2015 年和2017 年云南曲靖站非相干散射雷達數據集

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)境特性與模化技術重點實驗室，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鍵區(qū)域，也是產生空間天氣效應的主要區(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，需對電離層物質與能量、熱力學、動力學等眾多參數進行高時空分辨率探測與分析。

在眾多地基探測電離層設備中，非相干散射雷達雖然有建設費用高、維修操作難、工程難度大的缺點，但是不可否認，它具備持續(xù)觀測時間長、監(jiān)測范圍廣、接收機靈敏度高等優(yōu)點，是目前地面監(jiān)測電離層最強的手段[1]。非相干散射雷達直接反演參數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（Basic parameter）；基于一定的理論假設，結合當地電離層、熱層、地磁場與雷達參數條件，可進一步間接反演電場、熱層風、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（Secondary parameter，稱“二級參數”）[2]。

非相干散射概念是1958 年美國科學家Gordon[3]提出，相繼有多位學者結合電子技術發(fā)展提出脈沖編碼和相位編碼的模糊函數理論[4-7]，為非相干散射雷達的建立奠定了扎實的理論基礎。1960 年美國在秘魯建成Jicamarca（11.95oS，283.13oE）第一套非相干散射雷達以來，全球相繼有單站式Arecibo（波多黎各，工作頻率430 MHz）、UHF 雷達（挪威，933 MHz）、VHF 雷達（挪威，224 MHz）和Svalbard 雷達（挪威，500 MHz）等十多套非相干散射雷達[8-9]，并有很多學者對其觀測到的電離層基本參數與其他觀測設備結果作比較分析[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，為開展有關研究提供了自主數據。曲靖非相干散射雷達主要硬件性能指標如表1。

表1 曲靖非相干散射雷達主要硬件性能指標[9]

本文介紹了2015 年與2017 年云南曲靖站非相干散射雷達數據，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，并詳細介紹非相干散射雷達的功率剖面和功率譜的計算表達式以及兩者與電離層參數的關系，給出了部分觀測結果樣例。

1 數據采集和處理方法

曲靖站非相干散射雷達接收機通過對原始采樣數據（0 級數據）進行抽取、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 級數據），再利用有關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數據。

1.1 功率剖面與功率譜計算方法

非相干散射雷達信號處理中利用了時延剖面矩陣這一重要概念，它是由實際采樣數據的時延積構成的。設每一個脈沖周期內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，然后計算自相關函數。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，右邊為其對應的復共軛點，每個*表示相應時延處的時延積[22]。

圖1 時延剖面矩陣的示意圖

非相干散射雷達需要對多個脈沖周期進行積累。在每個脈沖周期內對不同的高度分別計算自相關函數，再對多個脈沖周期不同高度上的自相關函數進行脈沖積累。因此，非相干散射雷達是脈內相關處理。假設信號是平穩(wěn)的，具有各態(tài)歷經性，原始采樣信號的自相關函數可以表示為：

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函數Rx( Δt)與電離層自相關函數（是電離層一種復雜的固有特征函數）存在以下關系：

圖2 曲靖非相干散射雷達功率譜數據圖例[25]

1.2 功率剖面估算電子密度剖面

非相干散射雷達電離層回波功率與電離層電子密度滿足以下關系式[18]：

其中k是一個與雷達自身系統(tǒng)工作參數相關的常數，Ne為電離層電子密度，R為探測距離（當垂直指向天頂時，即為高度），Pr為雷達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式為：

式中K為波爾茲曼常數，0ε為等離子體介電常數。云南曲靖站非相干散射雷達工作頻率為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，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）來標校（5）式的系數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功率譜的計算非常復雜，不同學者采用不同的假設條件和計算方法最終都推導出基本相近的表達式。早期學者給出了忽略碰撞的非相干散射功率譜表達式，在實際分析電離層非相干散射功率特征時，此表達式顯得非常復雜。假設電離層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為雷達工作波長，K為波爾茲曼常數，Te和Ti分別為電子溫度和離子溫度，mi為離子質量。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。在實際應用中，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，通過擬合自相關函數得到最優(yōu)解，即為多普勒頻移，進一步得到等離子體視線速度。

2 數據樣本描述

云南曲靖站非相干散射雷達數據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。時間分辨率為3 min，數分鐘一個數據文件。數據文件分為兩種類型，一類為txt 文本格式，一類為JPEG 圖片格式，其中功率剖面數據提供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。數據文件由文件頭和數據部分組成，文件頭是數據內容說明，數據項包含站點、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，電子濃度數據格式如表2 所示，對應的數據樣例如表3 所示。

表2 電離層電子濃度txt 數據格式

表3 電離層電子濃度txt 數據樣例

如前介紹，曲靖站非相干散射雷達有兩種探測模式，對應的數據產品有兩種：第一種為功率剖面，如圖3 所示，曲靖站非相干散射雷達探測回波高度對應的功率剖面示意圖[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 回波功率剖面數據樣例 （2015 年5 月30 日17:52 UT）

圖4 電子密度剖面數據樣例（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據產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，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關系。

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

圖6 非相干散射雷達電離層多參數連續(xù)變化[25]

圖7 非相干散射雷達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 數據質量控制和評估

曲靖非相干散射雷達的數據處理與反演工作由人工事后完成。為了保證數據質量，我們主要從以下幾個方面進行數據質量控制：

（1）從回波功率剖面與功率譜形態(tài)上判斷回波數據是否可靠，刪除無效數據。非相干散射雷達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）以下會出現一個峰值。

功率譜的典型特征是：在電離層底部為單峰結構、F 層具有雙峰結構，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kHz 至數十kHz，發(fā)射頻率與離子功率譜中心頻率之差約數十Hz 至數百Hz。

（2）利用曲靖站的垂直探測最大臨界頻率不定期標校雷達系統(tǒng)參數。從上文可知，準確反演電離層電子密度需要預先確定系數，該系數與雷達硬件參數等有關，會發(fā)生變化，需定期進行標校。

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

4 數據價值

曲靖站非相干散射雷達是我國首套非相干散射雷達，本數據集可用于曲靖地區(qū)電離層分層結構與氣候學特征、天氣學（電離層暴、行進式擾動、日落增強、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子午工程科學產出具有重要意義。

致 謝

本數據論文的完成得到了國家科技基礎條件平臺- 國家空間科學數據中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。

數據作者分工職責

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反演研究。主要承擔工作：數據服務。

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與參數反演研究。主要承擔工作：數據生產。

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。主要承擔工作：數據服務。

楊 嵩（1992—），男，河南人，碩士，工程師，研究方向為非相干散射雷達探測技術研究。主要承擔工作：數據服務。