乐新安等-NA&JGR：三亚相控阵非相干散射雷达系统介绍及初步结果

2022-09-06

电离层是地球上空高度约60-1000公里的高层大气，有大量带电粒子，显著影响无线电波的传播。当电离层中的电子在外加电场的作用下，会产生一个受激辐射-汤姆森散射，非相干散射雷达就是通过后向汤姆森散射谱反演等离子体密度、速度、温度，因为其得到的参量多、范围广、分辨率和精度高，又被称之为地基电离层探测的“核武器”。但是，非相干雷达探测目标是电子，其散射截面比常规探测硬目标低20个量级，探测难度大，技术含量高，造价和运维成本昂贵，目前世界上只有美国和欧盟拥有常规运行的非相干散射雷达，新一代的相控阵非相干散射雷达仅美国有1套。

非相干雷达强大的探测能力吸引了我国科学家的高度关注，2013年中国科学院地质与地球物理研究所万卫星院士抓住国际上正在开始发展新一代相控阵非相干雷达建设契机，经过广泛国内外调研，联合中国电科14所和南昌大学，提出在我国海南三亚自主建设一个相控阵非相干散射雷达（SYISR），并获得国家自然科学基金委员会重大科研仪器研制专项资助。SYISR于2015年开始建设，先后经历了室内关键部件的设计和研制、室外小面阵测试、三亚大阵面建设调试三个建设阶段，突破了阵面幅相一致性监测和校准技术、低系统噪声温度技术和环境适应性技术，其系统噪声温度等关键指标优于国际同类雷达；针对特定探测需求，设计了多种波形编码和探测模式，以提高探测时空分辨率和精度；开发了对应的信号处理和参量反演算法。项目于2021年6月建成并通过基金委验收（图1）。

图1 建设完成的三亚非相干散射雷达外观图

SYISR采用固定阵面、全相扫的探测方式，其无栅瓣有效信号可覆盖南北偏天顶角±48度、东西偏天顶角±25度的锥形范围，在1000公里高度上，可覆盖面积如图2所示。

图2 三亚雷达有效探测范围

SYISR在国际上首次观测到低纬等离子体线（图3），等离子体线比常规离子线低两个量级，对雷达灵敏度要求极高，国际观测也很少，这个超过设计预期。通过设计特殊探测模式，SYISR还首次观测到了等离子体泡中精细的次生结构。此外，SYISR还作为信号源，与中国天眼（FAST）完成了系列收发实验，进行了高高度电离层和月球探测。

图3 SYISR观测的等离子线示意图

项目验收后，中国科学院地质与地球物理研究所乐新安研究员等人采用不同工作模式对我国低纬电离层开展观测研究，发展了多种数据处理和分析方法，特别是从2022年开始，SYISR进行长期连续运行，获得了高精度、长时间的电离层剖面监测（图4）。随着SYISR探测数据的积累，相关的科学研究工作也正在逐步展开。

图4 三亚非相干散射雷达在一天中观测得到的
电离层电子密度、电子离子温度和离子视线速度随高度和时间变化图