武漢VHF相干散射雷達及初始觀測結果

張思源+趙正予+周晨+倪彬彬++顧旭東

摘 要： 武漢VHF雷達坐落于武漢大學（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時演變特征的相干散射雷達。首先詳細介紹該雷達系統設計，主要包括天線陣系統、功放系統、接收系統、波束控制系統以及數據處理系統；然后利用噪聲基底擬合方式去除射頻干擾，增強RTI圖的可讀性和雷達有效回波結構的清晰度。武漢VHF雷達E層不均勻體的觀測結果表明，中緯E層準周期回波的發生是風剪切激發K?H不穩定性所致。

關鍵詞： VHF相干散射雷達； 中頻數字接收機； 場向不均勻體； 噪聲基底擬合

中圖分類號： TN913.37?34； TN958.92 文獻標識碼： A 文章編號： 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的不同電離密度的云塊狀結構，它能改變無線電波的射線軌道和傳播時延，引起無線電信號幅度和相位的隨機快速起伏，造成地空無線電系統性能下降。因此，研究電離層不均勻體的產生和演變機制具有重要意義。20世紀60年代開始，VHF（Very High Frequency）相干和非相干散射雷達[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和極光電集流區展開，并取得重大進展。中低緯地區電離層不均勻體的研究進展相對比較緩慢，觀測設備主要依靠Arecibo非相干散射雷達，日本MU雷達[5?6]，Piura的VHF雷達，Gadanki的MST雷達[7]，新西蘭南部VHF雷達，中國臺灣中壢VHF雷達[8]。

國內電離層不均勻體的研究起步較晚。受觀測設備限制，國內學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行觀測研究，但小尺度電離層不均勻結構的研究仍處于空白。2008年，我國開始實施子午工程項目建設，對我國境內東經120°子午鏈和北緯30°緯線的空間環境進行探測和監控。寧百齊、李國主等人利用三亞VHF相干散射雷達的觀測結果[9?11]，對電離層不均勻體回波的發生特征和發生率做了詳細的分析統計，解釋了我國低緯電離層不均勻體的發生和演變機制。

2015年2月，用于中緯電離層E，F區不均勻體研究的VHF相干散射雷達在武漢大學校內完成建設調試，并開始對中緯電離層不均勻體的發生和演變過程進行觀測研究，填補了我國中緯小尺度電離層不均勻體觀測的空白。本文首先對雷達系統設計進行詳細介紹，然后采用噪聲基底擬合對電離圖進行處理，最后給出E層不均勻體的初始觀測和分析結果。

1 武漢VHF雷達

1.1 探測原理

武漢VHF雷達工作為相干多普勒后向散射雷達，利用不均勻體對無線電波的后向散射實現電離層不規則體的觀測。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，其散射截面積會隨著雷達波束方向與磁力線的夾角而變化。當雷達波束與磁力線垂直時，不均勻體的散射截面最大。因此，雷達入射波必須在E，F區與地磁線垂直。此外，電離層的相干散射滿足布拉格散射定律，能實現對[λ2]尺度不均勻結構的探測。電波散射示意圖如圖1所示。

圖1 電波散射示意圖

1.2 雷達系統

武漢VHF相干散射雷達工作頻率為48.2 MHz，是采用主動相控陣系統的單站式脈沖多普勒雷達。一系列先進的雷達技術的應用（如全固態發射機、中頻數字接收機、數字波束合成等技術）使得該雷達具有距離分辨率高、探測距離遠、多普勒分辨能力強等特點，能夠滿足電離層E，F區場向不均勻體及其漂移特征的觀測要求。雷達整個信號處理過程均在頻域上進行，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、二進制偽隨機相位編碼等雷達技術的應用極大地提高了雷達的探測性能。

VHF相干散射雷達主要由天線陣系統、功放系統、接收系統、波束控制系統以及數據處理系統構成（見圖2）。此外還包括頻率合成系統、供電系統、斷電保護系統等。雷達運行基本流程如下：由計算機控制產生高頻脈沖信號，信號在波束控制單元中移相后經天線輻射出去，輻射能量在空間中被合成到特定的方向，以增強輻射方向性。輻射的無線電信號被電離層不均勻體散射后，一部分信號被雷達天線接收到。接收到的信號在傳輸到數字中頻接收機前經濾波、放大、混頻處理；在數字中頻接收機中，進行A/D轉換、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據。

