非相干散射雷达调研报告

1、非相干散射雷达系统非相干散射雷达系统基础知识调研报告基础知识调研报告20162016年年1111月月2525日日一.非相干散射探测基本原理二.非相干散射雷达基本结构与特征三.非相干散射雷达发展现状四.非相干散射雷达的典型代表五.非相干散射雷达的主要应用汇报提纲汇报提纲一.非相干散射探测基本原理二.非相干散射雷达基本结构与特征三.非相干散射雷达发展现状四.非相干散射雷达的典型代表五.非相干散射雷达的主要应用汇报提纲汇报提纲非相干散射探测是指电波在电离层中由于受到准平衡电子密度随机热起伏影响而引起散射，接收这种能量从而获取电离层物理参数的电离层探测方法，称为非相干散射探测。在1958年，美国W.E

2、.戈登最先提出用当时的大功率雷达可能探测到电离层的后向散射回波信号。他认为这种散射是相互独立的电子所产生的汤姆逊散射，也就是说，雷达电波照射到电离层的有限体积上，其中每个电子都会散射电波。由于电子处于随机的热运动状态，在空间变化小于电波波长的条件下，各个电子的散射信号是非相干的。美国K.L.波利斯通过实验证实了戈登关于电离层中有电子存在，可以观测到散射回波的设想。但是，观测到的散射现象比预想的复杂得多，特别明显的是散射信号的功率谱宽比预想的窄得多。后来，许多学者对理论进行了修正，他们认为，电离层的电子浸在离子云之中，粒子之间存在库仑力，在库仑力起显著作用的范围内的电子受正离子的束缚较强，它们并

3、不完全独立，散射信号是部分相干的。他们用不同的理论模型进行研究，获得几乎完全一致的结果。但“非相干散射”这个名词却己根深蒂固，所以一直被沿用了下来。非非相干散射探测概念的形成相干散射探测概念的形成电场入射引起电子散射 电场入射使电子运动，产生电流进 而散射出电磁场。非非相干散射探测的理论基础相干散射探测的理论基础非非相干散射探测的理论基础相干散射探测的理论基础 电子热运动引起的扰动可以用电子密度随时间变化的关系来反映，而非相干散射雷达正是基于由电子密度波动引起的微弱散射信号进行探测的。 非相干散射雷达散射信号的平均值为零，将其散射信号多次测量值进行直接相加累积不可行，需从自相关函数或者功率谱的

4、分析入手，通过自相关求得功率谱，再进行累积才可能获取电子密度、电子温度、离子温度、离子漂移速度等电离层特征参量。 接收到的功率谱会受到不同编码的信号处理方式的影响，为此需要对其功率谱进行修正，这一修正的过程由模糊函数来完成。非非相干散射探测的理论基础相干散射探测的理论基础一.非相干散射探测基本原理二.非相干散射雷达基本结构与特征三.非相干散射雷达发展现状四.非相干散射雷达的典型代表五.非相干散射雷达的主要应用汇报提纲汇报提纲非相干散射雷达可以测量60km至2000km甚至更高范围内的二十多个参量，具有测量高空大气物理参数多、测量范围广、距离分辨率高等突出特点，已成为目前研究电离层结构和动力学过

5、程最有力的探测工具；也是进行空间天气监测和预报的重要技术手段。非相干散射雷达的测量功能非相干散射雷达的测量功能l 测量的高空大气 物理参数多l 测量参数精度高l 测量高度范围大l 距离分辨率高l 测量地域广阔l 天线系统： 相控阵或各种天线控制系统l 发射机：由于散射信号是非常微弱的 , 为了得到满意的信噪比，非相干散射雷达发射的脉冲峰值功率均在兆瓦量级。非相干散射雷达发射机程式应为多级主振放大式。各种编码信号在射频振荡低功率电平形成。发射机末级功率放大器选用高功率脉冲调制速调管，其特点是增益高。l 信号处理机（接收机）：AD，FPGA，DSP PCB设计 采样信号接收，数字下变频，时序与数据

6、通信，脉冲压缩与非相干积累 数字信号处理。非相干散射雷达的结构与技术特征非相干散射雷达的结构与技术特征l 发射功率高l 天线有效面积大 高增益，波束带宽窄，低的旁瓣 电平，波束可以在一定的方位与仰角上移动。l 系统噪声温度低降低系统噪声温度，提高信噪比l 采用相干积累技术获得最大积累增益，提高信噪比，保证电离层参数测量精度。l 专用脉冲编码技术适应不同探测高度对距离分辨率和功率谱分辨率的要求：简单脉冲、Barker相位编码、交替相位编码、Barker码和交替码组合编码l 工作频段选在450-500MHz为宜l 数字信号处理技术和计算机技术一.非相干散射探测基本原理二.非相干散射雷达基本结构与特

