丁宗華 吳健 許正文 代連東 魚(yú)浪
(中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?;夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266107)
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電離層非相干散射雷達(dá)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用展望
丁宗華吳健許正文代連東魚(yú)浪
(中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?;夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266107)
摘要非相干散射雷達(dá)是目前地面觀測(cè)電離層最強(qiáng)大的手段.簡(jiǎn)單介紹了非相干散射雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的基本原理和發(fā)展現(xiàn)狀,接著結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了該技術(shù)在電離層探測(cè)、空間物體探測(cè)、空間等離子體物理研究等方面的應(yīng)用前景,緊接著介紹了一些新方法新技術(shù)在非相干散射雷達(dá)探測(cè)中的試驗(yàn)和使用情況.這對(duì)提升我國(guó)電離層空間環(huán)境探測(cè)與研究水平,推動(dòng)我國(guó)首套非相干散射雷達(dá)的科學(xué)產(chǎn)出和應(yīng)用具有重要意義.
關(guān)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(jī)熱運(yùn)動(dòng)對(duì)入射電磁波產(chǎn)生的湯姆遜散射稱為非相干散射[1-2].最初認(rèn)為這種散射來(lái)自彼此獨(dú)立不相干的自由運(yùn)動(dòng)電子,但后來(lái)研究發(fā)現(xiàn),由于受離子的影響,自由電子的運(yùn)動(dòng)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(hào)非常微弱,但仍可被強(qiáng)有力的大功率雷達(dá)探測(cè)到.
自20世紀(jì)60年代初開(kāi)始,國(guó)外以美國(guó)和歐洲非相干散射科學(xué)聯(lián)合會(huì)(European Incoherent Scatter Scientific Association, EISCAT)為代表先后建設(shè)了十多套非相干散射雷達(dá).在我國(guó)“子午工程”等支持下,中國(guó)電波傳播研究所于2012年在云南曲靖建成了我國(guó)首套非相干散射雷達(dá)(25.6°N,103.8°E,Qujing Incoherent Scatter Radar,QJISR)[3].早期的非相干散射雷達(dá)一般屬于脈沖機(jī)械掃描雷達(dá),采用大功率發(fā)射機(jī)和大口徑天線,存在系統(tǒng)復(fù)雜、波束掃描不夠靈活等局限,近年來(lái)發(fā)展了基于相控陣體制的新型非相干散射雷達(dá),其中最典型的是美國(guó)先進(jìn)模塊化非相干散射雷達(dá)(Advanced Modular Incoherent Scatter Radar,AMISR)和正在籌建的歐洲下一代非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)(A Next Generation Geospace Radar System,EISCAT 3D).EISCAT 3D 屬于多基地(一發(fā)五收)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng),采用了固態(tài)發(fā)射、數(shù)字接收、先進(jìn)的信號(hào)處理等技術(shù),具有多波束準(zhǔn)實(shí)時(shí)成像、多基線干涉測(cè)量等探測(cè)能力,代表了目前全球非相干散射雷達(dá)的最新發(fā)展方向.
電離層非相干散射雷達(dá)探測(cè)具有測(cè)量參數(shù)多、覆蓋空間范圍廣、時(shí)空分辨率高等突出優(yōu)點(diǎn),是目前地面探測(cè)與研究電離層的最強(qiáng)大手段.比如它可直接探測(cè)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(shù),間接反演電離層電導(dǎo)率、電場(chǎng)、熱層風(fēng)、碰撞頻率等參數(shù);它可探測(cè)電離層全剖面,空間覆蓋范圍更廣(方位俯仰可調(diào),距離80~1 000 km);此外它的時(shí)空分辨率很高(時(shí)間分辨約數(shù)十秒,空間分辨可達(dá)數(shù)百米,具體與雷達(dá)的發(fā)射功率、天線增益、脈沖寬度等系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)).由于非相干散射雷達(dá)具有發(fā)射功率強(qiáng)(一般為MW量級(jí))、天線增益大(一般大于40 dB)、接收靈敏度高、信號(hào)處理算法靈活等特點(diǎn),在空間物體探測(cè)、空間等離子體物理研究等方面也具有重要應(yīng)用前景.此外,也可以作為空間環(huán)境探測(cè)新技術(shù)、新方法的重要測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái).