圖2 雷達系統框圖

雷達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成，用于雷達信號的發射和接收，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區高度與地磁場垂直。波束控制方式為繼電器切換，12通道中每個通道均有180°，90°，45°，22.5°，11.25°和5.625°的切換延遲。雷達波束可以在天頂角上以1°的步進在±20°的范圍內連續掃描。為保證掃描方向上的低旁瓣，接收時天線陣波束采用一維加權。

VHF雷達功率合成方式采用半分布式饋電模式，即由6個固態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1∶2功分器饋送至24副天線?？砂l射占空比為10%的單脈沖和12%的調相脈沖，脈沖重復周期由脈沖寬度和占空比共同決定。雷達可調節輸出功率等級范圍為0～100%。

接收機的主要作用是將天線接收到的回波信號進行處理，最終得到基帶信號。雷達接收機由本地振蕩器、低噪聲放大器、帶通濾波器、模/數轉換器、數字下變頻等部分組成。接收機框圖如圖3所示。

圖3 接收機框圖

按照功能不同可劃分為射頻部分和數字部分。射頻部分是一個單級的射頻到中頻的過程：從天線接收到的回波信號經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器產生。中頻中心頻率為80 MHz，是一個1～2 MHz的窄帶信號。數字部分包括中頻數字采樣和數字下變頻。中頻數字采樣是指中頻模擬信號經由一個16位的模/數轉換器以90 MSPS的采樣率進行A/D轉換得到數字信號；隨后中頻數字信號經過數字下變頻處理，最終得到的I/Q輸出信號被傳輸至信號處理器進行數字信號處理。

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

圖4 數字下變頻框圖

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

VHF雷達接收到的后向散射回波信號非常弱，為獲得散射回波信號，武漢大學VHF雷達采用直接中頻數字采樣[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；利用數字混頻實現正交解調[13]，可以有效避免模擬混頻產生的寄生信號和交調失真。在數字域上進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，也使設備可靠性更高。雷達技術指標如表1所示。

2 信號處理

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

表1 雷達技術指標

圖5 信號處理框圖

武漢VHF相干散射雷達的數據處理通過一臺高性能的控制處理計算機來完成。信號處理所得到的功率譜數據經由PCI（Peripheral Component Interconnect）總線傳輸至數據處理系統進行相應處理。VHF雷達的控制和數據處理系統提供了一系列功能，主要包括工作參數和觀測模式的選擇；提供默認的運行參數；自定義參數設定；顯示實時的探測結果；監控并顯示雷達運行狀態；數據處理和儲存；數據傳輸以及網絡通信狀態。

圖6為雷達數據處理系統得到的SNR（Signal Noise Ratio）圖，有效回波主要是指電離層區域不均勻體的散射回波，反映了高電子密度不均勻體的時空結構，因此又稱為雷達回波電離圖。

圖6 雷達顯示的回波強度

武漢射頻干擾較為嚴重，射頻干擾和回波信號處于同一帶寬內，這些干擾被引入接收機，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，使得不規則體的精細結構和邊界模糊不清，有時甚至嚴重抑制不規則體散射回波，使得信噪比RTI（Range Time Intensity）圖的可讀性變差。本文根據VHF雷達實際探測所接收到的數據，根據有效回波和射頻干擾的時空特性差異，利用噪聲基底擬合的方式實現射頻干擾的去除，結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2015年7月18日12：40—13：00（UT）射頻干擾下的雷達回波信噪比實例。

圖7 有射頻干擾的回波強度

從圖7可以看出，電離層E區不規則體通常出現在130～200 km之間，200 km以上極少出現不規則體回波。有效回波信號強度在不同距離門上存在著顯著差異，射頻干擾在某個時間點上的所有距離門上都有出現，其強度基本保持不變或呈現緩慢線性變化。因此，提取不含有效回波的距離門上的回波信號，采取最小二乘法對同一時間點不同高度上的數據進行線性擬合得到射頻干擾強度隨距離的變化關系，最后利用擬合得到的回歸方程計算出各距離門上的噪聲電平，最后相消達到去射頻干擾的目的。

