1、非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)調(diào)研報(bào)告,2016年11月25日,一.非相干散射探測基本原理 二.非相干散射雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)與特征 三.非相干散射雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀 四.非相干散射雷達(dá)的典型代表 五.非相干散射雷達(dá)的主要應(yīng)用,匯報(bào)提綱,一.非相干散射探測基本原理 二.非相干散射雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)與特征 三.非相干散射雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀 四.非相干散射雷達(dá)的典型代表 五.非相干散射雷達(dá)的主要應(yīng)用,匯報(bào)提綱,非相干散射探測是指電波在電離層中由于受到準(zhǔn)平衡電子密度隨機(jī)熱起伏影響而引起散射，接收這種能量從而獲取電離層物理參數(shù)的電離層探測方法，稱為非相干散射探測。 在1958年，美國W.E.戈登最先提出用當(dāng)時(shí)的大功率雷達(dá)可能探測到

2、電離層的后向散射回波信號(hào)。他認(rèn)為這種散射是相互獨(dú)立的電子所產(chǎn)生的湯姆遜散射，也就是說，雷達(dá)電波照射到電離層的有限體積上，其中每個(gè)電子都會(huì)散射電波。由于電子處于隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在空間變化小于電波波長的條件下，各個(gè)電子的散射信號(hào)是非相干的。 美國K.L.波利斯通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了戈登關(guān)于電離層中有電子存在，可以觀測到散射回波的設(shè)想。但是，觀測到的散射現(xiàn)象比預(yù)想的復(fù)雜得多，特別明顯的是散射信號(hào)的功率譜寬比預(yù)想的窄得多。 后來，許多學(xué)者對(duì)理論進(jìn)行了修正，他們認(rèn)為，電離層的電子浸在離子云之中，粒子之間存在庫侖力，在庫侖力起顯著作用的范圍內(nèi)的電子受正離子的束縛較強(qiáng)，它們并不完全獨(dú)立，散射信號(hào)是部分相干的。他們

3、用不同的理論模型進(jìn)行研究，獲得幾乎完全一致的結(jié)果。但“非相干散射”這個(gè)名詞卻己根深蒂固，所以一直被沿用了下來。,非相干散射探測概念的形成,電場入射引起電子散射 電場入射使電子運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電流進(jìn) 而散射出電磁場。,非相干散射探測的理論基礎(chǔ), = 0 , 2 2 = , = = = 0 0 , , = (), , = , (t), , = 0 4 ( , /) 3 ,= 0 , , = 0 2 4 0 ( 0 ) , = , = = sin ( 0 ) ,雙站探測散射體元情形 引入n、推導(dǎo) 代入電場式化簡,非相干散射探測的理論基礎(chǔ), = ( 0 0 ), = 0 4 3 , , = 0 0 0 4

4、( ,) 0 + , , = 0 0 0 4 ( ,) 0 + , , = 0 2 sin 4 2 ( ,) 0 + , , = sin ( ,) 0 + ,電子熱運(yùn)動(dòng)引起的擾動(dòng)可以用電子密度隨時(shí)間變化的關(guān)系來反映，而非相干散射雷達(dá)正是基于由電子密度波動(dòng)引起的微弱散射信號(hào)進(jìn)行探測的。 非相干散射雷達(dá)散射信號(hào)的平均值為零，將其散射信號(hào)多次測量值進(jìn)行直接相加累積不可行，需從自相關(guān)函數(shù)或者功率譜的分析入手，通過自相關(guān)求得功率譜，再進(jìn)行累積才可能獲取電子密度、電子溫度、離子溫度、離子漂移速度等電離層特征參量。 接收到的功率譜會(huì)受到不同編碼的信號(hào)處理方式的影響，為此需要對(duì)其功率譜進(jìn)行修正，這一修正的過程

5、由模糊函數(shù)來完成。,非相干散射探測的理論基礎(chǔ),一.非相干散射探測基本原理 二.非相干散射雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)與特征 三.非相干散射雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀 四.非相干散射雷達(dá)的典型代表 五.非相干散射雷達(dá)的主要應(yīng)用,匯報(bào)提綱,非相干散射雷達(dá)可以測量60km至2000km甚至更高范圍內(nèi)的二十多個(gè)參量，具有測量高空大氣物理參數(shù)多、測量范圍廣、距離分辨率高等突出特點(diǎn)，已成為目前研究電離層結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過程最有力的探測工具；也是進(jìn)行空間天氣監(jiān)測和預(yù)報(bào)的重要技術(shù)手段。,非相干散射雷達(dá)的測量功能,測量的高空大氣 物理參數(shù)多 測量參數(shù)精度高 測量高度范圍大 距離分辨率高 測量地域廣闊,天線系統(tǒng)： 相控陣或各種天線控制系統(tǒng) 發(fā)射機(jī)

