2012 年南極中山站高頻相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)集

劉建軍，胡紅橋*，陳相材

1. 自然資源部極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)極地研究中心，上海 201136

引 言

日地空間作為人類生存發(fā)展的重要環(huán)境，受到了太陽(yáng)風(fēng)活動(dòng)和行星際磁場(chǎng)的強(qiáng)烈影響。由于地球磁力線在極區(qū)高度的匯聚作用和近乎垂直的位形，極區(qū)成為太陽(yáng)風(fēng)能量進(jìn)入地球空間的直接通道。因此，極區(qū)空間環(huán)境受到太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層耦合的影響最直接也最為顯著。高緯電離層等離子體對(duì)流是太陽(yáng)風(fēng)-磁層能量耦合的一種表現(xiàn)形式，與磁層-電離層系統(tǒng)電動(dòng)力學(xué)過(guò)程有密切的聯(lián)系[1]。開(kāi)展極區(qū)電離層對(duì)流研究能夠揭示許多日地能量耦合相關(guān)的物理過(guò)程。高頻相干散射雷達(dá)是探測(cè)電離層等離子體對(duì)流的重要觀測(cè)手段。利用相干散射雷達(dá)斜向探測(cè)的能力，可以獲得雷達(dá)前方大視野范圍內(nèi)的電離層動(dòng)力學(xué)過(guò)程，而且多部高頻相干散射雷達(dá)的協(xié)同觀測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)全域電離層對(duì)流的動(dòng)力學(xué)演化特征[2-3]。

基于對(duì)極區(qū)日地空間環(huán)境認(rèn)知迫切需求的基礎(chǔ)之上，在國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)子午鏈”（簡(jiǎn)稱“子午工程”）和極地考察十五能力建設(shè)項(xiàng)目共同支持下，我國(guó)于2010年4月建成了南極中山站高頻相干散射雷達(dá)這一大型無(wú)線電觀測(cè)設(shè)備。隨后于2012年6月正式加入國(guó)際超級(jí)雙子極光雷達(dá)網(wǎng)組織（Super Dual Auroral Radar Network，SuperDARN）。南極中山站地理坐標(biāo)為（69.4oS，76.4oE），修正地磁坐標(biāo)為（74.49oS，96.01oE），不變磁緯約為75oS，L=13.9，磁地方時(shí)MLT=UT+2h，地方時(shí)LT=UT+5h。在太陽(yáng)和地磁活動(dòng)寧?kù)o環(huán)境下，中山站每天在磁地方時(shí)中午前后位于極隙區(qū)下方，夜間則處于極蓋區(qū)或極光卵極向邊緣，每天兩次進(jìn)出極光帶（約0400-0800UT和1200-1500UT兩時(shí)段），優(yōu)越的地理位置使其成為監(jiān)測(cè)和研究極區(qū)空間環(huán)境變化的重要臺(tái)站[4-5]。

