武汉VHF相干散射雷达及初始观测结果

摘 要： 武汉VHF雷达坐落于武汉大学（30.5°N，114.4°E），工作频率为48.2 MHz，是我国首部用于观测中纬度电离层场向不均匀体实时演变特征的相干散射雷达。首先详细介绍该雷达系统设计，主要包括天线阵系统、功放系统、接收系统、波束控制系统以及数据处理系统；然后利用噪声基底拟合方式去除射频干扰，增强RTI图的可读性和雷达有效回波结构的清晰度。武汉VHF雷达E层不均匀体的观测结果表明，中纬E层准周期回波的发生是风剪切激发K⁃H不稳定性所致。

关键词： VHF相干散射雷达； 中频数字接收机； 场向不均匀体； 噪声基底拟合

中图分类号： TN913.37⁃34； TN958.92 文献标识码： A 文章编号： 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

电离层不均匀体是指电离层中出现的不同电离密度的云块状结构，它能改变无线电波的射线轨道和传播时延，引起无线电信号幅度和相位的随机快速起伏，造成地空无线电系统性能下降。因此，研究电离层不均匀体的产生和演变机制具有重要意义。20世纪60年代开始，VHF（Very High Frequency）相干和非相干散射雷达[1⁃4]成为电离层不均匀体观测的重要方式。在过去的几十年里，电离层不均匀体的观测研究首先在赤道电集流区和极光电集流区展开，并取得重大进展。中低纬地区电离层不均匀体的研究进展相对比较缓慢，观测设备主要依靠Arecibo非相干散射雷达，日本MU雷达[5⁃6]，Piura的VHF雷达，Gadanki的MST雷达[7]，新西兰南部VHF雷达，中国台湾中坜VHF雷达[8]。

国内电离层不均匀体的研究起步较晚。受观测设备限制，国内学者依靠电离层测高仪和闪烁仪对中低纬电离层不均匀体进行观测研究，但小尺度电离层不均匀结构的研究仍处于空白。2008年，我国开始实施子午工程项目建设，对我国境内东经120°子午链和北纬30°纬线的空间环境进行探测和监控。宁百齐、李国主等人利用三亚VHF相干散射雷达的观测结果[9⁃11]，对电离层不均匀体回波的发生特征和发生率做了详细的分析统计，解释了我国低纬电离层不均匀体的发生和演变机制。

2015年2月，用于中纬电离层E，F区不均匀体研究的VHF相干散射雷达在武汉大学校内完成建设调试，并开始对中纬电离层不均匀体的发生和演变过程进行观测研究，填补了我国中纬小尺度电离层不均匀体观测的空白。本文首先对雷达系统设计进行详细介绍，然后采用噪声基底拟合对电离图进行处理，最后给出E层不均匀体的初始观测和分析结果。

1 武汉VHF雷达

1.1 探测原理

武汉VHF雷达工作为相干多普勒后向散射雷达，利用不均匀体对无线电波的后向散射实现电离层不规则体的观测。等离子体波沿地球磁力线传播，造成电子密度不均匀体沿磁力线方向排列，其散射截面积会随着雷达波束方向与磁力线的夹角而变化。当雷达波束与磁力线垂直时，不均匀体的散射截面最大。因此，雷达入射波必须在E，F区与地磁线垂直。此外，电离层的相干散射满足布拉格散射定律，能实现对[λ2]尺度不均匀结构的探测。电波散射示意图如图1所示。

图1 电波散射示意图

1.2 雷达系统

武汉VHF相干散射雷达工作频率为48.2 MHz，是采用主动相控阵系统的单站式脉冲多普勒雷达。一系列先进的雷达技术的应用（如全固态发射机、中频数字接收机、数字波束合成等技术）使得该雷达具有距离分辨率高、探测距离远、多普勒分辨能力强等特点，能够满足电离层E，F区场向不均匀体及其漂移特征的观测要求。雷达整个信号处理过程均在频域上进行，对回波脉冲序列的频谱分析处理能够有效地抑制杂波。此外，脉冲压缩、二进制伪随机相位编码等雷达技术的应用极大地提高了雷达的探测性能。

VHF相干散射雷达主要由天线阵系统、功放系统、接收系统、波束控制系统以及数据处理系统构成（见图2）。此外还包括频率合成系统、供电系统、断电保护系统等。雷达运行基本流程如下：由计算机控制产生高频脉冲信号，信号在波束控制单元中移相后经天线辐射出去，辐射能量在空间中被合成到特定的方向，以增强辐射方向性。辐射的无线电信号被电离层不均匀体散射后，一部分信号被雷达天线接收到。接收到的信号在传输到数字中频接收机前经滤波、放大、混频处理；在数字中频接收机中，进行A/D转换、滤波、放大、正交相位检波以及快速傅里叶变换，最后得到回波的功率谱数据。

