武漢VHF相干散射雷達(dá)及初始觀測結(jié)果

張思源+趙正予+周晨+倪彬彬++顧旭東

摘 要： 武漢VHF雷達(dá)坐落于武漢大學(xué)（30.5°N，114.4°E），工作頻率為48.2 MHz，是我國首部用于觀測中緯度電離層場向不均勻體實(shí)時(shí)演變特征的相干散射雷達(dá)。首先詳細(xì)介紹該雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括天線陣系統(tǒng)、功放系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、波束控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；然后利用噪聲基底擬合方式去除射頻干擾，增強(qiáng)RTI圖的可讀性和雷達(dá)有效回波結(jié)構(gòu)的清晰度。武漢VHF雷達(dá)E層不均勻體的觀測結(jié)果表明，中緯E層準(zhǔn)周期回波的發(fā)生是風(fēng)剪切激發(fā)K?H不穩(wěn)定性所致。

關(guān)鍵詞： VHF相干散射雷達(dá)； 中頻數(shù)字接收機(jī)； 場向不均勻體； 噪聲基底擬合

中圖分類號(hào)： TN913.37?34； TN958.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）24?0001?05

Wuhan VHF coherent scattering radar and its initial observation results

ZHANG Siyuan， ZHAO Zhengyu， ZHOU Chen， NI Binbin， GU Xudong

（School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430079， China）

Abstract： Wuhan VHF （very high frequency） Radar is the first coherent scattering radar used to observe the real?time evolution character of the midlatitude ionosphere field?aligned irregularities， which locates in Wuhan University （30.5°N， 114.4°E） and works at 48.2 MHz. The design of the radar system is introduced in detail， including its antenna array system， power amplifying system， receiving system， beam steering system and data processing system. The background noise fitting method is used to eliminate the RF interference， and enhance the readability of the RTI （range time intensity） figure and definition of the effective radar echo structure. The observation results of E region field?aligned irregularities of the Wuhan VHF Radar show that the occurrence of the midlatitude E region quasi?periodic echo is caused by the K?H instability inspired by the wind shear.

Keywords： VHF coherent scattering radar； digital IF receiver； field?aligned irregularity； background noise fitting

0 引 言

電離層不均勻體是指電離層中出現(xiàn)的不同電離密度的云塊狀結(jié)構(gòu)，它能改變無線電波的射線軌道和傳播時(shí)延，引起無線電信號(hào)幅度和相位的隨機(jī)快速起伏，造成地空無線電系統(tǒng)性能下降。因此，研究電離層不均勻體的產(chǎn)生和演變機(jī)制具有重要意義。20世紀(jì)60年代開始，VHF（Very High Frequency）相干和非相干散射雷達(dá)[1?4]成為電離層不均勻體觀測的重要方式。在過去的幾十年里，電離層不均勻體的觀測研究首先在赤道電集流區(qū)和極光電集流區(qū)展開，并取得重大進(jìn)展。中低緯地區(qū)電離層不均勻體的研究進(jìn)展相對比較緩慢，觀測設(shè)備主要依靠Arecibo非相干散射雷達(dá)，日本MU雷達(dá)[5?6]，Piura的VHF雷達(dá)，Gadanki的MST雷達(dá)[7]，新西蘭南部VHF雷達(dá)，中國臺(tái)灣中壢VHF雷達(dá)[8]。

國內(nèi)電離層不均勻體的研究起步較晚。受觀測設(shè)備限制，國內(nèi)學(xué)者依靠電離層測高儀和閃爍儀對中低緯電離層不均勻體進(jìn)行觀測研究，但小尺度電離層不均勻結(jié)構(gòu)的研究仍處于空白。2008年，我國開始實(shí)施子午工程項(xiàng)目建設(shè)，對我國境內(nèi)東經(jīng)120°子午鏈和北緯30°緯線的空間環(huán)境進(jìn)行探測和監(jiān)控。寧百齊、李國主等人利用三亞VHF相干散射雷達(dá)的觀測結(jié)果[9?11]，對電離層不均勻體回波的發(fā)生特征和發(fā)生率做了詳細(xì)的分析統(tǒng)計(jì)，解釋了我國低緯電離層不均勻體的發(fā)生和演變機(jī)制。

