子午工程成果报道篇|新型大气观测雷达系统及探测模式探索

本期摘要

     子午工程团队成员武汉大学和中国科学院国家空间科学中心研究团队，利用子午工程MST雷达和海南VHF雷达的建设、升级改造和运行，在VHF频段阵列雷达探测中高层大气和电离层方向开展了许多探测技术类和物理机制类研究，通过发展新的探测技术来推进空间物理机制研究，又基于物理机制研究的需求改进升级观测设备和探测技术。在2023年开展了一系列先进设备研制、技术实现和多种设备联合观测相关工作，理论研究和技术成果发表在多篇《JGR: Space Physics》上，该成果被评选为子午工程2023年度优秀成果。

     现代中高层大气探测技术开始于20世纪初，随着无线电技术的发展以及无线电探空仪的研制成功，使得人们从地面及以上几百米的探测高度迅速上升到对流层和低平流层高度范围。20世纪40年代，探空火箭技术的进步又进一步将大气探测高度提高到100 km范围，同时无线电波在不同尺度空气团块上产生反射和散射的理论日臻完善，一大批大气遥感仪器，如风廓线雷达、中频雷达、流星雷达、声雷达、激光雷达等相继应用到中高层大气参数的探测中。目前利用气球和飞机对大气进行探测的最大高度范围大约在30公里左右，卫星的在轨高度一般在250公里以上，并绕地球快速运行，均不能对某一地区的中高层大气进行长期有效的探测。探空火箭是唯一一种可以对中高层大气进行原位探测的手段，但是探空火箭费用高昂，且具有不可持续性。地基遥感探测技术是目前国内和国际上最为主要的中高层大气探测手段，而MST雷达是对中性三维中高层大气风场探测能力最强的观测设备。同时电离层中被磁场约束的不规则等离子体结构会散射VHF频段电磁波，工作在该频段的雷达也可以用于观测电离层中的场向不规则结构。

     武汉MST雷达和海南VHF雷达都是子午工程一期重要的无线电观测设备，它们都工作在VHF频段分别对对流层-平流层-中间层大气和电离层不规则体开展长期全天候不间断观测。在2020年6月21日日食期间武汉MST雷达采用3波束快速轮替探测以高时空分辨率记录到中纬中间层响应太阳辐射快速变化的特征（图1）。基于升级改造的海南VHF雷达干涉阵列，实现了国内首次电离层不规则体成像（图2），首次记录到的白天不规则体展现的鹅颈结构。比对海南VHF雷达和全天空气辉成像仪共同观测结果，发现了等离子体泡及其中的不规则结构在耗散过程中表现的差异性（图3）。

     过去的理论和技术研究成果使我们认为有必要建设一个全新的多频点、高性能和通用性的软件化无线电阵列平台，以满足日益增长的技术演进要求和空间物理机制研究需求。在子午工程二期的支持下，研究团队在广西钦州建设了一部先进的无线电观测平台（图4）。该平台有A和B两个阵列组成，占地50亩，工作频率在50、160和200MHz，最大发射功率超过2MW，它是全球第一个使用全数字阵列的MST雷达。希望新设备和新技术的探索能促进系列原创性的科研成果。

图1 武汉MST雷达以高时空分辨率观测到的日食中间层响应

图2 子午工程海南VHF雷达记录的散射回波图及相应的无线电成像图

图3 气辉和散射回波共体观测揭示等离子泡中3米尺度不规则体的耗散过程

图4 子午工程二期新一代天线级相控阵MST雷达模块图和现场图

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1.https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JA031008

2.https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JA030878

3.https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JA030892

4.https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023JA031856

5.https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2023JA031890