图2 雷达系统框图

雷达天线阵采用典型的矩形天线阵，东西长48.278 m，南北宽9.236 m，由12×2=24副五单元水平线极化八木天线构成，用于雷达信号的发射和接收，天线阵整体的辐射功率峰值为24 kW。24副天线均朝向地磁正北等高水平放置，天线行间距为4.398 m（0.707λ），列间距为9.236 m（1.48λ）。天线阵波束3 dB宽度约14°，最大方向增益22 dB，波束倾角为45°，通常固定指向地磁正北，并在电离层E，F区高度与地磁场垂直。波束控制方式为继电器切换，12通道中每个通道均有180°，90°，45°，22.5°，11.25°和5.625°的切换延迟。雷达波束可以在天顶角上以1°的步进在±20°的范围内连续扫描。为保证扫描方向上的低旁瓣，接收时天线阵波束采用一维加权。

VHF雷达功率合成方式采用半分布式馈电模式，即由6个固态射频功率放大器模块将24 kW的峰值功率通过1∶2功分器馈送到波束控制单元，然后再经1∶2功分器馈送至24副天线。可发射占空比为10%的单脉冲和12%的调相脉冲，脉冲重复周期由脉冲宽度和占空比共同决定。雷达可调节输出功率等级范围为0～100%。

接收机的主要作用是将天线接收到的回波信号进行处理，最终得到基带信号。雷达接收机由本地振荡器、低噪声放大器、带通滤波器、模/数转换器、数字下变频等部分组成。接收机框图如图3所示。

图3 接收机框图

按照功能不同可划分为射频部分和数字部分。射频部分是一个单级的射频到中频的过程：从天线接收到的回波信号经射频带通滤波器和低噪声射频放大器后，在混频器中，与本地振荡器产生的等幅高频电压混合，频率被降到中频。本地振荡器和增益控制由激励器产生。中频中心频率为80 MHz，是一个1～2 MHz的窄带信号。数字部分包括中频数字采样和数字下变频。中频数字采样是指中频模拟信号经由一个16位的模/数转换器以90 MSPS的采样率进行A/D转换得到数字信号；随后中频数字信号经过数字下变频处理，最终得到的I/Q输出信号被传输至信号处理器进行数字信号处理。

数字下变频由数控振荡器、数字乘法器以及数字滤波器（CIC滤波，窗函数滤波）三部分组成。其组成框图如图4所示。

图4 数字下变频框图

从频谱上看，数字下变频是将A/D采样后的信号从中频变换到基带。该过程可分成两个部分：首先是数字控制振荡器产生的正交载波与输入信号相乘，利用数字混频法对数字中频信号进行正交解调；第二部分则是进行数字滤波，滤除不需要的频率分量，该部分主要是进行CIC（Cascaded Integrator Comb）低通抽取滤波以及FIR（Finite Impulse Response）补偿滤波等处理。

VHF雷达接收到的后向散射回波信号非常弱，为获得散射回波信号，武汉大学VHF雷达采用直接中频数字采样[12]，这样可以保留更多信息，减少模拟电路的温度漂移、增益变化以及线性失真等所带来的影响；利用数字混频实现正交解调[13]，可以有效避免模拟混频产生的寄生信号和交调失真。在数字域上进行相位检测能够确保相位正交性和幅度一致性，极大地提高了观测精度，也使设备可靠性更高。雷达技术指标如表1所示。

2 信号处理

不均匀体回波通常非常微弱，信号处理器必须具有捕捉微弱回波和高估算精度的能力。信号处理器是雷达的一个关键部分，它的能力直接反映了雷达的整体性能。武汉VHF相干散射雷达采用了特殊的数字信号处理器，用来实现编码脉冲压缩、相干累积、FFT、杂波抑制、谱平均（非相干累积）等。信号处理器输出的回波功率谱数据作为后续数据处理的来源将直接影响到后续数据处理结果的有效性和可靠性。信号处理框图如图5所示。

表1 雷达技术指标

图5 信号处理框图

武汉VHF相干散射雷达的数据处理通过一台高性能的控制处理计算机来完成。信号处理所得到的功率谱数据经由PCI（Peripheral Component Interconnect）总线传输至数据处理系统进行相应处理。VHF雷达的控制和数据处理系统提供了一系列功能，主要包括工作参数和观测模式的选择；提供默认的运行参数；自定义参数设定；显示实时的探测结果；监控并显示雷达运行状态；数据处理和储存；数据传输以及网络通信状态。

图6为雷达数据处理系统得到的SNR（Signal Noise Ratio）图，有效回波主要是指电离层区域不均匀体的散射回波，反映了高电子密度不均匀体的时空结构，因此又称为雷达回波电离图。