7、征三.非相干散射雷达发展现状四.非相干散射雷达的典型代表五.非相干散射雷达的主要应用汇报提纲汇报提纲非相干散射雷达的发展现状非相干散射雷达的发展现状美国 先后建设了四套非相干散射雷达，分别是秘鲁Jicamarca波多黎各Arecbio美国Millstone Hill和丹麦格陵兰岛SondrestromEISCAT 建设了三套非相干散射雷达，分别是挪威Tromso UHF和VHF雷达挪威Svalbard雷达ESR乌克兰 把位于Kharkov的一套退役军用雷达改造成非相干散射雷达俄罗斯也对Irkutsk一台雷达进行了改造用于电离层非相干散射探测法国 1965年在Stsantin建立了一套双站连续波

8、非相干散射雷达中心频率为935MHz平均功率为150Kw，1986年停止工作英国 1968年在Malvern建成了一套单站非相干散射雷达采用口径42.7m的抛物面天线工作频率400.5MHz峰值功率8Mw，1971年改成四站系统该系统1975停止工作日本 MU（Middle and Upper Atmosphere) 雷达(1984)和EAR(EquatorAtmospheric Radar) 雷达,2001年日本与印度尼西亚在西苏门答腊联合建设了类似的EAR雷达。中国 2002年底，MillstoneHill观测站决定和中国科学院武汉物理与数学所进行长期合作、数据共享；2004年10月，与欧

9、洲非相干散射科学联合会(EISCAT)合作被明确为中挪两国联合推进的合作项目，2005年，由中国电波传播研究所代表国家签字加入EISCAT；2012年，在国家子午工程和国防科技工业电波环境观测网条件建设项目的共同支持下中国电波传播研究所在云南曲靖建成了我国首套非相干散射雷达。非相干散射雷达的发展现状非相干散射雷达的发展现状一.非相干散射探测基本原理二.非相干散射雷达基本结构与特征三.非相干散射雷达发展现状四.非相干散射雷达的典型代表五.非相干散射雷达的主要应用汇报提纲汇报提纲美国磨石山美国磨石山(MillstoneHill)观测站观测站世界上著名的电离层非相干散射探测与研究基地，是美国国家自然

10、科学基金委管辖支持的4个非相干观测站之一，也是美国本土唯一的非相干散射雷达。该观测站自70年代开始观测，至今已有30多年的连续观测记录，并据此建立了庞大的数据库，发展了强大的数据库软件管理系统(Madrigal)，提供了基于国际互联网进行在线数据提取的平台，该台站已经发表了一批关于中纬、亚极光区电离层特性的经典文献，对电离层研究具有重大的贡献。此雷达有两套天线系统，左下角为垂直探测天线，是一个方向固定进行垂直探测且直径为68米的抛物面天线，另一个为方向可操控、直径为46米的抛物面天线。前者可以用来测量单点电离层参量的“精细”结构，后者可以测量电离层水平空间结构变化特征，如中纬槽及亚极光带极化流

11、(SAPS)的演化过程，同时还可以用来确定速度场全矢量。非相干散射雷达的典型代表非相干散射雷达的典型代表-Millstone Hill-Millstone Hill EISCAT 3DEISCAT自2004年开始了EISCAT 3D的论证设计和筹建工作，目前正在建设中，预计2018年可开展首次科学观测，若资金到位将在2021年底前完成全部建设工作。该系统是多站相控阵雷达系统包括一个中心站具有发射和接收能力和四个接收站接收站中至少一个具有发射能力峰值功率兆瓦，位于南北和东西方向的两个250公里长的基线上接收站之间间隔50-250公里中心站由正交八木天线阵射频功率放大器数字接收机及支撑电子器件组成

12、天线阵包括约10000个天线单元。EISCAT 3D采用数字接收机基于软件无线电的信号处理分布式孔径先进的反演成像等技术代表了当前空间环境地基探测雷达的最新发展方向和水平。EISCAT 3D的主要技术特点包括多波束多方向准实时三维成像能力一发四收式多站构型连续监测运行能力仅受电力供应和磁盘数据存储能力限制多基线干涉测量能力等这使它相对于其它非相干散射雷达具有很多新功能包括对波束方位的瞬时自适应控制能力多波束交叉波束探测能力合成孔径成像能力电离层参数全剖面矢量探测和高速目标跟踪测量能力等。非相干散射雷达的发展现状非相干散射雷达的发展现状非相干散射雷达的典型代表非相干散射雷达的典型代表-EISCA