圖8為圖7擬合去噪后的結果，從圖8中可以看出，抑制射頻干擾后，雷達回波信噪比RTI圖的可讀性更強，不規則體回波信號更加清晰，回波精細結構和邊緣信息都非常明顯。

3 典型觀測結果

利用武漢VHF雷達對武漢地區電離層E區場向不規則體進行觀測。圖9給出2015年7月9日觀測到的電離層E區場向不均勻體實際觀測結果。其中圖9（a）為0：00—24：00（UT）全天的觀測結果，圖9（b）為電離層E區場向不均勻體出現時段的觀測結果。

圖8 擬合去噪后的回波強度

圖9 實際觀測結果和E區回波強度

從圖9（a）中明顯看出武漢地區電離層E區場向不規則體發生在12：00—18：20（UT）之間，而在其他時段未觀測到不均勻體。不均勻體出現在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，雷達回波間歇性出現，不規則體結構在HTI圖上呈現出垂直的或者傾斜的長條塊狀結構，回波周期大約為2～15 min，表現為準周期性回波特征。此外，隨著時間推移，不規則體整體呈現出緩慢下沉的變化趨勢，在當地時間24點以后，回波強度和尺度范圍開始變弱，最終消失。

早期，國外空間物理學者對準周期回波進行了大量的研究。Yamamoto等人利用日本的MU雷達發現了準周期回波；Woodman等人提出了重力波扭曲Es層的機制來解釋準周期回波的形成；Tsunoda引入極化電場的影響來修正重力波調制理論；Bernhardt等人基于風切不穩定機制[14]，提出了風剪切影響Es形成K?H結構，從而產生準周期回波的的理論；最近十年來，研究人員利用非相干散射雷達和相干散射雷達積累了大量中緯度E層不均勻體的觀測結果，并發現這些E層不均勻體與Es存在著密切的聯系。

與三亞（低緯）和中壢（中緯）的觀測結果不同，地處中緯地區的武漢很少觀測到E層不均勻體連續性回波。武漢地區E層不均勻體準周期回波通常發生在夜間，且具有明顯的季節變化特征。對于武漢準周期回波的發生，風剪切理論能給出相對合理的解釋：E層的水平風場剪切作用不僅能夠產生Es，其強度還可以激發K?H不穩定性。風剪切影響Es從而形成K?H結構，K?H結構受中性風作用運動進而在雷達RTI圖上形成準周期回波。此外，中緯地區緯向風切變節點處在夜間是不穩定的，也可能會產生準周期回波結構。夜間，E層不均勻體回波呈現出緩慢下降，這可能是因為具有向下相速度的潮汐或重力波所致，也可能是下行風切變所驅使的。在觀測中發現，E層不規則體出現具有明顯的季節變化，這表明E層不均勻體發生的季節變化受背景密度、Es層、電場以及風場的共同影響。

在中緯度E層不均勻體的機理研究方面，雖然K?H不穩定性和Es不穩定性都能從背景風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復雜的過程，單一的不穩定性不能解釋全部的現象。因此還有待進一步的研究。

4 結 語

本文介紹了國內首部用于中緯地區電離層不均勻結構觀測的VHF相干散射雷達。全固態發射機、主動相控陣、中頻數字接收機等先進雷達技術的應用，提高了雷達的探測性能。雷達具有很高的時間分辨率和距離分辨率，能對小尺度的電離層不均勻結構進行有效觀測。本文利用VHF雷達的觀測數據給出了初始的觀測結果：中低緯度地區電離層E區準周期回波的產生可能是由于水平風場剪切作用激發K?H不穩定性所致。同時武漢VHF雷達可以全天候無人值守連續觀測，能夠積累大量的中低緯度E，F區場向不均勻體，對于統計分析武漢地區電離層不均勻體形態結構及形成機制具有非常重要的意義。

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