2012 年南极中山站高频相干散射雷达数据集

刘建军，胡红桥*，陈相材

1. 自然资源部极地科学重点实验室，中国极地研究中心，上海 201136

引 言

日地空间作为人类生存发展的重要环境，受到了太阳风活动和行星际磁场的强烈影响。由于地球磁力线在极区高度的汇聚作用和近乎垂直的位形，极区成为太阳风能量进入地球空间的直接通道。因此，极区空间环境受到太阳风-磁层-电离层耦合的影响最直接也最为显著。高纬电离层等离子体对流是太阳风-磁层能量耦合的一种表现形式，与磁层-电离层系统电动力学过程有密切的联系[1]。开展极区电离层对流研究能够揭示许多日地能量耦合相关的物理过程。高频相干散射雷达是探测电离层等离子体对流的重要观测手段。利用相干散射雷达斜向探测的能力，可以获得雷达前方大视野范围内的电离层动力学过程，而且多部高频相干散射雷达的协同观测能够实现全域电离层对流的动力学演化特征[2-3]。

基于对极区日地空间环境认知迫切需求的基础之上，在国家重大科技基础设施项目“东半球空间环境地基综合监测子午链”（简称“子午工程”）和极地考察十五能力建设项目共同支持下，我国于2010年4月建成了南极中山站高频相干散射雷达这一大型无线电观测设备。随后于2012年6月正式加入国际超级双子极光雷达网组织（Super Dual Auroral Radar Network，SuperDARN）。南极中山站地理坐标为（69.4ºS，76.4ºE），修正地磁坐标为（74.49ºS，96.01ºE），不变磁纬约为75ºS，L=13.9，磁地方时MLT=UT+2h，地方时LT=UT+5h。在太阳和地磁活动宁静环境下，中山站每天在磁地方时中午前后位于极隙区下方，夜间则处于极盖区或极光卵极向边缘，每天两次进出极光带（约0400-0800UT和1200-1500UT两时段），优越的地理位置使其成为监测和研究极区空间环境变化的重要台站[4-5]。

图1 地磁坐标系下中山站高频雷达视场图

中山站高频雷达观测视场中心指向为北偏东72.5°，能够探测斜距在180-3500 km 的高频后向散射回波，其探测高度可涵盖电离层D 层、E 层和F 层。图1 所示为中山站高频相干散射雷达的视场范围（Field of View，FOV）及相应波束方向。雷达发射的高频无线电波受电离层折射效应（主要在E 层和F 层），能够与电离层中沿场向（磁力线）排列的等离子体不规则体达到正交。当不规则体的尺度与电波波长相当时，就会产生后向相干散射回波。中山站高频相干散射雷达的工作频率可以在8-20 MHz 的范围内根据接收到的回波情况进行自由调节。在常规或者快速扫描工作模式下，雷达通过相控阵在16 个固定波束方向上连续扫描（即波束0-15），相邻波束间隔约为3.24°，即雷达16 个波束共扫描覆盖约52°的方位角。雷达在每个波束方向上停留时间可以根据观测要求设定为7 s 或者3 s（快速扫描）。因此一次完整的扫描需要大约2 min（快速扫描则为1 min）。在常规观测模式中，每个波束扫描的测量区间从距离雷达所在地180 km 的地方开始，共测量75 个门距（gate）。在设定距离分辨率为45 km 的情况下，最大测量距离为3555 km。中山站高频雷达的距离分辨率可根据连续脉冲工作模式在15/30/45 km 距离门分辨率下调整。中山站高频雷达是双通道雷达，两个雷达通道可以独立地工作，如A 通道进行全波束扫描时，B 通道可以在不同的工作频率、不同的距离分辨率和不同的扫描方式下观测，从而得到不同时间分辨率和空间分辨率的观测数据[6]。本数据集给出了全波束扫描的A 通道第七波束的观测数据，每天制作一张距离-强度-时间序列图。

