非相干散射雷達調研報告

1、非相干散射雷達系統(tǒng)非相干散射雷達系統(tǒng)基礎知識調研報告基礎知識調研報告20162016年年1111月月2525日日一.非相干散射探測基本原理二.非相干散射雷達基本結構與特征三.非相干散射雷達發(fā)展現狀四.非相干散射雷達的典型代表五.非相干散射雷達的主要應用匯報提綱匯報提綱一.非相干散射探測基本原理二.非相干散射雷達基本結構與特征三.非相干散射雷達發(fā)展現狀四.非相干散射雷達的典型代表五.非相干散射雷達的主要應用匯報提綱匯報提綱非相干散射探測是指電波在電離層中由于受到準平衡電子密度隨機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的電離層探測方法，稱為非相干散射探測。在1958年，美國W.E

2、.戈登最先提出用當時的大功率雷達可能探測到電離層的后向散射回波信號。他認為這種散射是相互獨立的電子所產生的湯姆遜散射，也就是說，雷達電波照射到電離層的有限體積上，其中每個電子都會散射電波。由于電子處于隨機的熱運動狀態(tài)，在空間變化小于電波波長的條件下，各個電子的散射信號是非相干的。美國K.L.波利斯通過實驗證實了戈登關于電離層中有電子存在，可以觀測到散射回波的設想。但是，觀測到的散射現象比預想的復雜得多，特別明顯的是散射信號的功率譜寬比預想的窄得多。后來，許多學者對理論進行了修正，他們認為，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的電子受正離子的束縛較強，它們并

3、不完全獨立，散射信號是部分相干的。他們用不同的理論模型進行研究，獲得幾乎完全一致的結果。但“非相干散射”這個名詞卻己根深蒂固，所以一直被沿用了下來。非非相干散射探測概念的形成相干散射探測概念的形成電場入射引起電子散射 電場入射使電子運動，產生電流進 而散射出電磁場。非非相干散射探測的理論基礎相干散射探測的理論基礎非非相干散射探測的理論基礎相干散射探測的理論基礎 電子熱運動引起的擾動可以用電子密度隨時間變化的關系來反映，而非相干散射雷達正是基于由電子密度波動引起的微弱散射信號進行探測的。 非相干散射雷達散射信號的平均值為零，將其散射信號多次測量值進行直接相加累積不可行，需從自相關函數或者功率譜的

4、分析入手，通過自相關求得功率譜，再進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。 接收到的功率譜會受到不同編碼的信號處理方式的影響，為此需要對其功率譜進行修正，這一修正的過程由模糊函數來完成。非非相干散射探測的理論基礎相干散射探測的理論基礎一.非相干散射探測基本原理二.非相干散射雷達基本結構與特征三.非相干散射雷達發(fā)展現狀四.非相干散射雷達的典型代表五.非相干散射雷達的主要應用匯報提綱匯報提綱非相干散射雷達可以測量60km至2000km甚至更高范圍內的二十多個參量，具有測量高空大氣物理參數多、測量范圍廣、距離分辨率高等突出特點，已成為目前研究電離層結構和動力學過

5、程最有力的探測工具；也是進行空間天氣監(jiān)測和預報的重要技術手段。非相干散射雷達的測量功能非相干散射雷達的測量功能l 測量的高空大氣 物理參數多l(xiāng) 測量參數精度高l 測量高度范圍大l 距離分辨率高l 測量地域廣闊l 天線系統(tǒng)： 相控陣或各種天線控制系統(tǒng)l 發(fā)射機：由于散射信號是非常微弱的 , 為了得到滿意的信噪比，非相干散射雷達發(fā)射的脈沖峰值功率均在兆瓦量級。非相干散射雷達發(fā)射機程式應為多級主振放大式。各種編碼信號在射頻振蕩低功率電平形成。發(fā)射機末級功率放大器選用高功率脈沖調制速調管，其特點是增益高。l 信號處理機（接收機）：AD，FPGA，DSP PCB設計 采樣信號接收，數字下變頻，時序與數據