2015年2月，用于中緯電離層E，F(xiàn)區(qū)不均勻體研究的VHF相干散射雷達(dá)在武漢大學(xué)校內(nèi)完成建設(shè)調(diào)試，并開始對中緯電離層不均勻體的發(fā)生和演變過程進(jìn)行觀測研究，填補(bǔ)了我國中緯小尺度電離層不均勻體觀測的空白。本文首先對雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹，然后采用噪聲基底擬合對電離圖進(jìn)行處理，最后給出E層不均勻體的初始觀測和分析結(jié)果。

1 武漢VHF雷達(dá)

1.1 探測原理

武漢VHF雷達(dá)工作為相干多普勒后向散射雷達(dá)，利用不均勻體對無線電波的后向散射實(shí)現(xiàn)電離層不規(guī)則體的觀測。等離子體波沿地球磁力線傳播，造成電子密度不均勻體沿磁力線方向排列，其散射截面積會(huì)隨著雷達(dá)波束方向與磁力線的夾角而變化。當(dāng)雷達(dá)波束與磁力線垂直時(shí)，不均勻體的散射截面最大。因此，雷達(dá)入射波必須在E，F(xiàn)區(qū)與地磁線垂直。此外，電離層的相干散射滿足布拉格散射定律，能實(shí)現(xiàn)對[λ2]尺度不均勻結(jié)構(gòu)的探測。電波散射示意圖如圖1所示。

圖1 電波散射示意圖

1.2 雷達(dá)系統(tǒng)

武漢VHF相干散射雷達(dá)工作頻率為48.2 MHz，是采用主動(dòng)相控陣系統(tǒng)的單站式脈沖多普勒雷達(dá)。一系列先進(jìn)的雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用（如全固態(tài)發(fā)射機(jī)、中頻數(shù)字接收機(jī)、數(shù)字波束合成等技術(shù)）使得該雷達(dá)具有距離分辨率高、探測距離遠(yuǎn)、多普勒分辨能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足電離層E，F(xiàn)區(qū)場向不均勻體及其漂移特征的觀測要求。雷達(dá)整個(gè)信號(hào)處理過程均在頻域上進(jìn)行，對回波脈沖序列的頻譜分析處理能夠有效地抑制雜波。此外，脈沖壓縮、二進(jìn)制偽隨機(jī)相位編碼等雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了雷達(dá)的探測性能。

VHF相干散射雷達(dá)主要由天線陣系統(tǒng)、功放系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、波束控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成（見圖2）。此外還包括頻率合成系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、斷電保護(hù)系統(tǒng)等。雷達(dá)運(yùn)行基本流程如下：由計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)生高頻脈沖信號(hào)，信號(hào)在波束控制單元中移相后經(jīng)天線輻射出去，輻射能量在空間中被合成到特定的方向，以增強(qiáng)輻射方向性。輻射的無線電信號(hào)被電離層不均勻體散射后，一部分信號(hào)被雷達(dá)天線接收到。接收到的信號(hào)在傳輸?shù)綌?shù)字中頻接收機(jī)前經(jīng)濾波、放大、混頻處理；在數(shù)字中頻接收機(jī)中，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、濾波、放大、正交相位檢波以及快速傅里葉變換，最后得到回波的功率譜數(shù)據(jù)。

圖2 雷達(dá)系統(tǒng)框圖

雷達(dá)天線陣采用典型的矩形天線陣，東西長48.278 m，南北寬9.236 m，由12×2=24副五單元水平線極化八木天線構(gòu)成，用于雷達(dá)信號(hào)的發(fā)射和接收，天線陣整體的輻射功率峰值為24 kW。24副天線均朝向地磁正北等高水平放置，天線行間距為4.398 m（0.707λ），列間距為9.236 m（1.48λ）。天線陣波束3 dB寬度約14°，最大方向增益22 dB，波束傾角為45°，通常固定指向地磁正北，并在電離層E，F(xiàn)區(qū)高度與地磁場垂直。波束控制方式為繼電器切換，12通道中每個(gè)通道均有180°，90°，45°，22.5°，11.25°和5.625°的切換延遲。雷達(dá)波束可以在天頂角上以1°的步進(jìn)在±20°的范圍內(nèi)連續(xù)掃描。為保證掃描方向上的低旁瓣，接收時(shí)天線陣波束采用一維加權(quán)。