图6 雷达显示的回波强度

武汉射频干扰较为严重，射频干扰和回波信号处于同一带宽内，这些干扰被引入接收机，直接影响有效信息的提取。从图6可以看出，射频干扰通常呈现为垂直条状。这些干扰覆盖在有效回波之上及其周围，使得不规则体的精细结构和边界模糊不清，有时甚至严重抑制不规则体散射回波，使得信噪比RTI（Range Time Intensity）图的可读性变差。本文根据VHF雷达实际探测所接收到的数据，根据有效回波和射频干扰的时空特性差异，利用噪声基底拟合的方式实现射频干扰的去除，结果表明该方法能有效地剔除射频干扰，并保留有效回波。图7给出了武汉VHF雷达2015年7月18日12：40—13：00（UT）射频干扰下的雷达回波信噪比实例。

图7 有射频干扰的回波强度

从图7可以看出，电离层E区不规则体通常出现在130～200 km之间，200 km以上极少出现不规则体回波。有效回波信号强度在不同距离门上存在着显著差异，射频干扰在某个时间点上的所有距离门上都有出现，其强度基本保持不变或呈现缓慢线性变化。因此，提取不含有效回波的距离门上的回波信号，采取最小二乘法对同一时间点不同高度上的数据进行线性拟合得到射频干扰强度随距离的变化关系，最后利用拟合得到的回归方程计算出各距离门上的噪声电平，最后相消达到去射频干扰的目的。

图8为图7拟合去噪后的结果，从图8中可以看出，抑制射频干扰后，雷达回波信噪比RTI图的可读性更强，不规则体回波信号更加清晰，回波精细结构和边缘信息都非常明显。

3 典型观测结果

利用武汉VHF雷达对武汉地区电离层E区场向不规则体进行观测。图9给出2015年7月9日观测到的电离层E区场向不均匀体实际观测结果。其中图9（a）为0：00—24：00（UT）全天的观测结果，图9（b）为电离层E区场向不均匀体出现时段的观测结果。

图8 拟合去噪后的回波强度

图9 实际观测结果和E区回波强度

从图9（a）中明显看出武汉地区电离层E区场向不规则体发生在12：00—18：20（UT）之间，而在其他时段未观测到不均匀体。不均匀体出现在150～180 km之间，且主要集中在155～170 km之间，在波束方向上的尺度范围大约为7～15 km。从图9（b）可以看出，雷达回波间歇性出现，不规则体结构在HTI图上呈现出垂直的或者倾斜的长条块状结构，回波周期大约为2～15 min，表现为准周期性回波特征。此外，随着时间推移，不规则体整体呈现出缓慢下沉的变化趋势，在当地时间24点以后，回波强度和尺度范围开始变弱，最终消失。

早期，国外空间物理学者对准周期回波进行了大量的研究。Yamamoto等人利用日本的MU雷达发现了准周期回波；Woodman等人提出了重力波扭曲Es层的机制来解释准周期回波的形成；Tsunoda引入极化电场的影响来修正重力波调制理论；Bernhardt等人基于风切不稳定机制[14]，提出了风剪切影响Es形成K⁃H结构，从而产生准周期回波的的理论；最近十年来，研究人员利用非相干散射雷达和相干散射雷达积累了大量中纬度E层不均匀体的观测结果，并发现这些E层不均匀体与Es存在着密切的联系。

与三亚（低纬）和中坜（中纬）的观测结果不同，地处中纬地区的武汉很少观测到E层不均匀体连续性回波。武汉地区E层不均匀体准周期回波通常发生在夜间，且具有明显的季节变化特征。对于武汉准周期回波的发生，风剪切理论能给出相对合理的解释：E层的水平风场剪切作用不仅能够产生Es，其强度还可以激发K⁃H不稳定性。风剪切影响Es从而形成K⁃H结构，K⁃H结构受中性风作用运动进而在雷达RTI图上形成准周期回波。此外，中纬地区纬向风切变节点处在夜间是不稳定的，也可能会产生准周期回波结构。夜间，E层不均匀体回波呈现出缓慢下降，这可能是因为具有向下相速度的潮汐或重力波所致，也可能是下行风切变所驱使的。在观测中发现，E层不规则体出现具有明显的季节变化，这表明E层不均匀体发生的季节变化受背景密度、Es层、电场以及风场的共同影响。

在中纬度E层不均匀体的机理研究方面，虽然K⁃H不稳定性和Es不稳定性都能从背景风场的角度提出合理的解释，但E层不均匀体的形成仍然是一个复杂的过程，单一的不稳定性不能解释全部的现象。因此还有待进一步的研究。

4 结 语

本文介绍了国内首部用于中纬地区电离层不均匀结构观测的VHF相干散射雷达。全固态发射机、主动相控阵、中频数字接收机等先进雷达技术的应用，提高了雷达的探测性能。雷达具有很高的时间分辨率和距离分辨率，能对小尺度的电离层不均匀结构进行有效观测。本文利用VHF雷达的观测数据给出了初始的观测结果：中低纬度地区电离层E区准周期回波的产生可能是由于水平风场剪切作用激发K⁃H不稳定性所致。同时武汉VHF雷达可以全天候无人值守连续观测，能够积累大量的中低纬度E，F区场向不均匀体，对于统计分析武汉地区电离层不均匀体形态结构及形成机制具有非常重要的意义。

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