1電離層探測(cè)與研究
非相干散射雷達(dá)可探測(cè)電離層精細(xì)分層結(jié)構(gòu),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(gè)參數(shù),為電離層空間天氣特性研究與建模提供數(shù)據(jù)支持[4].比如非相干散射雷達(dá)探測(cè)的電離層電子密度剖面是電離層逐日變化、暴時(shí)變化、異常變化等各種天氣變化過(guò)程研究所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù),也可用于目前全球?qū)Ш叫l(wèi)星(Global Navigation Satellite System,GNSS)信標(biāo)/三頻信標(biāo)/掩星/垂直探測(cè)等手段獲取電子密度剖面的精度分析驗(yàn)證,支持電離層探測(cè)技術(shù)的發(fā)展.目前全世界廣泛使用的電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蜑閲?guó)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(cè)儀和非相干散射雷達(dá)等數(shù)據(jù).
圖1~4分別為QJISR的一些實(shí)測(cè)結(jié)果,其中圖1為一個(gè)電離層回波功率剖面,反映了電離層精細(xì)分層結(jié)構(gòu),從圖1可見(jiàn)電離層各分層(E層,F1層和F2層)的高度和電子密度相對(duì)強(qiáng)弱(電子密度與回波功率緊密相關(guān)).圖2為電離層多參數(shù)隨時(shí)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(gè)基本參數(shù)的日變化特征.圖3為2012年5月每日正午時(shí)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(shí)線為月中值,可見(jiàn)電離層逐日變化是很強(qiáng)的,在最大電子密度高度處(約350 km)的相對(duì)變化約為25%~75%.圖4為2014年5月30日24 h連續(xù)探測(cè)的電離層電子密度變化,細(xì)實(shí)線為電離層峰值高度,可以看出存在電子密度夜間增強(qiáng)現(xiàn)象,這是一種常見(jiàn)的低緯電離層天氣現(xiàn)象.
圖1 電離層分層結(jié)構(gòu)
圖2 電離層多參數(shù)的時(shí)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(qiáng)現(xiàn)象
非相干散射雷達(dá)探測(cè)獲取的等離子體運(yùn)動(dòng)速度、電場(chǎng)、熱層風(fēng)、離子成分等數(shù)據(jù)對(duì)電離層電動(dòng)力學(xué)過(guò)程和暴時(shí)擾動(dòng)機(jī)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(duì)流是一種重要的空間天氣現(xiàn)象,其對(duì)流模式的強(qiáng)度和尺度主要由行星際磁場(chǎng)(太陽(yáng)風(fēng)攜帶)控制.EISCAT和美國(guó)Millstone Hill雷達(dá)在中高緯的全球?qū)α魈匦耘c建模研究中做出了重要貢獻(xiàn).再比如極區(qū)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(dá)位于極隙區(qū),經(jīng)常觀測(cè)到離子上行現(xiàn)象.
作為人工擾動(dòng)電離層的重要途徑,電離層加熱受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的關(guān)注,而非相干散射雷達(dá)可探測(cè)電離層電子溫度、離子溫度等參數(shù),在電離層加熱實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)揮著“溫度計(jì)”的關(guān)鍵作用[4-5],因此國(guó)外在建設(shè)電離層加熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)都建有非相干散射雷達(dá)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(shí)驗(yàn)站建有兩套非相干散射雷達(dá)(即EISCAT VHF和UHF雷達(dá)).英國(guó)在北極斯瓦爾巴德島的SPEAR加熱試驗(yàn)系統(tǒng)也建有非相干散射雷達(dá).