圖1 地磁坐標(biāo)系下中山站高頻雷達(dá)視場(chǎng)圖

中山站高頻雷達(dá)觀測(cè)視場(chǎng)中心指向?yàn)楸逼珫|72.5°，能夠探測(cè)斜距在180-3500 km 的高頻后向散射回波，其探測(cè)高度可涵蓋電離層D 層、E 層和F 層。圖1 所示為中山站高頻相干散射雷達(dá)的視場(chǎng)范圍（Field of View，F(xiàn)OV）及相應(yīng)波束方向。雷達(dá)發(fā)射的高頻無(wú)線電波受電離層折射效應(yīng)（主要在E 層和F 層），能夠與電離層中沿場(chǎng)向（磁力線）排列的等離子體不規(guī)則體達(dá)到正交。當(dāng)不規(guī)則體的尺度與電波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生后向相干散射回波。中山站高頻相干散射雷達(dá)的工作頻率可以在8-20 MHz 的范圍內(nèi)根據(jù)接收到的回波情況進(jìn)行自由調(diào)節(jié)。在常規(guī)或者快速掃描工作模式下，雷達(dá)通過(guò)相控陣在16 個(gè)固定波束方向上連續(xù)掃描（即波束0-15），相鄰波束間隔約為3.24°，即雷達(dá)16 個(gè)波束共掃描覆蓋約52°的方位角。雷達(dá)在每個(gè)波束方向上停留時(shí)間可以根據(jù)觀測(cè)要求設(shè)定為7 s 或者3 s（快速掃描）。因此一次完整的掃描需要大約2 min（快速掃描則為1 min）。在常規(guī)觀測(cè)模式中，每個(gè)波束掃描的測(cè)量區(qū)間從距離雷達(dá)所在地180 km 的地方開(kāi)始，共測(cè)量75 個(gè)門距（gate）。在設(shè)定距離分辨率為45 km 的情況下，最大測(cè)量距離為3555 km。中山站高頻雷達(dá)的距離分辨率可根據(jù)連續(xù)脈沖工作模式在15/30/45 km 距離門分辨率下調(diào)整。中山站高頻雷達(dá)是雙通道雷達(dá)，兩個(gè)雷達(dá)通道可以獨(dú)立地工作，如A 通道進(jìn)行全波束掃描時(shí)，B 通道可以在不同的工作頻率、不同的距離分辨率和不同的掃描方式下觀測(cè)，從而得到不同時(shí)間分辨率和空間分辨率的觀測(cè)數(shù)據(jù)[6]。本數(shù)據(jù)集給出了全波束掃描的A 通道第七波束的觀測(cè)數(shù)據(jù)，每天制作一張距離-強(qiáng)度-時(shí)間序列圖。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

中山站高頻雷達(dá)由于天線體積龐大和占地面積較大等原因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，因此使用相控陣列天線來(lái)控制輻射方向。首先，系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生射頻脈沖序列，然后與背景信號(hào)一起通過(guò)信號(hào)合成儀。對(duì)于相控陣列，需要利用功分器將射頻信號(hào)分成若干所需信號(hào)，然后通過(guò)相位矩陣錯(cuò)相使信號(hào)的最大輻射方向調(diào)整為要求的波束方向。接著，射頻信號(hào)傳送到每個(gè)天線獨(dú)立的發(fā)射機(jī)中經(jīng)過(guò)功率放大器使信號(hào)電平達(dá)到所需的量級(jí)。然后，信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸線傳輸?shù)浇K端天線輻射出去，從天線輻射的信號(hào)傳播到自由空間然后從目標(biāo)散射。一些散射信號(hào)經(jīng)過(guò)輻射返回到天線，從而進(jìn)入到雷達(dá)的接收通道。其中，雷達(dá)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分就是發(fā)射機(jī)中用于隔離功放輸出和接收機(jī)前端的收/發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。由于該開(kāi)關(guān)的保護(hù)，使得靈敏的發(fā)射機(jī)前端免受來(lái)自功率放大器的高功率信號(hào)的破壞。該開(kāi)關(guān)同樣使得雷達(dá)系統(tǒng)使用相同的天線用于發(fā)射和接收信號(hào)，這樣就可以節(jié)省空間和成本。當(dāng)接收到射頻信號(hào)后，通過(guò)接收/發(fā)射（Tx/Rx）開(kāi)關(guān)進(jìn)入到接收機(jī)電子元器件中。從Tx/Rx 開(kāi)關(guān)出來(lái)后，接收信號(hào)會(huì)通過(guò)另外一個(gè)類似于發(fā)射時(shí)的用于信號(hào)錯(cuò)相的相位矩陣。然后，接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)功率分配與合成器到達(dá)接收機(jī)前端。前端選擇需要的射頻信號(hào)并且利用功放將其幅度增強(qiáng)用于后期的數(shù)據(jù)處理，這樣信號(hào)就可以輸出到顯示器或者存儲(chǔ)于電腦中[7]。圖2 所示為中山站高頻雷達(dá)室內(nèi)機(jī)柜和設(shè)備分布。

