唐志美，丁宗華，代連東，楊嵩

1. 中國電波傳播研究所，山東青島 266107

2. 電波環(huán)境特性與?；夹g(shù)重點實驗室，山東青島 266107

引 言

位于地球上空約60-1000 km 范圍的電離層，是日地系統(tǒng)中能量傳輸和耗散的關(guān)鍵區(qū)域，也是產(chǎn)生空間天氣效應(yīng)的主要區(qū)域。受到太陽與地磁活動、低層大氣、電場等眾多因素的影響，電離層具有非常復(fù)雜的時空變化特征。為了全面完整地描述電離層變化過程與特征，需對電離層物質(zhì)與能量、熱力學(xué)、動力學(xué)等眾多參數(shù)進(jìn)行高時空分辨率探測與分析。

在眾多地基探測電離層設(shè)備中，非相干散射雷達(dá)雖然有建設(shè)費用高、維修操作難、工程難度大的缺點，但是不可否認(rèn)，它具備持續(xù)觀測時間長、監(jiān)測范圍廣、接收機(jī)靈敏度高等優(yōu)點，是目前地面監(jiān)測電離層最強(qiáng)的手段[1]。非相干散射雷達(dá)直接反演參數(shù)包括電離層電子密度、電子溫度、離子溫度、等離子體徑向速度4 個基本參數(shù)（Basic parameter）；基于一定的理論假設(shè)，結(jié)合當(dāng)?shù)仉婋x層、熱層、地磁場與雷達(dá)參數(shù)條件，可進(jìn)一步間接反演電場、熱層風(fēng)、熱層溫度、離子成分、離子密度、碰撞頻率、熱層密度等十多個次級或二級參數(shù)（Secondary parameter，稱“二級參數(shù)”）[2]。

非相干散射概念是1958 年美國科學(xué)家Gordon[3]提出，相繼有多位學(xué)者結(jié)合電子技術(shù)發(fā)展提出脈沖編碼和相位編碼的模糊函數(shù)理論[4-7]，為非相干散射雷達(dá)的建立奠定了扎實的理論基礎(chǔ)。1960 年美國在秘魯建成Jicamarca（11.95oS，283.13oE）第一套非相干散射雷達(dá)以來，全球相繼有單站式Arecibo（波多黎各，工作頻率430 MHz）、UHF 雷達(dá)（挪威，933 MHz）、VHF 雷達(dá)（挪威，224 MHz）和Svalbard 雷達(dá)（挪威，500 MHz）等十多套非相干散射雷達(dá)[8-9]，并有很多學(xué)者對其觀測到的電離層基本參數(shù)與其他觀測設(shè)備結(jié)果作比較分析[10-21]。在國家“子午工程”的支持下，中國電波傳播研究所于2012 年5 月在云南曲靖初步建成了我國首套非相干散射雷達(dá)，為開展有關(guān)研究提供了自主數(shù)據(jù)。曲靖非相干散射雷達(dá)主要硬件性能指標(biāo)如表1。

表1 曲靖非相干散射雷達(dá)主要硬件性能指標(biāo)[9]

本文介紹了2015 年與2017 年云南曲靖站非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)，包括原始回波功率剖面和功率譜及其反演的電子密度、電子溫度、離子溫度、等離子體視線速度等參數(shù)，并詳細(xì)介紹非相干散射雷達(dá)的功率剖面和功率譜的計算表達(dá)式以及兩者與電離層參數(shù)的關(guān)系，給出了部分觀測結(jié)果樣例。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

曲靖站非相干散射雷達(dá)接收機(jī)通過對原始采樣數(shù)據(jù)（0 級數(shù)據(jù)）進(jìn)行抽取、濾波、傅里葉變換、模糊修正、相干積累等，計算得到電離層回波功率剖面和功率譜（1 級數(shù)據(jù)），再利用有關(guān)方法反演得到電離層電子密度、電子溫度、離子溫度、等離子體視線速度等科學(xué)數(shù)據(jù)。

1.1 功率剖面與功率譜計算方法

非相干散射雷達(dá)信號處理中利用了時延剖面矩陣這一重要概念，它是由實際采樣數(shù)據(jù)的時延積構(gòu)成的。設(shè)每一個脈沖周期內(nèi)接收的電離層散射信號為zh(ti)，其中ti=i·Δt，i=1，2 ，3，…，Δt為時延間隔，h為ti時刻對應(yīng)的高度，令xi=zh(ti)。針對每一個脈沖周期，先計算時延積xi·，生成時延剖面矩陣，然后計算自相關(guān)函數(shù)。時延剖面矩陣的示意如圖1 所示，橫向為i 行，縱向為j列，左邊為濾波后的離散點，右邊為其對應(yīng)的復(fù)共軛點，每個*表示相應(yīng)時延處的時延積[22]。

