VHF雷达空域干涉法探测曲...层E区场向不规则体精细结构_邓忠新.pdf

邓忠新，徐彤，刘瑶，等.VHF 雷达空域干涉法探测曲靖电离层 E 区场向不规则体精细结构J.电波科学学报，2023，38（1）：142-151.DOI:10.12265/j.cjors.2021242DENG Z X,XU T,LIU Y,et al.Fine structure of ionospheric E-region field-aligned irregularities revealed using the Qujing VHF radar spatialinterferometryJ.Chinese journal of radio science，2023，38（1）：142-151.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2021242VHF 雷达空域干涉法探测曲靖电离层E 区场向不规则体精细结构邓忠新*徐彤刘瑶朱梦言徐彬丁宗华许正文（中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛 266107）摘要 针对 VHF 相干散射雷达传统观测方式的探测能力局限，构建了空域干涉法探测实验系统，其具备对电离层场向不规则体（field-aligned irregularity,FAI）三维精细结构探测能力.结合曲靖 E 区 FAI 干涉探测实验数据，实现了对系统相位偏差校正及回波三维空间位置精确获取，得到了不规则体云团的三维精细结构以及漂移运动过程，包括 FAI 回波散射点的三维空间位置以及 FAI 云团的三维空间外尺度、漂移运动轨迹和漂移速度等.探测实例结果表明：其东西、南北和高度向分布范围分别为3520 km、85120 km 和 95130 km，对应的三维外尺度分别为 23.8 km、7.6 km 和 7.6 km；东西向漂移速度要大于其他两个方向，并呈现出 56 min 的准周期回波特征.关键词甚高频相干散射雷达；空域干涉探测；E 区场向不规则体；精细结构中图分类号P352文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0142-10DOI 10.12265/j.cjors.2021242Fine structure of ionospheric E-region field-aligned irregularities revealedusing the Qujing VHF radar spatial interferometryDENG Zhongxin*XU TongLIU YaoZHU MengyanXU BinDING ZonghuaXU Zhengwen（National Key Laboratory of Electromagnetic Environment,China Research Institute ofRadiowave Propagation,Qingdao 266107,China）AbstractAiming at the limitation of detection ability of VHF coherent scattering radar in routine mode,adetection system based on interference method is constructed to form the detection ability of three-dimensional finestructure of ionospheric E region field-aligned irregularity (FAI)in this work.Based on E region FAI echo dataobtained by VHF radar interference detection experiment carried out at Qujing,the phase deviation of detection systemis calibrated and the three-dimensional fine structure and drift motion process of E region FAI are obtained.It includesthe three-dimensional position of the FAI echo scattering point and the three-dimensional outer scale of the FAI cloudcluster,drifting trajectory and drifting velocity,etc.Observed results show that the east-west,north-south and altituderanges of E region FAI structure are within 3520 km,85120 km and 95130 km,respectively,and thecorresponding three-dimensional outer scales are 23.8 km,7.6 km,and 7.6 km,respectively.The drift velocity in theeast-west direction is greater than that in other directions.Quasi-periodic echoes with the period of 56 min are alsopresented in this study.It completely and accurately reveals the spatiotemporal evolution process