圖2 中山站高頻雷達(dá)控制機(jī)房機(jī)柜及其分布圖

2 數(shù)據(jù)樣本描述

以雷達(dá)全波束掃描時(shí)間分辨率為1 min 為例，雷達(dá)每2 小時(shí)生成一個(gè)rawacf 數(shù)據(jù)文件，雷達(dá)計(jì)算機(jī)控制電腦對(duì)回波信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行譜分析，即利用FITACF 方法做計(jì)算，得到電離層中場(chǎng)向不規(guī)則體的回波強(qiáng)度、多普勒視線速度以及多普勒譜展寬。這些參數(shù)存儲(chǔ)在一個(gè)fitacf 文件中。數(shù)據(jù)格式如表1 所示。

表1 fitacf 文件基本信息

參量名稱 數(shù)據(jù)類型 注釋tfreq 整型 發(fā)射頻率mxpwr 整型 最大頻率lvmax 整型 準(zhǔn)許的最大噪聲fitacf.revision.major 整型 FitACF 算法主要版本編號(hào)fitacf.revision.minor 整型 FitACF 算法次要版本編號(hào)noise.sky 浮點(diǎn)型 天空噪聲noise.lag0 浮點(diǎn)型 自相關(guān)噪聲零級(jí)時(shí)延noise.vel 浮點(diǎn)型 噪聲速度值nlag 整型 文件中數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)gflg 字符串 地面散射標(biāo)識(shí)p_l 浮點(diǎn)型 回波強(qiáng)度v 浮點(diǎn)型 多普勒速度值w_l 浮點(diǎn)型 頻譜寬度sd_s 浮點(diǎn)型 標(biāo)準(zhǔn)偏差elv 浮點(diǎn)型 回波到達(dá)角

利用中山站高頻相干散射雷達(dá)獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)，圖3 給出了2012 年7 月15 日該雷達(dá)A 通道第七波束的視距時(shí)間強(qiáng)度圖。從上到下依次是雷達(dá)回波強(qiáng)度、多普勒視線速度和譜展寬。右上角表示中山站雷達(dá)運(yùn)行在雙通道快速掃描模式。圖4 所示為該日9 時(shí)11 和12 分的雷達(dá)參數(shù)扇面圖。

圖3 中山站高頻雷達(dá)A 通道第七波束于2012 年7 月15 日觀測(cè)的視距時(shí)間強(qiáng)度圖

圖4 中山站高頻雷達(dá)于2012 年7 月15 日9 點(diǎn)11 分和12 分觀測(cè)的扇面圖

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

高頻相干散射雷達(dá)的回波信號(hào)主要依靠雷達(dá)無(wú)線電波與磁力線的正交關(guān)系以及電離層不均勻體的分布情況，滿足無(wú)線電波與磁力線正交條件、電離層不規(guī)則體分布越廣，一般來(lái)說(shuō)雷達(dá)回波就越豐富。高頻相干散射雷達(dá)系統(tǒng)是一套成熟的設(shè)備，中山站雷達(dá)運(yùn)行至今穩(wěn)定可靠，由于南極考察站和國(guó)內(nèi)之間網(wǎng)絡(luò)通信能力無(wú)法保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，通常由隊(duì)員隨船第二年帶回國(guó)內(nèi)。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，采用如下流程對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行控制：

（1）為確保GPS 授時(shí)準(zhǔn)確，在站隊(duì)員定期對(duì)控制系統(tǒng)的時(shí)間電腦進(jìn)行檢測(cè)。

（2）數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)人重復(fù)使用GNU 開(kāi)源軟件包內(nèi)置的gunzip 解壓縮程序檢測(cè)數(shù)據(jù)的完整性，再對(duì)文件的大小進(jìn)行計(jì)算，確保文件完整無(wú)損。

（3）最后使用SuperDARN 雷達(dá)網(wǎng)組織專用的開(kāi)源軟件工具包Radar Software Toolkit（RST）進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合自相關(guān)FITACF 的計(jì)算，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，得到最終有效數(shù)據(jù)；

（4）按照子午數(shù)據(jù)文件命名規(guī)則對(duì)不同格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行重命名。最終數(shù)據(jù)由中國(guó)極地研究中心數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)站上傳至子午工程數(shù)據(jù)中心。