VHF雷達(dá)功率合成方式采用半分布式饋電模式，即由6個(gè)固態(tài)射頻功率放大器模塊將24 kW的峰值功率通過1∶2功分器饋送到波束控制單元，然后再經(jīng)1∶2功分器饋送至24副天線?？砂l(fā)射占空比為10%的單脈沖和12%的調(diào)相脈沖，脈沖重復(fù)周期由脈沖寬度和占空比共同決定。雷達(dá)可調(diào)節(jié)輸出功率等級范圍為0～100%。

接收機(jī)的主要作用是將天線接收到的回波信號(hào)進(jìn)行處理，最終得到基帶信號(hào)。雷達(dá)接收機(jī)由本地振蕩器、低噪聲放大器、帶通濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字下變頻等部分組成。接收機(jī)框圖如圖3所示。

圖3 接收機(jī)框圖

按照功能不同可劃分為射頻部分和數(shù)字部分。射頻部分是一個(gè)單級的射頻到中頻的過程：從天線接收到的回波信號(hào)經(jīng)射頻帶通濾波器和低噪聲射頻放大器后，在混頻器中，與本地振蕩器產(chǎn)生的等幅高頻電壓混合，頻率被降到中頻。本地振蕩器和增益控制由激勵(lì)器產(chǎn)生。中頻中心頻率為80 MHz，是一個(gè)1～2 MHz的窄帶信號(hào)。數(shù)字部分包括中頻數(shù)字采樣和數(shù)字下變頻。中頻數(shù)字采樣是指中頻模擬信號(hào)經(jīng)由一個(gè)16位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以90 MSPS的采樣率進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)；隨后中頻數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)字下變頻處理，最終得到的I/Q輸出信號(hào)被傳輸至信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

數(shù)字下變頻由數(shù)控振蕩器、數(shù)字乘法器以及數(shù)字濾波器（CIC濾波，窗函數(shù)濾波）三部分組成。其組成框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)字下變頻框圖

從頻譜上看，數(shù)字下變頻是將A/D采樣后的信號(hào)從中頻變換到基帶。該過程可分成兩個(gè)部分：首先是數(shù)字控制振蕩器產(chǎn)生的正交載波與輸入信號(hào)相乘，利用數(shù)字混頻法對數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)；第二部分則是進(jìn)行數(shù)字濾波，濾除不需要的頻率分量，該部分主要是進(jìn)行CIC（Cascaded Integrator Comb）低通抽取濾波以及FIR（Finite Impulse Response）補(bǔ)償濾波等處理。

VHF雷達(dá)接收到的后向散射回波信號(hào)非常弱，為獲得散射回波信號(hào)，武漢大學(xué)VHF雷達(dá)采用直接中頻數(shù)字采樣[12]，這樣可以保留更多信息，減少模擬電路的溫度漂移、增益變化以及線性失真等所帶來的影響；利用數(shù)字混頻實(shí)現(xiàn)正交解調(diào)[13]，可以有效避免模擬混頻產(chǎn)生的寄生信號(hào)和交調(diào)失真。在數(shù)字域上進(jìn)行相位檢測能夠確保相位正交性和幅度一致性，極大地提高了觀測精度，也使設(shè)備可靠性更高。雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2 信號(hào)處理

不均勻體回波通常非常微弱，信號(hào)處理器必須具有捕捉微弱回波和高估算精度的能力。信號(hào)處理器是雷達(dá)的一個(gè)關(guān)鍵部分，它的能力直接反映了雷達(dá)的整體性能。武漢VHF相干散射雷達(dá)采用了特殊的數(shù)字信號(hào)處理器，用來實(shí)現(xiàn)編碼脈沖壓縮、相干累積、FFT、雜波抑制、譜平均（非相干累積）等。信號(hào)處理器輸出的回波功率譜數(shù)據(jù)作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理的來源將直接影響到后續(xù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的有效性和可靠性。信號(hào)處理框圖如圖5所示。

表1 雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)