6、通信，脈沖壓縮與非相干積累 數字信號處理。非相干散射雷達的結構與技術特征非相干散射雷達的結構與技術特征l 發(fā)射功率高l 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。l 系統(tǒng)噪聲溫度低降低系統(tǒng)噪聲溫度，提高信噪比l 采用相干積累技術獲得最大積累增益，提高信噪比，保證電離層參數測量精度。l 專用脈沖編碼技術適應不同探測高度對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l 工作頻段選在450-500MHz為宜l 數字信號處理技術和計算機技術一.非相干散射探測基本原理二.非相干散射雷達基本結構與特

7、征三.非相干散射雷達發(fā)展現狀四.非相干散射雷達的典型代表五.非相干散射雷達的主要應用匯報提綱匯報提綱非相干散射雷達的發(fā)展現狀非相干散射雷達的發(fā)展現狀美國 先后建設了四套非相干散射雷達，分別是秘魯Jicamarca波多黎各Arecbio美國Millstone Hill和丹麥格陵蘭島SondrestromEISCAT 建設了三套非相干散射雷達，分別是挪威Tromso UHF和VHF雷達挪威Svalbard雷達ESR烏克蘭 把位于Kharkov的一套退役軍用雷達改造成非相干散射雷達俄羅斯也對Irkutsk一臺雷達進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

8、非相干散射雷達中心頻率為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 Atmosphere) 雷達(1984)和EAR(EquatorAtmospheric Radar) 雷達,2001年日本與印度尼西亞在西蘇門答臘聯合建設了類似的EAR雷達。中國 2002年底，MillstoneHill觀測站決定和中國科學院武漢物理與數學所進行長期合作、數據共享；2004年10月，與歐

9、洲非相干散射科學聯合會(EISCAT)合作被明確為中挪兩國聯合推進的合作項目，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)境觀測網條件建設項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。非相干散射雷達的發(fā)展現狀非相干散射雷達的發(fā)展現狀一.非相干散射探測基本原理二.非相干散射雷達基本結構與特征三.非相干散射雷達發(fā)展現狀四.非相干散射雷達的典型代表五.非相干散射雷達的主要應用匯報提綱匯報提綱美國磨石山美國磨石山(MillstoneHill)觀測站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

10、科學基金委管轄支持的4個非相干觀測站之一，也是美國本土唯一的非相干散射雷達。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，并據此建立了龐大的數據庫，發(fā)展了強大的數據庫軟件管理系統(tǒng)(Madrigal)，提供了基于國際互聯網進行在線數據提取的平臺，該臺站已經發(fā)表了一批關于中緯、亞極光區(qū)電離層特性的經典文獻，對電離層研究具有重大的貢獻。此雷達有兩套天線系統(tǒng)，左下角為垂直探測天線，是一個方向固定進行垂直探測且直徑為68米的拋物面天線，另一個為方向可操控、直徑為46米的拋物面天線。前者可以用來測量單點電離層參量的“精細”結構，后者可以測量電離層水平空間結構變化特征，如中緯槽及亞極光帶極化流

11、(SAPS)的演化過程，同時還可以用來確定速度場全矢量。非相干散射雷達的典型代表非相干散射雷達的典型代表-Millstone Hill-Millstone Hill EISCAT 3DEISCAT自2004年開始了EISCAT 3D的論證設計和籌建工作，目前正在建設中，預計2018年可開展首次科學觀測，若資金到位將在2021年底前完成全部建設工作。該系統(tǒng)是多站相控陣雷達系統(tǒng)包括一個中心站具有發(fā)射和接收能力和四個接收站接收站中至少一個具有發(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字接收機及支撐電子器件組成

12、天線陣包括約10000個天線單元。EISCAT 3D采用數字接收機基于軟件無線電的信號處理分布式孔徑先進的反演成像等技術代表了當前空間環(huán)境地基探測雷達的最新發(fā)展方向和水平。EISCAT 3D的主要技術特點包括多波束多方向準實時三維成像能力一發(fā)四收式多站構型連續(xù)監(jiān)測運行能力僅受電力供應和磁盤數據存儲能力限制多基線干涉測量能力等這使它相對于其它非相干散射雷達具有很多新功能包括對波束方位的瞬時自適應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全剖面矢量探測和高速目標跟蹤測量能力等。非相干散射雷達的發(fā)展現狀非相干散射雷達的發(fā)展現狀非相干散射雷達的典型代表非相干散射雷達的典型代表-EISCA

