項目被命名為極地英美共軛實驗(PACE)，兩部雷達可同時提供電離層和磁層現(xiàn)象的共軛觀測。PACE在磁層極尖區(qū)太陽風(fēng)-磁層-電離層相互作用，以及電離層等離子體對流南北半球不對稱性研究中非常成功。

但人們很快意識到PACE的局限性，那就是每部雷達只能獲取不均勻體視線方向的速度信息，要確定完整的二維速度矢量，需要從至少兩個不同視角方向?qū)Σ痪鶆蝮w速度進行測量。加拿大魁北克省謝弗維爾的另一個高頻雷達于1989 年10 月投入使用，并與鵝灣雷達聯(lián)合探測證實了高頻雷達雙向共同觀測的可行性。這一工作促進了國際超級雙極光雷達網(wǎng)(SuperDARN)的誕生。SupDARN雷達網(wǎng)是一個高頻雷達國家合作組織，通過國際數(shù)據(jù)共享，綜合分析部署在中高緯度地區(qū)的高頻雷達集群獲取的不均勻體多普勒速度信息，可實現(xiàn)每1~2 分鐘即生成一幅全球尺度的電離層等離子體對流圖，在研究電離層對流動力學(xué)方面相對于衛(wèi)星觀測和地面地磁臺站反演技術(shù)等具有無與倫比的優(yōu)勢。

早期，SuperDARN 雷達只在高緯度和極區(qū)部署，因為那里是受太陽風(fēng)暴影響最強的區(qū)域。但在劇烈的太陽風(fēng)暴侵襲下，極光帶會向更低的緯度地區(qū)擴張，甚至超出SuperDARN 雷達網(wǎng)的視野范圍，同時增強的極蓋區(qū)沉降和極光導(dǎo)致了非常嚴(yán)重的電離層D 區(qū)對雷達信號的吸收，使SuperDARN 雷達網(wǎng)不能對強磁暴期間的等離子體對流進行完整的觀測。為了克服這些限制，中緯度高頻雷達開始發(fā)展。2005 年，第一臺中緯度SuperDARN雷達在美國弗吉尼亞州的沃洛普斯建設(shè)完成。貝克等人利用沃洛普斯雷達的觀測研究表明，在國際三小時磁情指數(shù)Kp>3 時，中緯度雷達可以測到極光電場向中緯度的擴張，而且加入了沃洛普斯雷達的觀測使得整個SuperDARN 雷達網(wǎng)求得的越極電位降增加了25%。這充分說明了中緯度雷達的重要性。從2005 年至2014 年間，美國和日本相繼共建設(shè)了10 部中緯度高頻雷達。我國也于2018 年在黑龍江佳木斯市郊建設(shè)了一部中緯高頻雷達，該雷達由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心設(shè)計并建設(shè)，雷達于2020年加入SuperDARN組織。

至2022 年，SuperDARN共包含37 部雷達，其中北半球24部，南半球13部。圖3展示了SuperDARN雷達在南北半球的分布及各雷達視場，坐標(biāo)為地磁坐標(biāo)。SuperDARN組織成員目前包括來自美國、加拿大、日本、中國、挪威、英國、澳大利亞、法國、意大利、南非10 個國家的16 家科研單位。通過合作協(xié)議，各成員單位共享軟件和數(shù)據(jù)資源，每部雷達每年需要保證有至少50%的時間執(zhí)行SuperDARN 組織統(tǒng)一規(guī)定的雷達運行模式。SuperDARN 組織由執(zhí)行委員會管理，執(zhí)行委員會由雷達的首席科學(xué)家組成，執(zhí)行委員會設(shè)主席一名，副主席兩名。為保障雷達運行、數(shù)據(jù)收集、分析、發(fā)布工作，Super-DARN組織還設(shè)有6 個工作組，它們分別為數(shù)據(jù)分析工作組，數(shù)據(jù)發(fā)布工作組，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作組，數(shù)據(jù)可視化工作組，雷達調(diào)度工作組和航天器工作組。SuperDARN組織目前共擁有3 個數(shù)據(jù)中心，分別由英國南極調(diào)查局，加拿大薩斯克徹溫大學(xué)和中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心管理運行。三個數(shù)據(jù)中心分別收集各自片區(qū)的雷達數(shù)據(jù)，同時通過數(shù)據(jù)同步技術(shù)進行數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)實時同步。

圖3 SuperDARN雷達在南北半球的分部及雷達視場(地磁坐標(biāo))

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子午工程二期北方中緯高頻雷達網(wǎng)

在子午工程一期項目的支持下，中國極地研究中心于2012 年4 月在南極中山站建成了我國第一部高頻相干散射雷達并加入SuperDARN 組織，在圖3 的南半球雷達視場圖中可以找到中山站高頻雷達(ZHO)視場范圍。該雷達天線陣列由我國自主施工建設(shè)，雷達發(fā)射機和接收機等電子學(xué)部件則自英國萊斯特大學(xué)引進。

