昆明VHF 雷達干涉測量天線陣設(shè)計研究*

劉 瑤，鄧忠新，徐 彬，徐朝輝，徐 彤

（中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室，山東 青島 266107）

0 引言

電離層是地面60 km 以上的高空大氣的電離區(qū)域，有著不同時空尺度的電子密度不均勻體。當不均勻體沿著地球磁力線方向排列時，稱其為場向不規(guī)則體（Field-Aligned Irregularities，F(xiàn)AI）。對電離層E 區(qū)FAI 的觀測研究始于20 世紀60 年代，主要聚焦在赤道電急流區(qū)和極光帶電急流區(qū)。電離層E 區(qū)FAI 是一類重要的電波傳播媒介，利用其對VHF 信號的散射傳播，可以實現(xiàn)數(shù)百甚至上千千米的通信[1-2]。自20 世紀80 年代后期以來，電離層E區(qū)FAI 的觀測、研究越來越多。

利用VHF 相干散射雷達觀測生成的距離-時間-強度圖，可開展對雷達照射區(qū)域不規(guī)則體的二維空間特性的分析。2016 年，中國電波傳播研究所在昆明電波觀測站建立了一部VHF 相干散射雷達。雷達建成后一直穩(wěn)定運行，累積了大量中低緯地區(qū)電離層不規(guī)則體事件數(shù)據(jù)。

朱云舟等[3]利用雷達觀測數(shù)據(jù)對該地區(qū)回波形態(tài)特征進行統(tǒng)計分析，得出該地區(qū)E 層場向不規(guī)則體（FAI）表現(xiàn)出典型的Ⅱ型回波特征。它的生成與演變源自電離層電子密度梯度漂移的不穩(wěn)定性，而子午風和低F 區(qū)電場在其中起著重要作用。寧百齊、李國主等人[4-7]利用三亞VHF 相干散射雷達，對低緯地區(qū)E 層、F 層不規(guī)則體特征進行了廣泛研究。通過統(tǒng)計、分析觀測事例，對電離層E 區(qū)連續(xù)性回波、東亞低緯度電離層準周期性回波、距離擴展流星尾跡回波以及太陽活動低年夏季F 區(qū)回波等現(xiàn)象進行了深入探討研究。Yamamoto 等人[8-9]利用MU 雷達對中緯E 區(qū)FAI 回波進行觀測統(tǒng)計，分析得到該地區(qū)存在連續(xù)性和準周期性兩種主要的回波結(jié)構(gòu)。

通過VHF 雷達距離-時間-強度圖可以分析得到昆明地區(qū)FAI 的2D 回波特征分布，但是不能獲得該地區(qū)FAI 的3D 空間特征。

Farley 等人[10]利用Jicamarca 雷達，先將干涉法用于不規(guī)則體的空間探測。該雷達整體天線陣列垂直地磁場方向發(fā)射，而在接收部分只利用東（E）、西（W）兩邊各1/4 的天線陣列接收回波來推算不規(guī)則體回波的空間位置，完成對赤道電急流區(qū)不規(guī)則體的干涉測量。之后，干涉測量技術(shù)被應(yīng)用在全球多部雷達中，包括Sao Luis雷達、the Clemson雷達、the MU 雷達以及臺灣地區(qū)的Chungli 雷達[11]。各地區(qū)雷達使用干涉測量技術(shù)對E 層FAI 進行觀測發(fā)現(xiàn)，E 區(qū)FAI 不規(guī)則體可以大致分為3 類。

Pan[12]等人使用臺灣中壢地區(qū)VHF 雷達，綜合頻域干涉、空域干涉技術(shù)，對該地區(qū)E 區(qū)FAI 空間特征進行研究，分析觀測數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)垂直于雷達波束方向的尺度要比平行于雷達波束方向尺度高一個量級。Hysell 和Chau[13]使用雷達成像技術(shù)對干涉測量進行拓展，使得雷達可以在觀測區(qū)域同時觀測到多個反射區(qū)域。該項技術(shù)可用于觀測赤道、中緯以及高緯地區(qū)的電離層不規(guī)則體。

Chu[14]等人對臺灣中壢地區(qū)Es 進行干涉測量，研究Es 的空間尺度、漂移速度，并對Es 的成因進行了討論。

綜合以往研究成果，干涉測量技術(shù)可以對E 區(qū)FAI 開展更深入的物理機制研究，有利于增強對昆明地區(qū)FAI 的空間特征及其成因的理解。中國電波傳播研究所2019 年6 月在昆明地區(qū)開展了電離層E 區(qū)FAI 干涉測量試驗，根據(jù)昆明VHF 相干散射雷達的現(xiàn)有場地條件，選取了架設(shè)天線的大致范圍；計算第6 組天線在不同位置、不同高度時干涉天線陣的方向圖，通過對比原先天線陣輻射特性，選定了第6 組天線的最終架設(shè)位置，并取得了初步的觀測效果。