圖1 時延剖面矩陣的示意圖

非相干散射雷達(dá)需要對多個脈沖周期進(jìn)行積累。在每個脈沖周期內(nèi)對不同的高度分別計算自相關(guān)函數(shù)，再對多個脈沖周期不同高度上的自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行脈沖積累。因此，非相干散射雷達(dá)是脈內(nèi)相關(guān)處理。假設(shè)信號是平穩(wěn)的，具有各態(tài)歷經(jīng)性，原始采樣信號的自相關(guān)函數(shù)可以表示為：

其中，xi為信號在ti=i·Δt時刻的采樣值，Δt為時延間隔，信號長度為N。

原始采樣信號自相關(guān)函數(shù)Rx( Δt)與電離層自相關(guān)函數(shù)（是電離層一種復(fù)雜的固有特征函數(shù)）存在以下關(guān)系：

圖2 曲靖非相干散射雷達(dá)功率譜數(shù)據(jù)圖例[25]

1.2 功率剖面估算電子密度剖面

非相干散射雷達(dá)電離層回波功率與電離層電子密度滿足以下關(guān)系式[18]：

其中k是一個與雷達(dá)自身系統(tǒng)工作參數(shù)相關(guān)的常數(shù)，Ne為電離層電子密度，R為探測距離（當(dāng)垂直指向天頂時，即為高度），Pr為雷達(dá)接收的回波信號功率，α為電離層等離子體德拜長度D與雷達(dá)工作波長的比值。Tr=Te/Ti，其中Te為電子溫度，Ti為離子溫度.等離子體德拜長度表達(dá)式為：

式中K為波爾茲曼常數(shù)，0ε為等離子體介電常數(shù)。云南曲靖站非相干散射雷達(dá)工作頻率為500 MHz，換算為波長60 cm，而德拜長度一般為cm 量級甚至更小，因此2α一般很小，約為0.001 量級。若忽略等離子體德拜長度影響因素，且假定Tr為常數(shù)，則（1）式簡化為：

利用電離層垂直探測儀探測的F2層峰值電子密度（或F2尋常波臨界頻率f oF2）來標(biāo)校（5）式的系數(shù)C'，即可從實測功率剖面得到電離層電子密度剖面。

1.3 功率譜反演等離子體參量

電離層非相干散射雷達(dá)功率譜的計算非常復(fù)雜，不同學(xué)者采用不同的假設(shè)條件和計算方法最終都推導(dǎo)出基本相近的表達(dá)式。早期學(xué)者給出了忽略碰撞的非相干散射功率譜表達(dá)式，在實際分析電離層非相干散射功率特征時，此表達(dá)式顯得非常復(fù)雜。假設(shè)電離層F層由電子和氧原子離子組成，非相干散射功率譜表達(dá)式可簡化為賽普脫公式[23]：

(1) 電子溫度與離子溫度估算

若離子成分已知，則電子溫度和離子溫度可由回波功率譜的形狀來確定。電子與離子的溫度比決定了離子功率譜線的尖銳程度，它可以通過測量功率譜中雙峰的之間的谷深（峰頂至谷底）求得。

在雷達(dá)接收的功率譜中，離子線兩個峰之間的距離f+可表示為：

式（8）中λ為雷達(dá)工作波長，K為波爾茲曼常數(shù)，Te和Ti分別為電子溫度和離子溫度，mi為離子質(zhì)量。在已知電子與離子的溫度比，和離子成分條件下，離子溫度Ti可獲得。

(2) 等離子體視線漂移速度估算

等離子體的整體視線漂移速度可以通過下式確定：

式中Δf為功率譜中心頻率相對于發(fā)射頻率的多普勒頻移，有正有負(fù)。在實際應(yīng)用中，由于上述二者中心頻率非常接近，不易判斷，因此通常采用擬合方法得到，通過擬合自相關(guān)函數(shù)得到最優(yōu)解，即為多普勒頻移，進(jìn)一步得到等離子體視線速度。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

云南曲靖站非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)集記錄的是中低緯地區(qū)電離層功率剖面、功率譜及其反演的電子密度、電子和離子溫度、等離子體視線運動速度參數(shù)。時間分辨率為3 min，數(shù)分鐘一個數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)文件分為兩種類型，一類為txt 文本格式，一類為JPEG 圖片格式，其中功率剖面數(shù)據(jù)提供txt格式，電子密度、電子溫度和離子溫度、等離子體視線速度同時提供txt 和JPEG 格式。數(shù)據(jù)文件由文件頭和數(shù)據(jù)部分組成，文件頭是數(shù)據(jù)內(nèi)容說明，數(shù)據(jù)項包含站點、年、月、日、時、分、秒、仰角、方位角、功率參考值、距離窗口數(shù)目、距離（由距離與仰角正弦值的乘積得到高度）、電子密度對數(shù)值（或者電子溫度和離子溫度，或者等離子體視線速度），時間為世界時（Universal Time，UT）。例如，電子濃度數(shù)據(jù)格式如表2 所示，對應(yīng)的數(shù)據(jù)樣例如表3 所示。