目前全球在非相干散射雷達(dá)的電離層探測(cè)研究方面,以美國(guó)和EISCAT研究團(tuán)隊(duì)的工作最具有代表性.比如美國(guó)Millstone Hill團(tuán)隊(duì)至今已開(kāi)展了50余年的觀測(cè),建立了龐大數(shù)據(jù)庫(kù),開(kāi)發(fā)了全球非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)共享軟件系統(tǒng)(Madrigal,http://madrigal.haystack.mit.edu/),在中緯亞極光區(qū)電離層特性與模型方面取得了一系列重要結(jié)果.EISCAT團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了電離層非相干散射數(shù)據(jù)處理與分析軟件(Grand Unified Incoherent Scatter Data Analysis Package,GUISDAP),在北歐高緯極區(qū)電離層研究方面取得了大量重要結(jié)果.國(guó)外的主要工作包括:電離層結(jié)構(gòu)與形態(tài)、電離層氣候特征、暴時(shí)與擾動(dòng)變化、極區(qū)電離層動(dòng)力學(xué)-電動(dòng)力學(xué)過(guò)程與機(jī)理、中低緯電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)、電離層電動(dòng)力學(xué)模型和區(qū)域模型等研究.
2空間物體探測(cè)
非相干散射雷達(dá)在空間碎片、流星物質(zhì)、衛(wèi)星、小行星等空間物體探測(cè)方面也具有重要應(yīng)用價(jià)值.對(duì)非相干散射雷達(dá)來(lái)說(shuō),空間物體(硬目標(biāo))與電離層是兩類完全不同的目標(biāo),其目標(biāo)特性差別顯著,探測(cè)時(shí)的主要差別體現(xiàn)在信號(hào)處理和數(shù)據(jù)反演分析方法上.
需要說(shuō)明的是在電離層探測(cè)模式下,非相干散射雷達(dá)的探測(cè)回波(一般為功率剖面和功率譜)中也可能出現(xiàn)空間物體回波,可用于空間物體目標(biāo)的初步分析.EISCAT在早期電離層探測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常觀測(cè)到異于常規(guī)電離層的回波,EISCAT稱之為“衛(wèi)星回波”,當(dāng)時(shí)并沒(méi)有深入研究,只是認(rèn)為可能是空間碎片所引起.直到1991年EISCAT用VHF雷達(dá)對(duì)這種“衛(wèi)星回波”進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn),并將結(jié)果與美國(guó)Haystack雷達(dá)探測(cè)結(jié)果和預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了對(duì)比,才確認(rèn)多數(shù)“衛(wèi)星回波”來(lái)自空間碎片.圖5為QJISR在電離層探測(cè)模式下的一個(gè)功率譜數(shù)據(jù),在250~400 km之間的雙峰譜結(jié)構(gòu)為典型的電離層非相干散射譜,而在650~700 km之間存在兩個(gè)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(cè)模式一般需積累數(shù)分鐘,同時(shí)非相干積累時(shí)僅在每個(gè)重復(fù)周期內(nèi)作自相關(guān)處理和譜估計(jì),存在時(shí)間分辨率低、多普勒頻率分辨率低、探測(cè)精度低等不足,因此一般需加裝專門的空間物體數(shù)據(jù)采集設(shè)備與處理器,以提高空間物體的探測(cè)精度和分辨率.
EISCAT在歐州太空局(簡(jiǎn)稱歐空局)支持下在空間碎片探測(cè)方面開(kāi)展了廣泛深入研究[6].他們主要以波束駐留模式,對(duì)低地球軌道上穿過(guò)波束范圍內(nèi)的的小尺寸(直徑為厘米量級(jí))空間碎片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)意義上的探測(cè)研究,獲得空間碎片的軌道高度、距離、方位、仰角、雷達(dá)散射截面(Radar Cross-Section, RCS)、等效尺寸、徑向速度等多個(gè)參數(shù),為歐空局等用戶提供空間碎片數(shù)據(jù)服務(wù).EISCAT在非相干散射雷達(dá)接收機(jī)第二中頻模擬信號(hào)輸出口安裝了專門的空間碎片數(shù)據(jù)采集與處理器(含空間碎片數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理板、數(shù)據(jù)分析軟件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)等),實(shí)現(xiàn)了空間碎片波束駐留探測(cè)能力.EISCAT探測(cè)空間碎片的時(shí)間長(zhǎng)短不一,既有連續(xù)24 h持續(xù)數(shù)天的探測(cè),也有每天數(shù)小時(shí)持續(xù)數(shù)月的探測(cè).比如,2006年7月8日,開(kāi)展了連續(xù)24 h探測(cè),共探測(cè)到1 700多個(gè)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(xué)家近年來(lái)也利用其伊爾庫(kù)茨克非相干散射雷達(dá)積極開(kāi)展空間碎片探測(cè)試驗(yàn).比如2006-2010年期間,每年探測(cè)時(shí)間1 500 h以上,累計(jì)探測(cè)近8 000 h,共探測(cè)到35萬(wàn)多個(gè)空間碎片.