6、：由于散射信號(hào)是非常微弱的 , 為了得到滿意的信噪比，非相干散射雷達(dá)發(fā)射的脈沖峰值功率均在兆瓦量級(jí)。非相干散射雷達(dá)發(fā)射機(jī)程式應(yīng)為多級(jí)主振放大式。各種編碼信號(hào)在射頻振蕩低功率電平形成。發(fā)射機(jī)末級(jí)功率放大器選用高功率脈沖調(diào)制速調(diào)管，其特點(diǎn)是增益高。 信號(hào)處理機(jī)（接收機(jī)）：AD，F(xiàn)PGA，DSP PCB設(shè)計(jì) 采樣信號(hào)接收，數(shù)字下變頻，時(shí)序與數(shù)據(jù)通信，脈沖壓縮與非相干積累 數(shù)字信號(hào)處理。,非相干散射雷達(dá)的結(jié)構(gòu)與技術(shù)特征,發(fā)射功率高 天線有效面積大 高增益，波束帶寬窄，低的旁瓣 電平，波束可以在一定的方位與仰角上移動(dòng)。 系統(tǒng)噪聲溫度低 降低系統(tǒng)噪聲溫度，提高信噪比 采用相干積累技術(shù) 獲得最大積累增益，提

7、高信噪比，保證電離層參數(shù)測量精度。 專用脈沖編碼技術(shù) 適應(yīng)不同探測高度對(duì)距離分辨率和功率譜分辨率的要求：簡單脈沖、Barker相位編碼、交替相位編碼、Barker碼和交替碼組合編碼 工作頻段選在450-500MHz為宜 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù),一.非相干散射探測基本原理 二.非相干散射雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)與特征 三.非相干散射雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀 四.非相干散射雷達(dá)的典型代表 五.非相干散射雷達(dá)的主要應(yīng)用,匯報(bào)提綱,非相干散射雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀,美國 先后建設(shè)了四套非相干散射雷達(dá)，分別是秘魯Jicamarca波多黎各Arecbio美國Millstone Hill和丹麥格陵蘭島Sondrestrom EISC

8、AT 建設(shè)了三套非相干散射雷達(dá)，分別是挪威Tromso UHF和VHF雷達(dá)挪威Svalbard雷達(dá)ESR 烏克蘭 把位于Kharkov的一套退役軍用雷達(dá)改造成非相干散射雷達(dá)俄羅斯也對(duì)Irkutsk一臺(tái)雷達(dá)進(jìn)行了改造用于電離層非相干散射探測 法國 1965年在Stsantin建立了一套雙站連續(xù)波非相干散射雷達(dá)中心頻率為935MHz平均功率為150Kw，1986年停止工作 英國 1968年在Malvern建成了一套單站非相干散射雷達(dá)采用口徑42.7m的拋物面天線工作頻率400.5MHz峰值功率8Mw，1971年改成四站系統(tǒng)該系統(tǒng)1975停止工作 日本 MU（Middle and Upper Atm

9、osphere) 雷達(dá)(1984)和EAR(EquatorAtmospheric Radar) 雷達(dá),2001年日本與印度尼西亞在西蘇門答臘聯(lián)合建設(shè)了類似的EAR雷達(dá)。 中國 2002年底，MillstoneHill觀測站決定和中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)所進(jìn)行長期合作、數(shù)據(jù)共享；2004年10月，與歐洲非相干散射科學(xué)聯(lián)合會(huì)(EISCAT)合作被明確為中挪兩國聯(lián)合推進(jìn)的合作項(xiàng)目，2005年，由中國電波傳播研究所代表國家簽字加入EISCAT；2012年，在國家子午工程和國防科技工業(yè)電波環(huán)境觀測網(wǎng)條件建設(shè)項(xiàng)目的共同支持下中國電波傳播研究所在云南曲靖建成了我國首套非相干散射雷達(dá)。,非相干散射雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)