1 三維干涉探測原理

不規(guī)則體三維干涉是基于相位測角法，利用多個天線所接收回波信號之間的相位差得到不規(guī)則體的方位角、仰角，進而計算出不規(guī)則體的空間分布特征。

利用兩幅天線計算不規(guī)則體仰角試驗場景如圖1 所示。兩副天線之間的距離為dAB，電離層E區(qū)空間探測目標與波束方向夾角為θ，則兩副天線接收的信號的波程差為dABsinθ。波程差所對應(yīng)的相位差則可計算為：

式中，λ為雷達信號波長，k為整數(shù)。

探測目標與雷達波束之間的夾角可以用式（2）求得：

式中，λ為雷達信號波長，k為整數(shù)。

任意兩組天線的相位差?Φpq可以通過計算兩組雷達信號回波的歸一化互功率譜Spq獲得，互功率譜Spq的計算方法為[12]：

式中，Vp(ω)和Vq(ω)分別是天線組p 和q 所接收到回波信號的傅里葉變換；*表示復(fù)共軛；ω表示多普勒頻率；〈·〉表示求取目標的總體均值；|Spq(ω)|表示歸一化互功率譜的幅度；?Φpq(ω)則為天線組p 和q 之間的相位差。

圖1 兩幅天線計算不規(guī)則體仰角原理

利用觀測到的雷達數(shù)據(jù)和式（3）可以獲得第2、3、6 組天線之間的歸一化互功率譜幅度|S23(ω)|、|S36(ω)|、|S26(ω)|以及相應(yīng)的相位差?Φ23(ω)、?Φ36(ω)、?Φ26(ω)。

建立如圖2 所示的坐標系，以第3 組天線的中心為坐標原點，地磁正南向為X軸正方向，地磁正東方向為Y軸正方向。Z軸則垂直于X軸、Y軸所在的平面。

圖2 不規(guī)則體與雷達觀測空間位置坐標系

?、θ分別為不規(guī)則體的仰角和方位角。第2、3、6 組天線中心點的位置分別由相應(yīng)的數(shù)字標識，第2 組天線和第3 組天線、第3 組天線和第6 組天線之間的相位差?Φ23、?Φ36可表示為：

式中，k是波數(shù)，?和θ分別是不規(guī)則體仰角和方位角。

于是，有：

式中，m、n是垂直磁場方向和天線陣水平方位向的干涉波瓣數(shù)。

獲得天線組之間的相位差后，可以利用一系列的干涉測量有關(guān)的計算方法，分析VHF 相干散射雷達探測區(qū)域不規(guī)則體三維特征[12]。

VHF 相干散射雷達的波束方向近乎垂直地磁場，與地磁場的夾角通常在±1°范圍內(nèi)。方位角在±20°±15°范圍內(nèi)變化。據(jù)此，由計算得到的相位差?Φ23、?Φ36可估算出m、n的值，利用式（6）和式（7）可以求得方位角?和仰角θ。

由式（8）可以重構(gòu)散射區(qū)的空間位置，進而可以估算出FAI 的空間尺度和東西向漂移速度。

式中，XE、YN和ZH分別是地磁東、北和垂直方向，R是雷達斜向探測距離，re為地球半徑。

圖3 VHF 相干散射雷達干涉測量示意

2 干涉測量天線陣的優(yōu)化設(shè)計與測量結(jié)果

通常情況下，不規(guī)則體的三維干涉測量需要在現(xiàn)有雷達系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加一組觀測天線和一部雷達回波接收機。如果不增加回波接收機，則可通過更改一組VHF 雷達天線陣位置的方法完成不規(guī)則體的三維干涉測量。然而，更改天線組的位置對整個天線陣的輻射特性會產(chǎn)生影響。為滿足VHF 相干散射雷達方向敏感性的探測條件，需要對干涉測量天線陣進行優(yōu)化設(shè)計，以獲取最佳的干涉測量效果。

昆明站VHF 相干散射雷達采用5 單元八木天線組成的天線陣，天線陣分為6 組。經(jīng)過實地測量，只有第3 組、第4 組天線北側(cè)2.0 倍波長范圍內(nèi)有適合架設(shè)干涉用天線組的場地。

為了獲得最好的輻射特性，保證試驗觀測效果，新的天線陣方向圖需盡可能與原天線陣方向圖保持一致。使用FEKO 7.0 分別從天線不同的安裝位置、不同架設(shè)高度分析天線陣的方向圖。

