劉 瑤，鄧忠新，徐 彬，徐朝輝，徐 彤

（中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266107）

0 引言

電離層是地面60 km 以上的高空大氣的電離區(qū)域，有著不同時空尺度的電子密度不均勻體。當(dāng)不均勻體沿著地球磁力線方向排列時，稱其為場向不規(guī)則體（Field-Aligned Irregularities，F(xiàn)AI）。對電離層E 區(qū)FAI 的觀測研究始于20 世紀(jì)60 年代，主要聚焦在赤道電急流區(qū)和極光帶電急流區(qū)。電離層E 區(qū)FAI 是一類重要的電波傳播媒介，利用其對VHF 信號的散射傳播，可以實現(xiàn)數(shù)百甚至上千千米的通信[1-2]。自20 世紀(jì)80 年代后期以來，電離層E區(qū)FAI 的觀測、研究越來越多。

利用VHF 相干散射雷達(dá)觀測生成的距離-時間-強(qiáng)度圖，可開展對雷達(dá)照射區(qū)域不規(guī)則體的二維空間特性的分析。2016 年，中國電波傳播研究所在昆明電波觀測站建立了一部VHF 相干散射雷達(dá)。雷達(dá)建成后一直穩(wěn)定運行，累積了大量中低緯地區(qū)電離層不規(guī)則體事件數(shù)據(jù)。

朱云舟等[3]利用雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)對該地區(qū)回波形態(tài)特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出該地區(qū)E 層場向不規(guī)則體（FAI）表現(xiàn)出典型的Ⅱ型回波特征。它的生成與演變源自電離層電子密度梯度漂移的不穩(wěn)定性，而子午風(fēng)和低F 區(qū)電場在其中起著重要作用。寧百齊、李國主等人[4-7]利用三亞VHF 相干散射雷達(dá)，對低緯地區(qū)E 層、F 層不規(guī)則體特征進(jìn)行了廣泛研究。通過統(tǒng)計、分析觀測事例，對電離層E 區(qū)連續(xù)性回波、東亞低緯度電離層準(zhǔn)周期性回波、距離擴(kuò)展流星尾跡回波以及太陽活動低年夏季F 區(qū)回波等現(xiàn)象進(jìn)行了深入探討研究。Yamamoto 等人[8-9]利用MU 雷達(dá)對中緯E 區(qū)FAI 回波進(jìn)行觀測統(tǒng)計，分析得到該地區(qū)存在連續(xù)性和準(zhǔn)周期性兩種主要的回波結(jié)構(gòu)。

通過VHF 雷達(dá)距離-時間-強(qiáng)度圖可以分析得到昆明地區(qū)FAI 的2D 回波特征分布，但是不能獲得該地區(qū)FAI 的3D 空間特征。

Farley 等人[10]利用Jicamarca 雷達(dá)，先將干涉法用于不規(guī)則體的空間探測。該雷達(dá)整體天線陣列垂直地磁場方向發(fā)射，而在接收部分只利用東（E）、西（W）兩邊各1/4 的天線陣列接收回波來推算不規(guī)則體回波的空間位置，完成對赤道電急流區(qū)不規(guī)則體的干涉測量。之后，干涉測量技術(shù)被應(yīng)用在全球多部雷達(dá)中，包括Sao Luis雷達(dá)、the Clemson雷達(dá)、the MU 雷達(dá)以及臺灣地區(qū)的Chungli 雷達(dá)[11]。各地區(qū)雷達(dá)使用干涉測量技術(shù)對E 層FAI 進(jìn)行觀測發(fā)現(xiàn)，E 區(qū)FAI 不規(guī)則體可以大致分為3 類。

Pan[12]等人使用臺灣中壢地區(qū)VHF 雷達(dá)，綜合頻域干涉、空域干涉技術(shù)，對該地區(qū)E 區(qū)FAI 空間特征進(jìn)行研究，分析觀測數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)垂直于雷達(dá)波束方向的尺度要比平行于雷達(dá)波束方向尺度高一個量級。Hysell 和Chau[13]使用雷達(dá)成像技術(shù)對干涉測量進(jìn)行拓展，使得雷達(dá)可以在觀測區(qū)域同時觀測到多個反射區(qū)域。該項技術(shù)可用于觀測赤道、中緯以及高緯地區(qū)的電離層不規(guī)則體。

Chu[14]等人對臺灣中壢地區(qū)Es 進(jìn)行干涉測量，研究Es 的空間尺度、漂移速度，并對Es 的成因進(jìn)行了討論。

綜合以往研究成果，干涉測量技術(shù)可以對E 區(qū)FAI 開展更深入的物理機(jī)制研究，有利于增強(qiáng)對昆明地區(qū)FAI 的空間特征及其成因的理解。中國電波傳播研究所2019 年6 月在昆明地區(qū)開展了電離層E 區(qū)FAI 干涉測量試驗，根據(jù)昆明VHF 相干散射雷達(dá)的現(xiàn)有場地條件，選取了架設(shè)天線的大致范圍；計算第6 組天線在不同位置、不同高度時干涉天線陣的方向圖，通過對比原先天線陣輻射特性，選定了第6 組天線的最終架設(shè)位置，并取得了初步的觀測效果。