10、狀,一.非相干散射探測基本原理 二.非相干散射雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)與特征 三.非相干散射雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀 四.非相干散射雷達(dá)的典型代表 五.非相干散射雷達(dá)的主要應(yīng)用,匯報(bào)提綱,美國磨石山(MillstoneHill)觀測站 世界上著名的電離層非相干散射探測與研究基地，是美國國家自然科學(xué)基金委管轄支持的4個(gè)非相干觀測站之一，也是美國本土唯一的非相干散射雷達(dá)。該觀測站自70年代開始觀測，至今已有30多年的連續(xù)觀測記錄，并據(jù)此建立了龐大的數(shù)據(jù)庫，發(fā)展了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫軟件管理系統(tǒng)(Madrigal)，提供了基于國際互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)提取的平臺(tái)，該臺(tái)站已經(jīng)發(fā)表了一批關(guān)于中緯、亞極光區(qū)電離層特性的經(jīng)典文獻(xiàn)，對(duì)電離層研究

11、具有重大的貢獻(xiàn)。 此雷達(dá)有兩套天線系統(tǒng)，左下角為垂直探測天線，是一個(gè)方向固定進(jìn)行垂直探測且直徑為68米的拋物面天線，另一個(gè)為方向可操控、直徑為46米的拋物面天線。前者可以用來測量單點(diǎn)電離層參量的“精細(xì)”結(jié)構(gòu)，后者可以測量電離層水平空間結(jié)構(gòu)變化特征，如中緯槽及亞極光帶極化流(SAPS)的演化過程，同時(shí)還可以用來確定速度場全矢量。,非相干散射雷達(dá)的典型代表-Millstone Hill,EISCAT 3D EISCAT自2004年開始了EISCAT 3D的論證設(shè)計(jì)和籌建工作，目前正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)2018年可開展首次科學(xué)觀測，若資金到位將在2021年底前完成全部建設(shè)工作。 該系統(tǒng)是多站相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)

12、包括一個(gè)中心站具有發(fā)射和接收能力和四個(gè)接收站接收站中至少一個(gè)具有發(fā)射能力峰值功率兆瓦，位于南北和東西方向的兩個(gè)250公里長的基線上接收站之間間隔50-250公里中心站由正交八木天線陣射頻功率放大器數(shù)字接收機(jī)及支撐電子器件組成天線陣包括約10000個(gè)天線單元。EISCAT 3D采用數(shù)字接收機(jī)基于軟件無線電的信號(hào)處理分布式孔徑先進(jìn)的反演成像等技術(shù)代表了當(dāng)前空間環(huán)境地基探測雷達(dá)的最新發(fā)展方向和水平。 EISCAT 3D的主要技術(shù)特點(diǎn)包括多波束多方向準(zhǔn)實(shí)時(shí)三維成像能力一發(fā)四收式多站構(gòu)型連續(xù)監(jiān)測運(yùn)行能力僅受電力供應(yīng)和磁盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力限制多基線干涉測量能力等這使它相對(duì)于其它非相干散射雷達(dá)具有很多新功能包括

13、對(duì)波束方位的瞬時(shí)自適應(yīng)控制能力多波束交叉波束探測能力合成孔徑成像能力電離層參數(shù)全剖面矢量探測和高速目標(biāo)跟蹤測量能力等。,非相干散射雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀,非相干散射雷達(dá)的典型代表-EISCAT 3D,中國曲靖非相干散射雷達(dá) 2012年，由中國電波傳播研究所在原有雷達(dá)基礎(chǔ)上按照空間物理研究的技術(shù)指標(biāo)要求改造建設(shè)，其關(guān)鍵技術(shù)如大功率雷達(dá)反射機(jī)、信號(hào)處理技術(shù)、冷參放大接收機(jī)和雷達(dá)控制系統(tǒng)等均由國內(nèi)設(shè)計(jì)研發(fā)。 雷達(dá)的近似大地經(jīng)緯度為(103.7 25.6)，海拔高度2072 m。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、天線及其伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。目前的非相干散射雷達(dá)在原卡塞輪式天線25m口徑的基礎(chǔ)上擴(kuò)展到了29m，增加了天線增

14、益提高了天線接收靈敏度。雷達(dá)工作頻率為500 MHz ，工作波長60 cm，可調(diào)發(fā)射峰值功率為2MW脈沖，重復(fù)頻率為50-1000Hz,接收系統(tǒng)噪聲溫度為130K，接收帶寬為30MHz。 它是世界上唯一一部位于低緯度地區(qū)電離層異常區(qū)的非相干散射雷達(dá)，是有著強(qiáng)大發(fā)射功率和靈敏接收能力的地面大型科學(xué)裝置，這使其成為一個(gè)多學(xué)科的開放研究平臺(tái)，將在日地空間環(huán)境和空間探測等方面發(fā)揮重要作用。其涵蓋的研究內(nèi)容非常豐富，從中高層大氣電離層到月亮小行星和隕石等，與此同時(shí)該雷達(dá)也可以作為地面探測器進(jìn)行空間碎片的觀測。,非相干散射雷達(dá)的典型代表-Millstone Hill,一.非相干散射探測基本原理 二.非相干