of FAI in the E region 收稿日期：2021-09-21资助项目：重点实验室基金（6142403190107）；基础科研项目（JCKY2021210C614240302,JCKY2019210C026）；泰山学者工程专项（ts20190968）通信作者：邓忠新 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 from generation to disappearance.KeywordsVHF radar；spatial interferometry；E-region field-aligned irregularities；fine structure 引言电离层不规则体是漂浮于正常电离层中各种尺度与形状的电子密度异常结构，又称电离层不均匀结构，其电子密度显著高于或低于周围背景电离层.这种不均匀结构在不同纬度电离层 E、F 区均会发生，包括常见的偶发 E 层(sporadic E,Es)、扩展 F 层(spread F,SF)等大尺度以及云团、斑块等中小尺度的不规则体.在空间等离子体波、地球磁场等作用下，电子密度不规则结构将沿地球磁力线方向排列，形成所谓的场向不规则体(field-aligned irregularity,FAI).电离层不规则体随时间和空间随机变化，涉及电离层背景中的中性风场、电场、大气波动等众多因素及其电动力学过程，使得其形成及演化过程较为复杂1.电离层不规则体能引起无线电波信号幅度、相位等剧烈扰动，即电离层闪烁效应，进而对雷达等无线电信息系统带来不利影响2-3，因此对电离层不规则体观测研究至今仍是一个热点话题4-9.为揭示电离层不规则体的形态结构、生成与演化过程等，基于不规则体相干散射理论的高频(highfrequency，HF)及甚高频(very high frequency，VHF)雷达探测技术应运而生，并成为探测认知电离层E、F 区不规则体的有力手段10-12.早期，相干散射雷达主要用在极区及赤道电急流区的电离层不规则体结构与动力学过程的观测研究，随着该技术在中低纬电离层不规则体探测中的迅速发展，发现 E 区相 干 散 射 回 波 与 Es 层 密 切 相 关13-14.基 于 VHF相干散射雷达探测数据信息，对中低纬米级尺度E 区 FAI 的发生时间、出现高度、回波类型、多普勒速度等形态学特征有了一定的理解15-18.自 2010 年以来，在中国大陆境内的三亚、武汉、曲靖等地也先后部署了 VHF 相干散射雷达系统，为深入认知东亚 Es 高发区的中低纬 E 区 FAI 提供了有利条件.宁百齐和李国主等19-21利用三亚 VHF 雷达得到了E 区连续性和准周期的 FAI 回波特征.周晨等22分析了武汉 VHF 雷达观测到的 E 区 FAI 与 Es 的相关性.朱云舟等23基于曲靖 VHF 雷达连续两年观测资料得到了 E 区 FAI 发生率和高度的季节及地方时依赖关系.VHF 相干散射雷达传统观测方式仅能获取波束方向上的 FAI 回波信息，不能满足对 FAI 的空间精细结构、生成与演化过程的认知需要.随后一种基于雷达空域干涉法的探测思想被提出24，它可以反演出电离层 FAI 的三维空间位置，进而可以得到电离层FAI 精细的空间结构和漂移运动过程.YAMAMOTO等25利用日本 MU 雷达大型天线阵列中三个不共轴接收模块构成空域干涉探测，得到了 E 区 FAI 的空间 三 维 结 构 信 息.WANG 和 CHU26-27基 于 中 坜(Chung-li)VHF 空域干涉观测分别探讨了 E 区斑块状和 I、II 型 FAI 的空间结构特征.LI 等28则在三亚VHF 雷达基础上，通过增加一个不共轴接收天线模块构成空域干涉系统，分析了包括空间尺度、漂移运动速度等在内的 E 区 FAI 三维空间结构信息.本文基于曲靖地区现有的 VHF 雷达系统，首先介绍了空域干涉探测实验装置构建和干涉探测原理，然后结合 E 区 FAI 观测实例，阐述了包括系统相位偏差校正在内的干涉探测实验数据处理方法，最后针对 FAI 事件干涉探测数据，分析得到了包括三维空间位置、外尺度、漂移运动等 E 区 FAI 三维精细结构信息.1 实验装置与干涉探测方法00在云南曲靖地区部署有一套由 6 个收发通道构成的 VHF 相干散射雷达系统，其天线阵列空间布局呈矩形，由前后两排共 24 副(122)五单元八木天线组成，前后两排 4 副(22)天线构成一个收发通道.前后排天线间距离约为 3.1 m，左右间距离约为4.62 m.天线阵列长轴沿着地磁场东西方向，波束中心指向地磁正北，它与地理正北间存在一个夹角(1.6).为构建空域干涉探测实验系统，需要增加一个与原天线阵列不共轴的天线通道.本实验系统通过对原天线阵列最西边的第 6 通道天线组位置进行调整，将其置于通道 3 正北方，这样无需另外新增一个接收通道，并解决了实验系统各通道间时间同步问题.为此，结合曲靖 VHF 雷达系统可用的实验场地空间条件，对系统天线阵列波束方向进行仿真分析，选定通道 3 和 6 之间距离为 1.6 倍波长，约 10.45 m.仿真结果表明本实验系统能够获得与原天线阵列结构相仿的波束性能29，该实验系统主要参数见表 1，天线阵列布局如图 1 所示.基于实验系统所采集数据，采用快速傅里叶变换和矩方法，计算出信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)、多普勒速度和宽度等信息19,25.第 1 期邓忠新，等：VHF 雷达空域干涉法探测曲靖电离层 E 区场向不规则体精细结构143 S23()S36()S62()S23()S36()S62()选择 2、3 和 6 三个通道构成空域干涉组来解算反演 E 区 FAI 的空间三维结构.由两两通道间探测信息可以得到 FAI 回波 3 对归一化互谱、和.见式(1)，和 与其相类似.S23()=V2()V3()|V2()|21/2|V3()|21/2=|S23()|ei23(