2.1 不同位置對干涉天線陣方向圖的影響

先將第6 組天線放置在第3 組天線北側(cè)1.0 倍波長距離處，后將其向西平移到第4 組天線北側(cè)1.0 倍波長距離處，分別計算兩個位置干涉天線陣方向圖，計算結(jié)果如圖4（a）和圖4（b）所示。

圖4 不同放置位置天線方向圖

對比分析可以發(fā)現(xiàn)，兩種情況下俯仰角切面3 dB 角近似相同，總體特性只存在少許差別。仿真分析表明，干涉用天線放在第3 組天線、第4 組天線北側(cè)對應(yīng)參數(shù)近似相同，對干涉試驗影響較小。

計算第6 組天線放置在第3 組天線北側(cè)1.0～2.0 倍波長距離范圍內(nèi)天線陣的方向圖。天線陣方向圖的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 不同放置位置的天線陣參數(shù)

分析表1 數(shù)據(jù)可以看到，1.0、1.2、1.4 倍波長處，天線陣方向圖開始出現(xiàn)裂瓣。天線陣裂瓣形式如圖5 和圖6 所示。圖5 為原天線陣方向圖，圖6 為1.0 倍波長距離處天線陣方向圖。

圖5 原天線陣方向圖

圖6 1.0 倍波長距離處天線陣方向圖

2.2 不同架高對方向圖的影響

更改第6 組天線的架設(shè)高度，計算不同架設(shè)高度的方向圖，結(jié)果如表2所示。從表2數(shù)據(jù)可以看到，方向圖仰角、前后比隨架設(shè)高度升高而增大。

表2 不同架設(shè)高度的天線陣參數(shù)

2.3 天線位置放置位置選擇與初步測量結(jié)果

VHF 相干散射雷達對觀測角度敏感性較高，與最佳觀測角度偏差較大，會使回波強度衰減較大。利用IGRF 模型計算得到高發(fā)區(qū)域最佳觀測角度為49°，因此干涉天線陣的仰角越接近該角度越好。

綜合表1、表2 中的數(shù)據(jù)，選定距離第3 組天線1.6 倍波長處作為第6 組天線的架設(shè)位置，并將第6 組天線比原先架高0.5 m，如圖7 所示。

圖7 干涉天線陣示意

圖8 為干涉天線陣方向圖，圖9 為原天線陣方向圖。可以看出，干涉天線陣與原天線陣大致相同。

圖8 干涉天線陣方向圖

圖9 干涉天線陣與原天線陣方向圖

第6 組天線架設(shè)位置選定之后，使用可搬移式八木天線對昆明地區(qū)E 區(qū)不規(guī)則體進行初步觀測。2020 年5 月08 號13:00:00（UT），VHF 相干散射雷達觀測到的一個不規(guī)則體事件，事件對應(yīng)的6 個通道信號幅度數(shù)據(jù)如圖10 所示。

利用1 號接收通道、3 號接收通道和6 號接收通道，計算兩兩通道間的功率譜和相位差，由式（6）和式（7）可以獲得不規(guī)則體的方位角和仰角，計算結(jié)果如圖11 所示。從計算結(jié)果看，不規(guī)則體仰角測量值在[47.16，48.41]，與理論值49°接近，證明干涉天線陣觀測效果穩(wěn)定可靠。

圖10 VHF 相干散射雷達6 個通道信號幅度

圖11 干涉測量計算結(jié)果

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種VHF 相干散射雷達干涉測量天線陣，與VHF 雷達原先天線陣輻射特性近似，滿足VHF 相干散射雷達方向敏感性要求，同時第6 組天線與其他組天線具有一定的空間結(jié)構(gòu)，滿足干涉測量的要求。本文通過分析比較第6 組天線不同架設(shè)位置、不同架設(shè)高度對整個天線陣輻射特性的影響，最終選定了第6 組天線的架設(shè)位置。通過對比干涉天線陣方向圖與原先天線陣方向圖指標參數(shù)，選定第3 組天線北側(cè)1.6 倍波長距離處作為第6 組天線架設(shè)位置，并將其架設(shè)高度在原先的基礎(chǔ)上增加0.5 m。干涉天線陣方向圖仰角為50°，最大增益21.07 dBi。初步觀測結(jié)果表明，不規(guī)則體仰角計算值與理論值較為接近，證明干涉天線陣觀測效果穩(wěn)定可靠，可以較好地完成干涉測量試驗，對進一步研究昆明地區(qū)場向不規(guī)則體特征、形成機制具有較大的意義。