圖5 在電離層探測(cè)模式下非相干散射回波
國(guó)內(nèi)金旺、丁宗華等積極開(kāi)展基于非相干散射雷達(dá)的空間碎片探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[7-8].圖6為利用QJISR原始采樣數(shù)據(jù)計(jì)算的空間物體回波功率譜,可以清晰地發(fā)現(xiàn)在683 km處存在一個(gè)不同于電離層的空間硬目標(biāo)回波,橫坐標(biāo)為多普勒頻移,對(duì)應(yīng)目標(biāo)的徑向速度,從回波信噪比利用雷達(dá)方程可估算目標(biāo)的雷達(dá)散射截面等.
國(guó)外學(xué)者[9]利用MU雷達(dá)在流星探測(cè)方面開(kāi)展了一些重要工作,分析了雷達(dá)波束平行和垂直地磁場(chǎng)時(shí)散射回波特征,研究了流星結(jié)構(gòu)和散射機(jī)制.圖7為MU雷達(dá)探測(cè)的流星回波信噪比變化,橫坐標(biāo)表示時(shí)間(單位為ms),縱坐標(biāo)為信噪比,細(xì)黑線表示地方時(shí)00:53:00開(kāi)始探測(cè)的91 km的回波,而粗黑線為地方時(shí)07:45:00開(kāi)始探測(cè)的90.6 km的回波,雷達(dá)波束垂直于地磁場(chǎng),細(xì)黑線顯示了準(zhǔn)周期的起伏,表明此過(guò)程不完全是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程.此外,EISCAT多次報(bào)道在非相干散射雷達(dá)原始回波中檢測(cè)到行星、衛(wèi)星等空間物體.
圖6 由原始采樣數(shù)據(jù)計(jì)算的空間物體回波功率譜
圖7 MU雷達(dá)實(shí)測(cè)的流星回波信噪比變化
3空間等離子體物理研究
在寧?kù)o的電離層條件下,利用非相干散射雷達(dá)功率譜反演電離層參數(shù)時(shí)一般都假設(shè)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(chǎng)向電流、極光電急流等劇烈擾動(dòng)條件下此關(guān)系不再滿足,需對(duì)相關(guān)的反演理論進(jìn)行修正,這涉及到非平衡態(tài)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(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)有望分析解決電離層加熱過(guò)程涉及到眾多的空間等離子體物理問(wèn)題.國(guó)內(nèi)徐彬等[10-11]開(kāi)展了非麥克斯韋分布多階矩近似、超高斯分布函數(shù)、考慮碰撞以及外場(chǎng)影響等條件下的非相干散射譜理論與數(shù)值模擬研究工作.
利用非相干散射雷達(dá)在高緯極區(qū)經(jīng)常觀測(cè)到一些重要的空間等離子體現(xiàn)象,為相關(guān)研究提供了重要數(shù)據(jù)支撐.比如EISCAT 在極區(qū)經(jīng)常觀測(cè)到一種短暫的離子聲波譜線強(qiáng)度急劇增加(4~5個(gè)量級(jí))現(xiàn)象,即自然增強(qiáng)離子聲波譜線(Natural Enhanced Ion Acoustic Spectral Lines, NEIALs),其可能的物理機(jī)制包括電流驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定性、強(qiáng)場(chǎng)向電流驅(qū)動(dòng)、郎繆爾波參量衰減等;在高緯極區(qū)中層頂區(qū)域經(jīng)常探測(cè)到極區(qū)夏季異?;夭?Polar Mesosphere Summer Echo, PMSE)和極區(qū)冬季異常回波(Polar Mesosphere Winter Echo, PMWE),目前認(rèn)為是中層頂區(qū)域冰晶粒子與等離子體相互作用產(chǎn)生的[12].此外,非相干散射雷達(dá)對(duì)高緯極區(qū)的等離子體對(duì)流、離子上行、粒子沉降、極光卵的發(fā)展和演化、舌狀電離結(jié)構(gòu)等重要等離子體物理問(wèn)題的研究都具有重要意義.