13、T 3D-EISCAT 3D 中国曲靖非相干散射雷达中国曲靖非相干散射雷达2012年，由中国电波传播研究所在原有雷达基础上按照空间物理研究的技术指标要求改造建设，其关键技术如大功率雷达反射机、信号处理技术、冷参放大接收机和雷达控制系统等均由国内设计研发。雷达的近似大地经纬度为(103.7 25.6)，海拔高度2072 m。由发射系统、接收系统、天线及其伺服驱动系统等组成。目前的非相干散射雷达在原卡塞轮式天线25m口径的基础上扩展到了29m，增加了天线增益提高了天线接收灵敏度。雷达工作频率为500 MHz ，工作波长60 cm，可调发射峰值功率为2MW脉冲，重复频率为50-1000Hz,接收系统

14、噪声温度为130K，接收带宽为30MHz。它是世界上唯一一部位于低纬度地区电离层异常区的非相干散射雷达，是有着强大发射功率和灵敏接收能力的地面大型科学装置，这使其成为一个多学科的开放研究平台，将在日地空间环境和空间探测等方面发挥重要作用。其涵盖的研究内容非常丰富，从中高层大气电离层到月亮小行星和陨石等，与此同时该雷达也可以作为地面探测器进行空间碎片的观测。非相干散射雷达的典型代表非相干散射雷达的典型代表-Millstone Hill-Millstone Hill一.非相干散射探测基本原理二.非相干散射雷达基本结构与特征三.非相干散射雷达发展现状四.非相干散射雷达的典型代表五.非相干散射雷达的主

15、要应用汇报提纲汇报提纲u 电离层探测与研究非相干散射雷达可探测电离层精细分层结构，获取电离层电子密度、电子/离子温度、等离子体径向漂移速度等多个参数，为电离层空间天气特性研究与建模提供数据支持。也可用于目前全球导航卫星GNSS信标三频信标掩星垂直探测等手段获取电子密度剖面的精度分析验证支持电离层探测技术的发展。u 空间物体探测非相干散射雷达在空间碎片、流星、卫星、小行星等空间物体探测方面也具有重要应用价值。对非相干散射雷达来说空间物体硬目标与电离层是两类完全不同的目标其目标特性差别显著探测时的主要差别体现在信号处理和数据反演分析方法上。EISCAT在欧州太空局支持下在空间碎片探测方面开展了广泛

16、深入研究；国内金旺丁宗华等积极开展基于非相干散射雷达的空间碎片探测实验研究；国外学者利用MU雷达在流星探测方面开展了一些重要工作分析了雷达波束平行和垂直地磁场时散射回波特征研究了流星结构和散射机制。非相干散射雷达的非相干散射雷达的应用应用u 空间等离子体物理研究在宁静的电离层条件下利用非相干散射雷达功率谱反演电离层参数时，一般都假设电离层离子电子速度满足麦克斯韦分布。但是在电离层加热、场向电流、极光电急流等剧烈扰动条件下，此关系不再满足。需对相关的反演理论进行修正这涉及到非平衡态非麦克斯韦分布的碰撞等离子体物理研究。利用非相干散射雷达探测数据有望分析解决电离层加热过程涉及到众多的空间等离子体物

17、理问题。利用非相干散射雷达在高纬极区经常观测到一些重要的空间等离子体现象为相关研究提供了重要数据支撑。u 非相干散射探测新技术新方法试验研究作为一套大型空间环境科学实验设施，非相干散射雷达本身在实验方法信号处理数据反演等方面存在许多值得持续研究之处。这直接推动了一些新技术新方法在非相干散射探测中的试验和应用。如脉冲编码，波束形成与控制，信号处理。以及EISCAT 3D正在探索的三维立体成像、Post acquisition波束合成孔径、合成成像干涉测量波束和相位Front sharping目标识别与跟踪自适应交叉实验等非相干散射探测新技术。非相干散射雷达的发展现状非相干散射雷达的发展现状1金旺,吴振森,吴健,刘拥军,孙明国,徐彬,李辉,周亮. 非相干散射雷达探测空间碎片实验研究J. 电波科学学报,2011,05:956-960.2丁宗华,代连东,董明玉,许正文,吴健. 非相干散射雷达进展:从传统体制到EISCAT 3DJ. 地球物理学进展,2014,05:2376-2381.3邢维波. 非相干散射雷达信号处理机设计D.西安电子科技大学,2010.4丁宗华,代连东,赵振维,许正文. 非相干散射雷达的空间碎片信号处理与分析J. 电波科学学报,2014,03:417-423.5黄昌理,吴健. 非相干散射雷达系统设计考虑A. 中国空间科学学会空间探测专业委员会.