圖5 信號(hào)處理框圖

武漢VHF相干散射雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理通過一臺(tái)高性能的控制處理計(jì)算機(jī)來完成。信號(hào)處理所得到的功率譜數(shù)據(jù)經(jīng)由PCI（Peripheral Component Interconnect）總線傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)處理。VHF雷達(dá)的控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供了一系列功能，主要包括工作參數(shù)和觀測模式的選擇；提供默認(rèn)的運(yùn)行參數(shù)；自定義參數(shù)設(shè)定；顯示實(shí)時(shí)的探測結(jié)果；監(jiān)控并顯示雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)；數(shù)據(jù)處理和儲(chǔ)存；數(shù)據(jù)傳輸以及網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)。

圖6為雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到的SNR（Signal Noise Ratio）圖，有效回波主要是指電離層區(qū)域不均勻體的散射回波，反映了高電子密度不均勻體的時(shí)空結(jié)構(gòu)，因此又稱為雷達(dá)回波電離圖。

圖6 雷達(dá)顯示的回波強(qiáng)度

武漢射頻干擾較為嚴(yán)重，射頻干擾和回波信號(hào)處于同一帶寬內(nèi)，這些干擾被引入接收機(jī)，直接影響有效信息的提取。從圖6可以看出，射頻干擾通常呈現(xiàn)為垂直條狀。這些干擾覆蓋在有效回波之上及其周圍，使得不規(guī)則體的精細(xì)結(jié)構(gòu)和邊界模糊不清，有時(shí)甚至嚴(yán)重抑制不規(guī)則體散射回波，使得信噪比RTI（Range Time Intensity）圖的可讀性變差。本文根據(jù)VHF雷達(dá)實(shí)際探測所接收到的數(shù)據(jù)，根據(jù)有效回波和射頻干擾的時(shí)空特性差異，利用噪聲基底擬合的方式實(shí)現(xiàn)射頻干擾的去除，結(jié)果表明該方法能有效地剔除射頻干擾，并保留有效回波。圖7給出了武漢VHF雷達(dá)2015年7月18日12：40—13：00（UT）射頻干擾下的雷達(dá)回波信噪比實(shí)例。

圖7 有射頻干擾的回波強(qiáng)度

從圖7可以看出，電離層E區(qū)不規(guī)則體通常出現(xiàn)在130～200 km之間，200 km以上極少出現(xiàn)不規(guī)則體回波。有效回波信號(hào)強(qiáng)度在不同距離門上存在著顯著差異，射頻干擾在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的所有距離門上都有出現(xiàn)，其強(qiáng)度基本保持不變或呈現(xiàn)緩慢線性變化。因此，提取不含有效回波的距離門上的回波信號(hào)，采取最小二乘法對同一時(shí)間點(diǎn)不同高度上的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到射頻干擾強(qiáng)度隨距離的變化關(guān)系，最后利用擬合得到的回歸方程計(jì)算出各距離門上的噪聲電平，最后相消達(dá)到去射頻干擾的目的。

圖8為圖7擬合去噪后的結(jié)果，從圖8中可以看出，抑制射頻干擾后，雷達(dá)回波信噪比RTI圖的可讀性更強(qiáng)，不規(guī)則體回波信號(hào)更加清晰，回波精細(xì)結(jié)構(gòu)和邊緣信息都非常明顯。

3 典型觀測結(jié)果

利用武漢VHF雷達(dá)對武漢地區(qū)電離層E區(qū)場向不規(guī)則體進(jìn)行觀測。圖9給出2015年7月9日觀測到的電離層E區(qū)場向不均勻體實(shí)際觀測結(jié)果。其中圖9（a）為0：00—24：00（UT）全天的觀測結(jié)果，圖9（b）為電離層E區(qū)場向不均勻體出現(xiàn)時(shí)段的觀測結(jié)果。

圖8 擬合去噪后的回波強(qiáng)度

圖9 實(shí)際觀測結(jié)果和E區(qū)回波強(qiáng)度

從圖9（a）中明顯看出武漢地區(qū)電離層E區(qū)場向不規(guī)則體發(fā)生在12：00—18：20（UT）之間，而在其他時(shí)段未觀測到不均勻體。不均勻體出現(xiàn)在150～180 km之間，且主要集中在155～170 km之間，在波束方向上的尺度范圍大約為7～15 km。從圖9（b）可以看出，雷達(dá)回波間歇性出現(xiàn)，不規(guī)則體結(jié)構(gòu)在HTI圖上呈現(xiàn)出垂直的或者傾斜的長條塊狀結(jié)構(gòu)，回波周期大約為2～15 min，表現(xiàn)為準(zhǔn)周期性回波特征。此外，隨著時(shí)間推移，不規(guī)則體整體呈現(xiàn)出緩慢下沉的變化趨勢，在當(dāng)?shù)貢r(shí)間24點(diǎn)以后，回波強(qiáng)度和尺度范圍開始變?nèi)?，最終消失。