1 三維干涉探測原理

不規(guī)則體三維干涉是基于相位測角法，利用多個天線所接收回波信號之間的相位差得到不規(guī)則體的方位角、仰角，進(jìn)而計算出不規(guī)則體的空間分布特征。

利用兩幅天線計算不規(guī)則體仰角試驗場景如圖1 所示。兩副天線之間的距離為dAB，電離層E區(qū)空間探測目標(biāo)與波束方向夾角為θ，則兩副天線接收的信號的波程差為dABsinθ。波程差所對應(yīng)的相位差則可計算為：

式中，λ為雷達(dá)信號波長，k為整數(shù)。

探測目標(biāo)與雷達(dá)波束之間的夾角可以用式（2）求得：

式中，λ為雷達(dá)信號波長，k為整數(shù)。

任意兩組天線的相位差?Φpq可以通過計算兩組雷達(dá)信號回波的歸一化互功率譜Spq獲得，互功率譜Spq的計算方法為[12]：

式中，Vp(ω)和Vq(ω)分別是天線組p 和q 所接收到回波信號的傅里葉變換；*表示復(fù)共軛；ω表示多普勒頻率；〈·〉表示求取目標(biāo)的總體均值；|Spq(ω)|表示歸一化互功率譜的幅度；?Φpq(ω)則為天線組p 和q 之間的相位差。

圖1 兩幅天線計算不規(guī)則體仰角原理

利用觀測到的雷達(dá)數(shù)據(jù)和式（3）可以獲得第2、3、6 組天線之間的歸一化互功率譜幅度|S23(ω)|、|S36(ω)|、|S26(ω)|以及相應(yīng)的相位差?Φ23(ω)、?Φ36(ω)、?Φ26(ω)。

建立如圖2 所示的坐標(biāo)系，以第3 組天線的中心為坐標(biāo)原點，地磁正南向為X軸正方向，地磁正東方向為Y軸正方向。Z軸則垂直于X軸、Y軸所在的平面。

圖2 不規(guī)則體與雷達(dá)觀測空間位置坐標(biāo)系

?、θ分別為不規(guī)則體的仰角和方位角。第2、3、6 組天線中心點的位置分別由相應(yīng)的數(shù)字標(biāo)識，第2 組天線和第3 組天線、第3 組天線和第6 組天線之間的相位差?Φ23、?Φ36可表示為：

式中，k是波數(shù)，?和θ分別是不規(guī)則體仰角和方位角。

于是，有：

式中，m、n是垂直磁場方向和天線陣水平方位向的干涉波瓣數(shù)。

獲得天線組之間的相位差后，可以利用一系列的干涉測量有關(guān)的計算方法，分析VHF 相干散射雷達(dá)探測區(qū)域不規(guī)則體三維特征[12]。

VHF 相干散射雷達(dá)的波束方向近乎垂直地磁場，與地磁場的夾角通常在±1°范圍內(nèi)。方位角在±20°±15°范圍內(nèi)變化。據(jù)此，由計算得到的相位差?Φ23、?Φ36可估算出m、n的值，利用式（6）和式（7）可以求得方位角?和仰角θ。

由式（8）可以重構(gòu)散射區(qū)的空間位置，進(jìn)而可以估算出FAI 的空間尺度和東西向漂移速度。

式中，XE、YN和ZH分別是地磁東、北和垂直方向，R是雷達(dá)斜向探測距離，re為地球半徑。

圖3 VHF 相干散射雷達(dá)干涉測量示意

2 干涉測量天線陣的優(yōu)化設(shè)計與測量結(jié)果

通常情況下，不規(guī)則體的三維干涉測量需要在現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加一組觀測天線和一部雷達(dá)回波接收機(jī)。如果不增加回波接收機(jī)，則可通過更改一組VHF 雷達(dá)天線陣位置的方法完成不規(guī)則體的三維干涉測量。然而，更改天線組的位置對整個天線陣的輻射特性會產(chǎn)生影響。為滿足VHF 相干散射雷達(dá)方向敏感性的探測條件，需要對干涉測量天線陣進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以獲取最佳的干涉測量效果。

昆明站VHF 相干散射雷達(dá)采用5 單元八木天線組成的天線陣，天線陣分為6 組。經(jīng)過實地測量，只有第3 組、第4 組天線北側(cè)2.0 倍波長范圍內(nèi)有適合架設(shè)干涉用天線組的場地。