為了突破高頻相干散射雷達關(guān)鍵技術(shù)，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心在國家科技計劃項目的支持下于2018 年成功研制出我國首部具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高頻相干散射雷達原理樣機，雷達部署于黑龍江省佳木斯市郊(46.8°N，130.5°E)，也是我國首部中緯度高頻雷達，雷達代碼JME。得益于電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，佳木斯雷達摒棄了傳統(tǒng)SuperDARN雷達利用移相網(wǎng)絡(luò)來進行相位控制的方法，采用全數(shù)字相位控制和合成技術(shù)，減少模擬器件的使用，不僅減少了延遲線纜損耗和線纜不一致性等影響，還節(jié)約了波束方向改變時延遲線長度調(diào)整的時間，極大地降低了系統(tǒng)誤差，提高了系統(tǒng)性能。從圖3 北半球的雷達視場圖可以看出，佳木斯雷達(JME)與SuperDARN 日本北海道兩部雷達(北海道雷達HOK，北海道西雷達HKW)具有重合的觀測區(qū)域，可獲取該區(qū)域的電離層不均勻體二維速度信息。雖為原理樣機，但該雷達自建設(shè)完成開機運行以來，一直正常工作至今，生成的數(shù)據(jù)于2019 年通過SuperDARN 數(shù)據(jù)發(fā)布工作組的驗證匯入SuperDARN 數(shù)據(jù)庫，于2020 年正式加入SuperDARN 組織。該雷達在研究我國北方中高緯度地區(qū)電離層不均勻體特征及演化規(guī)律，強磁暴期間電離層對流，強烈火山爆發(fā)對電離層的影響等方面發(fā)揮了重要的作用。佳木斯雷達的成功研制為子午工程二期北方中緯高頻雷達網(wǎng)的建設(shè)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

從圖3 的雷達分布圖可以看出，相比于歐美扇區(qū)，亞洲扇區(qū)中高緯地區(qū)存在大量的探測空白區(qū)。在我國的北方地區(qū)布設(shè)高頻雷達網(wǎng)正好可以彌補這個區(qū)域的探測空白，為深入研究電離層擾動從極區(qū)向我國區(qū)域傳播的特征，強磁暴期間電離層不均勻體產(chǎn)生機制和演化過程等關(guān)鍵科學(xué)問題提供寶貴的研究數(shù)據(jù)。以“一鏈三網(wǎng)四聚焦”為整體建設(shè)思路，子午工程二期于2019 年底立項。一鏈指太陽—行星際監(jiān)測鏈，三網(wǎng)包括地磁監(jiān)測網(wǎng)、電離層監(jiān)測網(wǎng)和中高層大氣監(jiān)測網(wǎng)，四聚焦指在極區(qū)高緯、北方中緯、海南低緯和青藏高原共4個區(qū)域進行重點觀測。北方中緯地區(qū)部署的主要探測設(shè)備即為北方中緯高頻雷達網(wǎng)，它由三站六部高頻雷達組成。三個臺站分別位于吉林龍井市(42.8°N，129.4°E)，內(nèi)蒙古四子王旗(41.8°N，111.9°E)和新疆和靜縣(42.6°N，83.7°E)。該雷達網(wǎng)的雷達系統(tǒng)在佳木斯雷達系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做了大量的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，如采用內(nèi)外定標(biāo)相結(jié)合技術(shù)提高目標(biāo)位置精度，采用多基線仰角測量技術(shù)提高目標(biāo)仰角信息測量精度，雷達控制軟件也做了優(yōu)化以提升雷達參數(shù)調(diào)節(jié)靈活度等。該雷達網(wǎng)設(shè)計的探測范圍南北縱深為3500 km、東西跨度7000~8000 km，覆蓋歐亞扇區(qū)北部地磁北緯40°~80°的廣大區(qū)域。北方中緯高頻雷達網(wǎng)探測范圍如圖4所示。

圖4北方中緯高頻雷達網(wǎng)三站六部雷達探測范圍示意圖

項目建設(shè)周期4 年，立項以來，團隊不但要攻克技術(shù)難關(guān)還要克服野外臺站惡劣環(huán)境以及疫情的影響。內(nèi)蒙古四子王站兩部雷達率先建設(shè)完成，并于2022年9月迎來首光數(shù)據(jù)。臺站兩部雷達天線陣布局如圖5 所示，每部雷達的天線主陣由16 個雙折合振子天線組成，陣列總長為204.8 米，干涉子陣由四個天線單元組成，陣列總長為51.2米，主陣和子陣間距離為100 米。雷達控制室位于主陣和子陣之間。圖6 展示了四子王西向雷達天線主陣，六邊形的雙折合振子天線，以及反射網(wǎng)照片。吉林龍井站兩部雷達于2023 年6 月底建設(shè)完成并開機測試，新疆和靜站兩部雷達于2023 年9 月建設(shè)完成(圖7)。三站六部雷達于2023年10月17日完成工藝測試，測試結(jié)果表明北方中緯高頻雷達網(wǎng)(三站六部雷達)探測范圍往北超過4000 千米，東西跨度超過10000 千米，優(yōu)于項目可行性研究報告批復(fù)的要求，各項技術(shù)指標(biāo)達到或優(yōu)于初步設(shè)計要求。

