赤道電離層等離子體泡（Equatorial Plasma Bubble，EPB）是低緯赤道空間環(huán)境中一種極為重要的現(xiàn)象，能引起嚴(yán)重電離層閃爍，導(dǎo)致星地?zé)o線電信號(hào)衰落甚至通信完全中斷，影響導(dǎo)航定位系統(tǒng)的可靠性。我國大陸南部、南海以及周邊印度洋和西太平洋上空受等離子體泡影響嚴(yán)重。長(zhǎng)期以來，由于海洋難以布設(shè)地基觀測(cè)設(shè)備，對(duì)此區(qū)域內(nèi)等離子體泡的產(chǎn)生與演化完整過程還缺乏有效的觀測(cè)。為解決這一問題，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)（子午工程二期）”建設(shè)了國際首臺(tái)低緯高頻雷達(dá)，該雷達(dá)由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所負(fù)責(zé)研制建設(shè)，部署于海南省東方臺(tái)站。

圖1 子午工程二期低緯高頻雷達(dá)天線陣列和典型的探測(cè)視場(chǎng)圖

      相比傳統(tǒng)的視距內(nèi)電離層觀測(cè)雷達(dá)，子午工程二期低緯高頻雷達(dá)發(fā)射的無線電波經(jīng)地面-電離層多次反射折射，并且受低緯電離層異常峰和不均勻體等影響，傳播路徑復(fù)雜多變。要實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)等離子體泡的目標(biāo)，低緯高頻雷達(dá)在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和等離子體泡等目標(biāo)分析識(shí)別方面存在明顯技術(shù)困難和挑戰(zhàn)。自2019年底啟動(dòng)研制以來，研究團(tuán)隊(duì)積極開展技術(shù)攻關(guān)，開展了低緯地區(qū)電波射線追蹤和超視距探測(cè)條件仿真，設(shè)計(jì)了雙向超視距探測(cè)天線陣列，發(fā)展了遠(yuǎn)距離非等間距編碼處理技術(shù)等，于2023年在海南東方臺(tái)站完成設(shè)備建設(shè)開展持續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。

      子午工程二期低緯高頻雷達(dá)工作頻率為8-22 MHz，采用全數(shù)字相控陣體制，包括東向和西向兩個(gè)雷達(dá)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)包含24路收發(fā)電路和24組收發(fā)天線。低緯高頻雷達(dá)具備較靈活的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置能力，可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整探測(cè)頻率、探測(cè)距離、掃描視場(chǎng)和雷達(dá)編碼等。典型探測(cè)模式下，低緯高頻雷達(dá)東西兩個(gè)方向探測(cè)距離均為4500 km，掃描視場(chǎng)角度48°，可覆蓋西至印度扇區(qū)，東至西太平洋9000 km的范圍（圖1）

圖2 子午工程二期低緯高頻雷達(dá)探測(cè)的等離子體泡現(xiàn)象（藍(lán)色和紅色區(qū)域?yàn)榈入x子體泡不均勻體散射回波）

      為盡早獲得觀測(cè)結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)在研制低緯高頻雷達(dá)過程中，邊調(diào)試邊開展探測(cè)實(shí)驗(yàn)。2023年4月，利用低緯高頻雷達(dá)開展雙向連續(xù)探測(cè)，在不同的距離探測(cè)到多團(tuán)等離子體泡回波（圖2），其中西向探測(cè)的等離子體泡回波距離達(dá)3500 km（約位于東經(jīng)80°），東向探測(cè)的等離子體泡回波距離達(dá)2000 km（約位于東經(jīng)125°）。

      作為國際首臺(tái)低緯高頻雷達(dá)，為了驗(yàn)證雷達(dá)超視距探測(cè)等離子體泡結(jié)果的有效性，研究團(tuán)隊(duì)利用前期在海南島及東南亞周邊區(qū)域布設(shè)的IONISE網(wǎng)絡(luò)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)低緯高頻雷達(dá)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。圖3結(jié)果表明，低緯高頻雷達(dá)探測(cè)的等離子體泡形態(tài)與IONISE網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，多團(tuán)等離子體泡結(jié)構(gòu)自西向東漂移，首先被低緯高頻雷達(dá)西向雷達(dá)探測(cè)到，靠近并經(jīng)過海南島上空時(shí)被IONISE網(wǎng)絡(luò)探測(cè)到，遠(yuǎn)離海南島時(shí)被低緯高頻雷達(dá)東向雷達(dá)探測(cè)到。

圖3 子午工程二期低緯高頻雷達(dá)觀測(cè)與IONISE等網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

      傳統(tǒng)地基監(jiān)測(cè)設(shè)備在海洋上空存在大量的監(jiān)測(cè)空白區(qū)，低緯高頻雷達(dá)的超視距探測(cè)，可覆蓋傳統(tǒng)地基監(jiān)測(cè)設(shè)備無法觀測(cè)的區(qū)域，為研究太平洋-印度洋上空電離層環(huán)境變化提供獨(dú)一無二的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。在應(yīng)用上，低緯高頻雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)的等離子體泡及其漂移速度信息，可用于提前預(yù)報(bào)等離子體泡到達(dá)和影響我國低緯區(qū)域上空的概率和時(shí)間，為開展印度洋到西太平洋的電離層閃爍預(yù)報(bào)和預(yù)警提供重要數(shù)據(jù)輸入。

      當(dāng)前，研究團(tuán)隊(duì)正在利用低緯高頻雷達(dá)探測(cè)范圍廣、參數(shù)設(shè)置靈活等優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)多種探測(cè)模式開展觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)跨大洲的超遠(yuǎn)距離等離子體泡探測(cè)實(shí)驗(yàn)、低層大氣波動(dòng)和臺(tái)風(fēng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)等已取得初步觀測(cè)結(jié)果，相關(guān)數(shù)據(jù)分析工作正在緊密進(jìn)行。

      子午工程二期低緯高頻雷達(dá)研制與初步觀測(cè)結(jié)果發(fā)表于空間物理學(xué)國際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊JGR: Space Physics（胡連歡，李國主*，寧百齊，孫文杰，解海永，趙秀寬，李怡，代國峰. Development of Low Latitude Long Range Ionospheric Radar for Observing Plasma Bubble Irregularities and Preliminary Results[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics,?2024,?129(3):?e2023JA032099. DOI: 10.1029/2023JA032099）。

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https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023JA032099