表2 電離層電子濃度txt 數(shù)據(jù)格式

表3 電離層電子濃度txt 數(shù)據(jù)樣例

如前介紹，曲靖站非相干散射雷達(dá)有兩種探測模式，對應(yīng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品有兩種：第一種為功率剖面，如圖3 所示，曲靖站非相干散射雷達(dá)探測回波高度對應(yīng)的功率剖面示意圖[24]，橫軸為回波功率，縱軸為高度，圖4 為圖3 中回波功率依據(jù)第1.2 節(jié)介紹的反演方法得到的電子密度剖面圖。

圖3 回波功率剖面數(shù)據(jù)樣例 （2015 年5 月30 日17:52 UT）

圖4 電子密度剖面數(shù)據(jù)樣例（由圖3 回波功率剖面估算獲得）

第二種探測模式獲取的原始數(shù)據(jù)產(chǎn)品為回波歸一化功率譜[25]，依照第一節(jié)方法介紹，功率譜可用于反演獲得電離層電子密度、電子溫度、離子溫度、離子漂移速度等二級參數(shù)，具體如圖5 和6所示。圖5 為電子溫度和離子溫度的高度變化圖，橫軸為溫度值，縱軸為高度，紅色和藍(lán)色曲線分別代表電子與離子溫度。圖6 為功率譜反演計算得到的電子密度、電子溫度、離子溫度、離子飄逸速度等電離層二級參數(shù)信息。同時還可獲取電離層電子密度隨高度的連續(xù)變化情況，如圖7 所示，橫軸為世界時，縱軸為高度（km），圖中hmF2 表示測高儀測得的電離層F2 層峰值高度，圖示電子密度最大值處與F2 層峰值高度存在對應(yīng)關(guān)系。

圖5 電子離子溫度剖面數(shù)據(jù)樣例（2017 年4 月17 日 17:16 UT）

圖6 非相干散射雷達(dá)電離層多參數(shù)連續(xù)變化[25]

圖7 非相干散射雷達(dá)電離層電子密度連續(xù)變化（2015 年5 月29 日至6 月1 日）[19]

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

曲靖非相干散射雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理與反演工作由人工事后完成。為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，我們主要從以下幾個方面進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：

（1）從回波功率剖面與功率譜形態(tài)上判斷回波數(shù)據(jù)是否可靠，刪除無效數(shù)據(jù)。非相干散射雷達(dá)回波功率剖面與功率譜滿足一些基本特征。比如：

一般來說，功率剖面與電子密度剖面形態(tài)相似，在最大電子密度高度（中低緯地區(qū)為250-350公里）以下會出現(xiàn)一個峰值。

功率譜的典型特征是：在電離層底部為單峰結(jié)構(gòu)、F 層具有雙峰結(jié)構(gòu)，隨高度增加功率譜譜寬增加，但是功率譜積分面積逐漸減小，功率譜譜寬為數(shù)kHz 至數(shù)十kHz，發(fā)射頻率與離子功率譜中心頻率之差約數(shù)十Hz 至數(shù)百Hz。

（2）利用曲靖站的垂直探測最大臨界頻率不定期標(biāo)校雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)。從上文可知，準(zhǔn)確反演電離層電子密度需要預(yù)先確定系數(shù)，該系數(shù)與雷達(dá)硬件參數(shù)等有關(guān)，會發(fā)生變化，需定期進(jìn)行標(biāo)校。

（3）由于缺乏其他手段的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行直接比對，但可利用國際參考電離層模型、國外同緯度地區(qū)非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)，輔助對比分析與評估曲靖非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。

4 數(shù)據(jù)價值

曲靖站非相干散射雷達(dá)是我國首套非相干散射雷達(dá)，本數(shù)據(jù)集可用于曲靖地區(qū)電離層分層結(jié)構(gòu)與氣候?qū)W特征、天氣學(xué)（電離層暴、行進(jìn)式擾動、日落增強(qiáng)、不均勻體等）變化過程及建模等研究，對提升我國曲靖地區(qū)電離層空間天氣特性、模型研究水平與促進(jìn)子午工程科學(xué)產(chǎn)出具有重要意義。

致 謝

本數(shù)據(jù)論文的完成得到了國家科技基礎(chǔ)條件平臺- 國家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

唐志美（1993—），女，貴州人，碩士，助理工程師，研究方向為電離層與中高層大氣參數(shù)反演研究。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)服務(wù)。

丁宗華（1978—），男，湖北人，博士，研究員，研究方向為電離層與中高層大氣觀測技術(shù)與參數(shù)反演研究。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

代連東（1988—），男，河北人，碩士，工程師，研究方向為電離層觀測與研究。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)服務(wù)。

楊 嵩（1992—），男，河南人，碩士，工程師，研究方向為非相干散射雷達(dá)探測技術(shù)研究。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)服務(wù)。