雷達(dá)控制系統(tǒng)按照每2 小時(shí)生成一個(gè)文件，2012 年總共應(yīng)有4392 個(gè)rawacf 文件和相同數(shù)量的fitacf 文件，現(xiàn)有4130 個(gè)文件，即rawacf 和fitacf 類型的數(shù)據(jù)分別缺失262 個(gè)。造成缺失的原因主要是中山站站區(qū)供電系統(tǒng)斷電、發(fā)射機(jī)故障、雷達(dá)數(shù)據(jù)控制電腦存儲(chǔ)空間用盡等原因所致。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

中山站高頻相干散射雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)可用于研究局地電離層對(duì)流、重力波和行星波、流星余跡和中性風(fēng)等。高頻雷達(dá)與極光、地磁等的聯(lián)合觀測(cè)可用于高緯電離層等離子體對(duì)流、遙測(cè)磁層頂重聯(lián)和磁層亞暴動(dòng)力學(xué)等過(guò)程的研究。多部SuperDARN 高頻雷達(dá)的協(xié)同觀測(cè)，能夠?qū)Ω呔曤婋x層開(kāi)展全域?qū)α鞯难芯浚瑢?duì)磁層-電離層耦合的動(dòng)力學(xué)演化、中大尺度電離層擾動(dòng)空間天氣現(xiàn)象的研究具有重要的科學(xué)價(jià)值[8]。中山站高頻相干散射雷達(dá)與我國(guó)現(xiàn)有的極區(qū)高空大氣物理觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成的極區(qū)空間環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可用于極區(qū)空間環(huán)境的探索研究并服務(wù)于航空任務(wù)的極區(qū)現(xiàn)場(chǎng)感知。

高頻相干散射雷達(dá)作為傳統(tǒng)的電離層探測(cè)手段，到目前為止探測(cè)技術(shù)發(fā)展成熟，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件豐富。集數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模擬和快速可視化為一體的軟件是雷達(dá)RST 程序包[9]，該程序包定期更新，由SuperDARN 組織下屬的雷達(dá)數(shù)據(jù)分析工作組負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)維護(hù)?；贗DL、Matlab 和更加流行的Python 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的、相對(duì)更加科學(xué)化的數(shù)據(jù)可視化程序軟件包括了GO、DaViT、IUGONET、pyDARN 等[10]。大多數(shù)程序包在互聯(lián)網(wǎng)公開(kāi)，或者也可向開(kāi)發(fā)單位咨詢索取。SuperDARN 所有雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)則主要面向雷達(dá)網(wǎng)組織內(nèi)成員共享，共享分發(fā)的數(shù)據(jù)是RAWACF 文件，該數(shù)據(jù)文件較大。中山站高頻雷達(dá)作為SuperDARN 組織的成員雷達(dá)之一，使用上述軟件工具包即可對(duì)中山站高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)開(kāi)展科學(xué)分析。歡迎相關(guān)科技工作者使用，如需RAWACF 數(shù)據(jù)文件，可從子午工程數(shù)據(jù)網(wǎng)站下載，數(shù)據(jù)分析過(guò)程中遇到的問(wèn)題請(qǐng)隨時(shí)與作者聯(lián)系咨詢。

致 謝

本數(shù)據(jù)論文得到了國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)-國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。感謝中國(guó)極地考察專項(xiàng)、子午工程項(xiàng)目和南極中山雪冰和空間特殊環(huán)境與氣候變化國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站對(duì)中山站高頻相干散射雷達(dá)觀測(cè)運(yùn)行的大力支持，特別感謝第28 次中國(guó)南極考察隊(duì)越冬觀測(cè)隊(duì)員在極地現(xiàn)場(chǎng)的辛勤付出。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

劉建軍（1982—），男，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，博士，副研究員，研究方向?yàn)榛诟哳l相干散射雷達(dá)探測(cè)等的極區(qū)磁層-電離層耦合。主要承擔(dān)高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)及數(shù)據(jù)共享。

胡紅橋（1967—），男，湖北孝感人，博士，研究員，研究方向?yàn)闃O區(qū)磁層-電離層耦合，極光物理等。中山站高頻相干散射雷達(dá)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。

陳相材（1987—），男，四川內(nèi)江人，博士，助理研究員，研究方向?yàn)闃O區(qū)電離層物理、磁層-電離層耦合。主要承擔(dān)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)和數(shù)據(jù)處理。