15、散射雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)與特征 三.非相干散射雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀 四.非相干散射雷達(dá)的典型代表 五.非相干散射雷達(dá)的主要應(yīng)用,匯報(bào)提綱,電離層探測與研究 非相干散射雷達(dá)可探測電離層精細(xì)分層結(jié)構(gòu)，獲取電離層電子密度、電子/離子溫度、等離子體徑向漂移速度等多個(gè)參數(shù)，為電離層空間天氣特性研究與建模提供數(shù)據(jù)支持。也可用于目前全球?qū)Ш叫l(wèi)星GNSS信標(biāo)三頻信標(biāo)掩星垂直探測等手段獲取電子密度剖面的精度分析驗(yàn)證支持電離層探測技術(shù)的發(fā)展。 空間物體探測 非相干散射雷達(dá)在空間碎片、流星、衛(wèi)星、小行星等空間物體探測方面也具有重要應(yīng)用價(jià)值。對(duì)非相干散射雷達(dá)來說空間物體硬目標(biāo)與電離層是兩類完全不同的目標(biāo)其目標(biāo)特性差別顯著探測時(shí)的主要

16、差別體現(xiàn)在信號(hào)處理和數(shù)據(jù)反演分析方法上。 EISCAT在歐州太空局支持下在空間碎片探測方面開展了廣泛深入研究； 國內(nèi)金旺丁宗華等積極開展基于非相干散射雷達(dá)的空間碎片探測實(shí)驗(yàn)研究； 國外學(xué)者利用MU雷達(dá)在流星探測方面開展了一些重要工作分析了雷達(dá)波束平行和垂直地磁場時(shí)散射回波特征研究了流星結(jié)構(gòu)和散射機(jī)制。,非相干散射雷達(dá)的應(yīng)用,空間等離子體物理研究 在寧靜的電離層條件下利用非相干散射雷達(dá)功率譜反演電離層參數(shù)時(shí)，一般都假設(shè)電離層離子電子速度滿足麥克斯韋分布。但是在電離層加熱、場向電流、極光電急流等劇烈擾動(dòng)條件下，此關(guān)系不再滿足。需對(duì)相關(guān)的反演理論進(jìn)行修正這涉及到非平衡態(tài)非麥克斯韋分布的碰撞等離子體物

17、理研究。 利用非相干散射雷達(dá)探測數(shù)據(jù)有望分析解決電離層加熱過程涉及到眾多的空間等離子體物理問題。利用非相干散射雷達(dá)在高緯極區(qū)經(jīng)常觀測到一些重要的空間等離子體現(xiàn)象為相關(guān)研究提供了重要數(shù)據(jù)支撐。 非相干散射探測新技術(shù)新方法試驗(yàn)研究 作為一套大型空間環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施，非相干散射雷達(dá)本身在實(shí)驗(yàn)方法信號(hào)處理數(shù)據(jù)反演等方面存在許多值得持續(xù)研究之處。這直接推動(dòng)了一些新技術(shù)新方法在非相干散射探測中的試驗(yàn)和應(yīng)用。 如脈沖編碼，波束形成與控制，信號(hào)處理。以及EISCAT 3D正在探索的三維立體成像、Post acquisition波束合成孔徑、合成成像干涉測量波束和相位Front sharping目標(biāo)識(shí)別與跟蹤自

18、適應(yīng)交叉實(shí)驗(yàn)等非相干散射探測新技術(shù)。,非相干散射雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀,1金旺,吳振森,吳健,劉擁軍,孫明國,徐彬,李輝,周亮. 非相干散射雷達(dá)探測空間碎片實(shí)驗(yàn)研究J. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2011,05:956-960. 2丁宗華,代連東,董明玉,許正文,吳健. 非相干散射雷達(dá)進(jìn)展:從傳統(tǒng)體制到EISCAT 3DJ. 地球物理學(xué)進(jìn)展,2014,05:2376-2381. 3邢維波. 非相干散射雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)設(shè)計(jì)D.西安電子科技大學(xué),2010. 4丁宗華,代連東,趙振維,許正文. 非相干散射雷達(dá)的空間碎片信號(hào)處理與分析J. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2014,03:417-423. 5黃昌理,吳健. 非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮A. 中國空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測專業(yè)委員會(huì).