作為唯一的磁赤道地區(qū)非相干散射雷達(dá),Jicamarca雷達(dá)的建設(shè)初衷是為了研究離子沿磁力線回旋運(yùn)動(dòng)對(duì)電離層等離子體參數(shù)起伏和非相干散射譜峰特征的影響,該雷達(dá)被視為離子的“質(zhì)譜儀”.該雷達(dá)運(yùn)行以來(lái)在低緯電離層不規(guī)則體結(jié)構(gòu)、等離子體不穩(wěn)定性發(fā)展演化與機(jī)制、赤道電離層電動(dòng)力學(xué)等研究方面取得了豐碩成果[13].
4非相干散射探測(cè)新技術(shù)新方法試驗(yàn)研究
作為一套大型空間環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施,非相干散射雷達(dá)本身在實(shí)驗(yàn)方法、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)反演等方面存在許多值得持續(xù)研究之處,這直接推動(dòng)了一些新技術(shù)新方法在非相干散射探測(cè)中的試驗(yàn)和應(yīng)用.比如:脈沖編碼是非相干散射雷達(dá)信號(hào)處理的一個(gè)重要內(nèi)容,它決定了雷達(dá)的距離分辨率、譜分辨率、回波信噪比等重要指標(biāo),早期EISCAT學(xué)者曾專門設(shè)計(jì)了基于Walsh變換的交替碼用于非相干散射雷達(dá)探測(cè),近年來(lái)有學(xué)者開(kāi)始探討偽隨機(jī)碼、多相位碼、混合編碼等新型編碼技術(shù)在非相干散射雷達(dá)中的應(yīng)用.國(guó)內(nèi)吳永宏等[14]研究了互補(bǔ)碼在非相干散射探測(cè)中的應(yīng)用,認(rèn)為相對(duì)巴克碼來(lái)說(shuō),互補(bǔ)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(guó)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(duì)誤差的絕對(duì)值不大于5%.
隨著軟件無(wú)線電等技術(shù)的發(fā)展,EISCAT正在積極籌劃EISCAT 3D的建設(shè),它將在波束形成與控制、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計(jì)等方面采用一系列雷達(dá)新方法新技術(shù),以提高非相干散射雷達(dá)的觀測(cè)分辨率、測(cè)量精度、覆蓋范圍和靈活性等.比如對(duì)原始回波高速采樣后直接用軟件進(jìn)行信號(hào)處理,代替以前的數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor, DSP)等硬件.此外,EISCAT 3D正在探索試驗(yàn)包括三維立體成像、post acquisition 波束合成、孔徑合成成像、干涉測(cè)量、波束和相位front shaping、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、自適應(yīng)交叉實(shí)驗(yàn)等非相干散射探測(cè)新技術(shù)[16].
5結(jié)論
作為目前最強(qiáng)大的地基電離層空間環(huán)境探測(cè)手段,非相干散射雷達(dá)在電離層觀測(cè)與研究、空間物體探測(cè)、空間等離子體物理研究等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值.
本文結(jié)合我國(guó)首套非相干散射雷達(dá)的部分實(shí)測(cè)結(jié)果,分析了非相干散射雷達(dá)探測(cè)的應(yīng)用前景,對(duì)提升我國(guó)的電離層非相干散射探測(cè)與研究水平,特別是推動(dòng)曲靖非相干散射雷達(dá)的科學(xué)產(chǎn)出與應(yīng)用具有重要意義.
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丁宗華(1978-),男,湖北人,博士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)榉窍喔缮⑸淅走_(dá)探測(cè)技術(shù).
吳健(1962-),男,安徽人,博士,研究員,研究方向?yàn)殡姴▊鞑ィ?/p>
許正文(1971-),男,安徽人,博士,研究員,研究方向?yàn)殡婋x層電波傳播.
作者簡(jiǎn)介
中圖分類號(hào)TN958
文獻(xiàn)標(biāo)志碼A
文章編號(hào)1005-0388(2016)01-0193-06
收稿日期:2015-03-02
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資助項(xiàng)目: 國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目和民用航天預(yù)研基金項(xiàng)目
聯(lián)系人: 丁宗華 E-mail:zhdingmou@163.com