2015 年和2017 年云南曲靖站非相干散射雷达数据集

2021-07-09唐志美丁宗华代连东杨嵩

中国科学数据(中英文网络版) 2021年2期

唐志美，丁宗华，代连东，杨嵩

1. 中国电波传播研究所，山东青岛 266107

2. 电波环境特性与模化技术重点实验室，山东青岛 266107

引言

位于地球上空约60-1000 km 范围的电离层，是日地系统中能量传输和耗散的关键区域，也是产生空间天气效应的主要区域。受到太阳与地磁活动、低层大气、电场等众多因素的影响，电离层具有非常复杂的时空变化特征。为了全面完整地描述电离层变化过程与特征，需对电离层物质与能量、热力学、动力学等众多参数进行高时空分辨率探测与分析。

在众多地基探测电离层设备中，非相干散射雷达虽然有建设费用高、维修操作难、工程难度大的缺点，但是不可否认，它具备持续观测时间长、监测范围广、接收机灵敏度高等优点，是目前地面监测电离层最强的手段[1]。非相干散射雷达直接反演参数包括电离层电子密度、电子温度、离子温度、等离子体径向速度4 个基本参数（Basic parameter）；基于一定的理论假设，结合当地电离层、热层、地磁场与雷达参数条件，可进一步间接反演电场、热层风、热层温度、离子成分、离子密度、碰撞频率、热层密度等十多个次级或二级参数（Secondary parameter，称“二级参数”）[2]。

非相干散射概念是1958 年美国科学家Gordon[3]提出，相继有多位学者结合电子技术发展提出脉冲编码和相位编码的模糊函数理论[4-7]，为非相干散射雷达的建立奠定了扎实的理论基础。1960 年美国在秘鲁建成Jicamarca（11.95oS，283.13oE）第一套非相干散射雷达以来，全球相继有单站式Arecibo（波多黎各，工作频率430 MHz）、UHF 雷达（挪威，933 MHz）、VHF 雷达（挪威，224 MHz）和Svalbard 雷达（挪威，500 MHz）等十多套非相干散射雷达[8-9]，并有很多学者对其观测到的电离层基本参数与其他观测设备结果作比较分析[10-21]。在国家“子午工程”的支持下，中国电波传播研究所于2012 年5 月在云南曲靖初步建成了我国首套非相干散射雷达，为开展有关研究提供了自主数据。曲靖非相干散射雷达主要硬件性能指标如表1。

表1 曲靖非相干散射雷达主要硬件性能指标[9]

本文介绍了2015 年与2017 年云南曲靖站非相干散射雷达数据，包括原始回波功率剖面和功率谱及其反演的电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线速度等参数，并详细介绍非相干散射雷达的功率剖面和功率谱的计算表达式以及两者与电离层参数的关系，给出了部分观测结果样例。

1 数据采集和处理方法

曲靖站非相干散射雷达接收机通过对原始采样数据（0 级数据）进行抽取、滤波、傅里叶变换、模糊修正、相干积累等，计算得到电离层回波功率剖面和功率谱（1 级数据），再利用有关方法反演得到电离层电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线速度等科学数据。

1.1 功率剖面与功率谱计算方法

非相干散射雷达信号处理中利用了时延剖面矩阵这一重要概念，它是由实际采样数据的时延积构成的。设每一个脉冲周期内接收的电离层散射信号为zh(ti)，其中ti=i·Δt，i=1，2 ，3，…，Δt为时延间隔，h为ti时刻对应的高度，令xi=zh(ti)。针对每一个脉冲周期，先计算时延积xi·，生成时延剖面矩阵，然后计算自相关函数。时延剖面矩阵的示意如图1 所示，横向为i 行，纵向为j列，左边为滤波后的离散点，右边为其对应的复共轭点，每个*表示相应时延处的时延积[22]。

图1 时延剖面矩阵的示意图

非相干散射雷达需要对多个脉冲周期进行积累。在每个脉冲周期内对不同的高度分别计算自相关函数，再对多个脉冲周期不同高度上的自相关函数进行脉冲积累。因此，非相干散射雷达是脉内相关处理。假设信号是平稳的，具有各态历经性，原始采样信号的自相关函数可以表示为：

其中，xi为信号在ti=i·Δt时刻的采样值，Δt为时延间隔，信号长度为N。

原始采样信号自相关函数Rx( Δt)与电离层自相关函数（是电离层一种复杂的固有特征函数）存在以下关系：

图2 曲靖非相干散射雷达功率谱数据图例[25]