圖5子午二期北方中緯高頻雷達網(wǎng)每個雷達站兩部雷達天線布局圖

圖6雷達天線主陣(A)，雙折合振子天線(B)，反射網(wǎng)(C)

圖7新疆和靜站照片(雷達控制室正在進場)

北方中緯高頻雷達網(wǎng)的建設(shè)實施使亞洲中高緯度地區(qū)具備了開展大范圍電離層環(huán)境探測的條件，它可監(jiān)測來自北極的電離層擾動向我國上空的傳播過程；它是銜接極區(qū)和我國國內(nèi)監(jiān)測網(wǎng)的橋梁，對電離層區(qū)域特性研究及電離層擾動的高、中、低緯度傳播及耦合研究起到重要作用，為我國空間天氣預(yù)警、預(yù)報提供數(shù)據(jù)支撐。在國際上，它填補了SuperDARN 雷達網(wǎng)在亞洲扇區(qū)中高緯度地區(qū)的探測空白，加入SuperDARN 組織后，將極大地擴大SuperDARN中緯度雷達網(wǎng)的探測范圍，監(jiān)測強磁暴期間電離層不均勻體的演化過程，獲得完整的電離層等離子體對流圖，并將為亞極光區(qū)極化流、磁層低頻波的全球演化特征研究提供大量的觀測資料。圖8 展示了加入(a)和未加入(b)北方中緯高頻雷達網(wǎng)六部雷達：龍井東(LJE)、龍井西(LJW)、四子王東(SZE)、四子王西(SZW)，和靜東(HJE)，和靜西(HJW)的數(shù)據(jù)，SuperDARN雷達網(wǎng)在2023 年12 月1日磁暴事件世界時13 時47 分獲得的北半球電離層對流圖的對比圖。圖8(a)標(biāo)出了六部雷達的視場，從圖8(b)可以看出當(dāng)北方中緯高頻雷達網(wǎng)加入之前，亞洲中高緯度地區(qū)缺乏有效的電離層對流觀測，這塊區(qū)域的對流數(shù)據(jù)是由一個統(tǒng)計模型來填充的，模型顯示該區(qū)域電離層等離子體對流較弱。圖8(a)顯示子午工程北方中緯高頻雷達網(wǎng)在很大范圍上提供了亞洲扇區(qū)等離子體對流觀測數(shù)據(jù)，顯示實際情況下該區(qū)域具有較強的電離層對流，對比(a)(b)兩圖發(fā)現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)支撐的對流渦與統(tǒng)計模型得出的對流渦有很大差別。子午二期北方中緯高頻雷達網(wǎng)極大地提高了這個區(qū)域等離子體對流的精度，從而使整體北半球電離層對流圖的精度得到提升。

圖8加入(a)和未加入(b)北方中緯高頻雷達網(wǎng)六部雷達：龍井東(LJE)，龍井西(LJW)，四子王東(SZE)，四子王西(SZW)，和靜東(HJE)，和靜西(HJW)，SuperDARN雷達網(wǎng)在2023年12月1日磁暴事件世界時13時47分獲得的北半球電離層對流圖的對比

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總結(jié)和展望

北方中緯高頻雷達網(wǎng)作為子午工程二期重點監(jiān)測設(shè)備之一，建設(shè)團隊克服了重重困難，高質(zhì)量按進度完成了設(shè)備的建設(shè)、調(diào)試和驗收，為實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)奠定了堅實的基礎(chǔ)。在國際合作方面，子午二期北方中緯高頻雷達網(wǎng)的六部雷達數(shù)據(jù)也將匯入國際SuperDARN 數(shù)據(jù)庫，為全球電離層對流研究做出中國貢獻。我們還在SuperDARN 數(shù)據(jù)中心建設(shè)方面發(fā)揮積極作用，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心已于2022 年建立了SuperDARN 中國數(shù)據(jù)中心，該中心為SuperDARN 三個數(shù)據(jù)中心之一，有效提升了SuperDARN 數(shù)據(jù)的收集和發(fā)布效率，以及數(shù)據(jù)庫可靠性和容災(zāi)性。此外，我們于2024 年5 月在北京組織召開了國際超級雙極光雷達網(wǎng)(SuperDARN)2024 年研討會，研討會匯集世界各地的高頻雷達工程師、科學(xué)家和合作者，交流高頻雷達網(wǎng)的現(xiàn)狀、新項目和新技術(shù)、最新科學(xué)成果，并討論SuperDARN的運作、國際合作和未來發(fā)展方向等。可以期待，子午工程北方中緯高頻雷達網(wǎng)必將在國內(nèi)和國際電離層研究中做出重要貢獻。

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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