早期，國外空間物理學(xué)者對準(zhǔn)周期回波進(jìn)行了大量的研究。Yamamoto等人利用日本的MU雷達(dá)發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)周期回波；Woodman等人提出了重力波扭曲Es層的機(jī)制來解釋準(zhǔn)周期回波的形成；Tsunoda引入極化電場的影響來修正重力波調(diào)制理論；Bernhardt等人基于風(fēng)切不穩(wěn)定機(jī)制[14]，提出了風(fēng)剪切影響Es形成K?H結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生準(zhǔn)周期回波的的理論；最近十年來，研究人員利用非相干散射雷達(dá)和相干散射雷達(dá)積累了大量中緯度E層不均勻體的觀測結(jié)果，并發(fā)現(xiàn)這些E層不均勻體與Es存在著密切的聯(lián)系。

與三亞（低緯）和中壢（中緯）的觀測結(jié)果不同，地處中緯地區(qū)的武漢很少觀測到E層不均勻體連續(xù)性回波。武漢地區(qū)E層不均勻體準(zhǔn)周期回波通常發(fā)生在夜間，且具有明顯的季節(jié)變化特征。對于武漢準(zhǔn)周期回波的發(fā)生，風(fēng)剪切理論能給出相對合理的解釋：E層的水平風(fēng)場剪切作用不僅能夠產(chǎn)生Es，其強(qiáng)度還可以激發(fā)K?H不穩(wěn)定性。風(fēng)剪切影響Es從而形成K?H結(jié)構(gòu)，K?H結(jié)構(gòu)受中性風(fēng)作用運(yùn)動(dòng)進(jìn)而在雷達(dá)RTI圖上形成準(zhǔn)周期回波。此外，中緯地區(qū)緯向風(fēng)切變節(jié)點(diǎn)處在夜間是不穩(wěn)定的，也可能會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)周期回波結(jié)構(gòu)。夜間，E層不均勻體回波呈現(xiàn)出緩慢下降，這可能是因?yàn)榫哂邢蛳孪嗨俣鹊某毕蛑亓Σㄋ拢部赡苁窍滦酗L(fēng)切變所驅(qū)使的。在觀測中發(fā)現(xiàn)，E層不規(guī)則體出現(xiàn)具有明顯的季節(jié)變化，這表明E層不均勻體發(fā)生的季節(jié)變化受背景密度、Es層、電場以及風(fēng)場的共同影響。

在中緯度E層不均勻體的機(jī)理研究方面，雖然K?H不穩(wěn)定性和Es不穩(wěn)定性都能從背景風(fēng)場的角度提出合理的解釋，但E層不均勻體的形成仍然是一個(gè)復(fù)雜的過程，單一的不穩(wěn)定性不能解釋全部的現(xiàn)象。因此還有待進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 語

本文介紹了國內(nèi)首部用于中緯地區(qū)電離層不均勻結(jié)構(gòu)觀測的VHF相干散射雷達(dá)。全固態(tài)發(fā)射機(jī)、主動(dòng)相控陣、中頻數(shù)字接收機(jī)等先進(jìn)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，提高了雷達(dá)的探測性能。雷達(dá)具有很高的時(shí)間分辨率和距離分辨率，能對小尺度的電離層不均勻結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效觀測。本文利用VHF雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)給出了初始的觀測結(jié)果：中低緯度地區(qū)電離層E區(qū)準(zhǔn)周期回波的產(chǎn)生可能是由于水平風(fēng)場剪切作用激發(fā)K?H不穩(wěn)定性所致。同時(shí)武漢VHF雷達(dá)可以全天候無人值守連續(xù)觀測，能夠積累大量的中低緯度E，F(xiàn)區(qū)場向不均勻體，對于統(tǒng)計(jì)分析武漢地區(qū)電離層不均勻體形態(tài)結(jié)構(gòu)及形成機(jī)制具有非常重要的意義。

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