13、T 3D-EISCAT 3D 中國曲靖非相干散射雷達中國曲靖非相干散射雷達2012年，由中國電波傳播研究所在原有雷達基礎上按照空間物理研究的技術指標要求改造建設，其關鍵技術如大功率雷達反射機、信號處理技術、冷參放大接收機和雷達控制系統(tǒng)等均由國內設計研發(fā)。雷達的近似大地經緯度為(103.7 25.6)，海拔高度2072 m。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、天線及其伺服驅動系統(tǒng)等組成。目前的非相干散射雷達在原卡塞輪式天線25m口徑的基礎上擴展到了29m，增加了天線增益提高了天線接收靈敏度。雷達工作頻率為500 MHz ，工作波長60 cm，可調發(fā)射峰值功率為2MW脈沖，重復頻率為50-1000Hz,接收系統(tǒng)

14、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，是有著強大發(fā)射功率和靈敏接收能力的地面大型科學裝置，這使其成為一個多學科的開放研究平臺，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，與此同時該雷達也可以作為地面探測器進行空間碎片的觀測。非相干散射雷達的典型代表非相干散射雷達的典型代表-Millstone Hill-Millstone Hill一.非相干散射探測基本原理二.非相干散射雷達基本結構與特征三.非相干散射雷達發(fā)展現狀四.非相干散射雷達的典型代表五.非相干散射雷達的主

15、要應用匯報提綱匯報提綱u 電離層探測與研究非相干散射雷達可探測電離層精細分層結構，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參數，為電離層空間天氣特性研究與建模提供數據支持。也可用于目前全球導航衛(wèi)星GNSS信標三頻信標掩星垂直探測等手段獲取電子密度剖面的精度分析驗證支持電離層探測技術的發(fā)展。u 空間物體探測非相干散射雷達在空間碎片、流星、衛(wèi)星、小行星等空間物體探測方面也具有重要應用價值。對非相干散射雷達來說空間物體硬目標與電離層是兩類完全不同的目標其目標特性差別顯著探測時的主要差別體現在信號處理和數據反演分析方法上。EISCAT在歐州太空局支持下在空間碎片探測方面開展了廣泛

16、深入研究；國內金旺丁宗華等積極開展基于非相干散射雷達的空間碎片探測實驗研究；國外學者利用MU雷達在流星探測方面開展了一些重要工作分析了雷達波束平行和垂直地磁場時散射回波特征研究了流星結構和散射機制。非相干散射雷達的非相干散射雷達的應用應用u 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功率譜反演電離層參數時，一般都假設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條件下，此關系不再滿足。需對相關的反演理論進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理研究。利用非相干散射雷達探測數據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

17、理問題。利用非相干散射雷達在高緯極區(qū)經常觀測到一些重要的空間等離子體現象為相關研究提供了重要數據支撐。u 非相干散射探測新技術新方法試驗研究作為一套大型空間環(huán)境科學實驗設施，非相干散射雷達本身在實驗方法信號處理數據反演等方面存在許多值得持續(xù)研究之處。這直接推動了一些新技術新方法在非相干散射探測中的試驗和應用。如脈沖編碼，波束形成與控制，信號處理。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目標識別與跟蹤自適應交叉實驗等非相干散射探測新技術。非相干散射雷達的發(fā)展現狀非相干散射雷達的發(fā)展現狀1金旺,吳振森,吳健,劉擁軍,孫明國,徐彬,李輝,周亮. 非相干散射雷達探測空間碎片實驗研究J. 電波科學學報,2011,05:956-960.2丁宗華,代連東,董明玉,許正文,吳健. 非相干散射雷達進展:從傳統(tǒng)體制到EISCAT 3DJ. 地球物理學進展,2014,05:2376-2381.3邢維波. 非相干散射雷達信號處理機設計D.西安電子科技大學,2010.4丁宗華,代連東,趙振維,許正文. 非相干散射雷達的空間碎片信號處理與分析J. 電波科學學報,2014,03:417-423.5黃昌理,吳健. 非相干散射雷達系統(tǒng)設計考慮A. 中國空間科學學會空間探測專業(yè)委員會.