1.2 功率剖面估算电子密度剖面

非相干散射雷达电离层回波功率与电离层电子密度满足以下关系式[18]：

其中k是一个与雷达自身系统工作参数相关的常数，Ne为电离层电子密度，R为探测距离（当垂直指向天顶时，即为高度），Pr为雷达接收的回波信号功率，α为电离层等离子体德拜长度D与雷达工作波长的比值。Tr=Te/Ti，其中Te为电子温度，Ti为离子温度.等离子体德拜长度表达式为：

式中K为波尔兹曼常数，0ε为等离子体介电常数。云南曲靖站非相干散射雷达工作频率为500 MHz，换算为波长60 cm，而德拜长度一般为cm 量级甚至更小，因此2α一般很小，约为0.001 量级。若忽略等离子体德拜长度影响因素，且假定Tr为常数，则（1）式简化为：

利用电离层垂直探测仪探测的F2层峰值电子密度（或F2寻常波临界频率f oF2）来标校（5）式的系数C'，即可从实测功率剖面得到电离层电子密度剖面。

1.3 功率谱反演等离子体参量

电离层非相干散射雷达功率谱的计算非常复杂，不同学者采用不同的假设条件和计算方法最终都推导出基本相近的表达式。早期学者给出了忽略碰撞的非相干散射功率谱表达式，在实际分析电离层非相干散射功率特征时，此表达式显得非常复杂。假设电离层F层由电子和氧原子离子组成，非相干散射功率谱表达式可简化为赛普脱公式[23]：

(1) 电子温度与离子温度估算

若离子成分已知，则电子温度和离子温度可由回波功率谱的形状来确定。电子与离子的温度比决定了离子功率谱线的尖锐程度，它可以通过测量功率谱中双峰的之间的谷深（峰顶至谷底）求得。

在雷达接收的功率谱中，离子线两个峰之间的距离f+可表示为：

式（8）中λ为雷达工作波长，K为波尔兹曼常数，Te和Ti分别为电子温度和离子温度，mi为离子质量。在已知电子与离子的温度比，和离子成分条件下，离子温度Ti可获得。

(2) 等离子体视线漂移速度估算

等离子体的整体视线漂移速度可以通过下式确定：

式中Δf为功率谱中心频率相对于发射频率的多普勒频移，有正有负。在实际应用中，由于上述二者中心频率非常接近，不易判断，因此通常采用拟合方法得到，通过拟合自相关函数得到最优解，即为多普勒频移，进一步得到等离子体视线速度。

2 数据样本描述

云南曲靖站非相干散射雷达数据集记录的是中低纬地区电离层功率剖面、功率谱及其反演的电子密度、电子和离子温度、等离子体视线运动速度参数。时间分辨率为3 min，数分钟一个数据文件。数据文件分为两种类型，一类为txt 文本格式，一类为JPEG 图片格式，其中功率剖面数据提供txt格式，电子密度、电子温度和离子温度、等离子体视线速度同时提供txt 和JPEG 格式。数据文件由文件头和数据部分组成，文件头是数据内容说明，数据项包含站点、年、月、日、时、分、秒、仰角、方位角、功率参考值、距离窗口数目、距离（由距离与仰角正弦值的乘积得到高度）、电子密度对数值（或者电子温度和离子温度，或者等离子体视线速度），时间为世界时（Universal Time，UT）。例如，电子浓度数据格式如表2 所示，对应的数据样例如表3 所示。

表2 电离层电子浓度txt 数据格式

表3 电离层电子浓度txt 数据样例

如前介绍，曲靖站非相干散射雷达有两种探测模式，对应的数据产品有两种：第一种为功率剖面，如图3 所示，曲靖站非相干散射雷达探测回波高度对应的功率剖面示意图[24]，横轴为回波功率，纵轴为高度，图4 为图3 中回波功率依据第1.2 节介绍的反演方法得到的电子密度剖面图。

图3 回波功率剖面数据样例（2015 年5 月30 日17:52 UT）

图4 电子密度剖面数据样例（由图3 回波功率剖面估算获得）

第二种探测模式获取的原始数据产品为回波归一化功率谱[25]，依照第一节方法介绍，功率谱可用于反演获得电离层电子密度、电子温度、离子温度、离子漂移速度等二级参数，具体如图5 和6所示。图5 为电子温度和离子温度的高度变化图，横轴为温度值，纵轴为高度，红色和蓝色曲线分别代表电子与离子温度。图6 为功率谱反演计算得到的电子密度、电子温度、离子温度、离子飘逸速度等电离层二级参数信息。同时还可获取电离层电子密度随高度的连续变化情况，如图7 所示，横轴为世界时，纵轴为高度（km），图中hmF2 表示测高仪测得的电离层F2 层峰值高度，图示电子密度最大值处与F2 层峰值高度存在对应关系。