為了獲得最好的輻射特性，保證試驗觀測效果，新的天線陣方向圖需盡可能與原天線陣方向圖保持一致。使用FEKO 7.0 分別從天線不同的安裝位置、不同架設(shè)高度分析天線陣的方向圖。

2.1 不同位置對干涉天線陣方向圖的影響

先將第6 組天線放置在第3 組天線北側(cè)1.0 倍波長距離處，后將其向西平移到第4 組天線北側(cè)1.0 倍波長距離處，分別計算兩個位置干涉天線陣方向圖，計算結(jié)果如圖4（a）和圖4（b）所示。

圖4 不同放置位置天線方向圖

對比分析可以發(fā)現(xiàn)，兩種情況下俯仰角切面3 dB 角近似相同，總體特性只存在少許差別。仿真分析表明，干涉用天線放在第3 組天線、第4 組天線北側(cè)對應(yīng)參數(shù)近似相同，對干涉試驗影響較小。

計算第6 組天線放置在第3 組天線北側(cè)1.0～2.0 倍波長距離范圍內(nèi)天線陣的方向圖。天線陣方向圖的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 不同放置位置的天線陣參數(shù)

分析表1 數(shù)據(jù)可以看到，1.0、1.2、1.4 倍波長處，天線陣方向圖開始出現(xiàn)裂瓣。天線陣裂瓣形式如圖5 和圖6 所示。圖5 為原天線陣方向圖，圖6 為1.0 倍波長距離處天線陣方向圖。

圖5 原天線陣方向圖

圖6 1.0 倍波長距離處天線陣方向圖

2.2 不同架高對方向圖的影響

更改第6 組天線的架設(shè)高度，計算不同架設(shè)高度的方向圖，結(jié)果如表2所示。從表2數(shù)據(jù)可以看到，方向圖仰角、前后比隨架設(shè)高度升高而增大。

表2 不同架設(shè)高度的天線陣參數(shù)

2.3 天線位置放置位置選擇與初步測量結(jié)果

VHF 相干散射雷達(dá)對觀測角度敏感性較高，與最佳觀測角度偏差較大，會使回波強(qiáng)度衰減較大。利用IGRF 模型計算得到高發(fā)區(qū)域最佳觀測角度為49°，因此干涉天線陣的仰角越接近該角度越好。

綜合表1、表2 中的數(shù)據(jù)，選定距離第3 組天線1.6 倍波長處作為第6 組天線的架設(shè)位置，并將第6 組天線比原先架高0.5 m，如圖7 所示。

圖7 干涉天線陣示意

圖8 為干涉天線陣方向圖，圖9 為原天線陣方向圖?？梢钥闯?，干涉天線陣與原天線陣大致相同。

圖8 干涉天線陣方向圖

圖9 干涉天線陣與原天線陣方向圖

第6 組天線架設(shè)位置選定之后，使用可搬移式八木天線對昆明地區(qū)E 區(qū)不規(guī)則體進(jìn)行初步觀測。2020 年5 月08 號13:00:00（UT），VHF 相干散射雷達(dá)觀測到的一個不規(guī)則體事件，事件對應(yīng)的6 個通道信號幅度數(shù)據(jù)如圖10 所示。

利用1 號接收通道、3 號接收通道和6 號接收通道，計算兩兩通道間的功率譜和相位差，由式（6）和式（7）可以獲得不規(guī)則體的方位角和仰角，計算結(jié)果如圖11 所示。從計算結(jié)果看，不規(guī)則體仰角測量值在[47.16，48.41]，與理論值49°接近，證明干涉天線陣觀測效果穩(wěn)定可靠。

圖10 VHF 相干散射雷達(dá)6 個通道信號幅度

圖11 干涉測量計算結(jié)果

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種VHF 相干散射雷達(dá)干涉測量天線陣，與VHF 雷達(dá)原先天線陣輻射特性近似，滿足VHF 相干散射雷達(dá)方向敏感性要求，同時第6 組天線與其他組天線具有一定的空間結(jié)構(gòu)，滿足干涉測量的要求。本文通過分析比較第6 組天線不同架設(shè)位置、不同架設(shè)高度對整個天線陣輻射特性的影響，最終選定了第6 組天線的架設(shè)位置。通過對比干涉天線陣方向圖與原先天線陣方向圖指標(biāo)參數(shù)，選定第3 組天線北側(cè)1.6 倍波長距離處作為第6 組天線架設(shè)位置，并將其架設(shè)高度在原先的基礎(chǔ)上增加0.5 m。干涉天線陣方向圖仰角為50°，最大增益21.07 dBi。初步觀測結(jié)果表明，不規(guī)則體仰角計算值與理論值較為接近，證明干涉天線陣觀測效果穩(wěn)定可靠，可以較好地完成干涉測量試驗，對進(jìn)一步研究昆明地區(qū)場向不規(guī)則體特征、形成機(jī)制具有較大的意義。