1 数据采集和处理方法

中山站高频雷达由于天线体积庞大和占地面积较大等原因而无法实现机械转动，因此使用相控阵列天线来控制辐射方向。首先，系统的信号发生器会产生射频脉冲序列，然后与背景信号一起通过信号合成仪。对于相控阵列，需要利用功分器将射频信号分成若干所需信号，然后通过相位矩阵错相使信号的最大辐射方向调整为要求的波束方向。接着，射频信号传送到每个天线独立的发射机中经过功率放大器使信号电平达到所需的量级。然后，信号经过传输线传输到终端天线辐射出去，从天线辐射的信号传播到自由空间然后从目标散射。一些散射信号经过辐射返回到天线，从而进入到雷达的接收通道。其中，雷达系统最关键的部分就是发射机中用于隔离功放输出和接收机前端的收/发转换开关。由于该开关的保护，使得灵敏的发射机前端免受来自功率放大器的高功率信号的破坏。该开关同样使得雷达系统使用相同的天线用于发射和接收信号，这样就可以节省空间和成本。当接收到射频信号后，通过接收/发射（Tx/Rx）开关进入到接收机电子元器件中。从Tx/Rx 开关出来后，接收信号会通过另外一个类似于发射时的用于信号错相的相位矩阵。然后，接收到的射频信号经过功率分配与合成器到达接收机前端。前端选择需要的射频信号并且利用功放将其幅度增强用于后期的数据处理，这样信号就可以输出到显示器或者存储于电脑中[7]。图2 所示为中山站高频雷达室内机柜和设备分布。

图2 中山站高频雷达控制机房机柜及其分布图

2 数据样本描述

以雷达全波束扫描时间分辨率为1 min 为例，雷达每2 小时生成一个rawacf 数据文件，雷达计算机控制电脑对回波信号的自相关函数进行谱分析，即利用FITACF 方法做计算，得到电离层中场向不规则体的回波强度、多普勒视线速度以及多普勒谱展宽。这些参数存储在一个fitacf 文件中。数据格式如表1 所示。

表1 fitacf 文件基本信息

参量名称 数据类型 注释tfreq 整型 发射频率mxpwr 整型 最大频率lvmax 整型 准许的最大噪声fitacf.revision.major 整型 FitACF 算法主要版本编号fitacf.revision.minor 整型 FitACF 算法次要版本编号noise.sky 浮点型 天空噪声noise.lag0 浮点型 自相关噪声零级时延noise.vel 浮点型 噪声速度值nlag 整型 文件中数据点个数gflg 字符串 地面散射标识p_l 浮点型 回波强度v 浮点型 多普勒速度值w_l 浮点型 频谱宽度sd_s 浮点型 标准偏差elv 浮点型 回波到达角

利用中山站高频相干散射雷达获取的观测数据，图3 给出了2012 年7 月15 日该雷达A 通道第七波束的视距时间强度图。从上到下依次是雷达回波强度、多普勒视线速度和谱展宽。右上角表示中山站雷达运行在双通道快速扫描模式。图4 所示为该日9 时11 和12 分的雷达参数扇面图。

图3 中山站高频雷达A 通道第七波束于2012 年7 月15 日观测的视距时间强度图

图4 中山站高频雷达于2012 年7 月15 日9 点11 分和12 分观测的扇面图

3 数据质量控制和评估

高频相干散射雷达的回波信号主要依靠雷达无线电波与磁力线的正交关系以及电离层不均匀体的分布情况，满足无线电波与磁力线正交条件、电离层不规则体分布越广，一般来说雷达回波就越丰富。高频相干散射雷达系统是一套成熟的设备，中山站雷达运行至今稳定可靠，由于南极考察站和国内之间网络通信能力无法保证数据实时回传，通常由队员随船第二年带回国内。为保证数据的可靠性，采用如下流程对数据的质量进行控制：

（1）为确保GPS 授时准确，在站队员定期对控制系统的时间电脑进行检测。

（2）数据负责人重复使用GNU 开源软件包内置的gunzip 解压缩程序检测数据的完整性，再对文件的大小进行计算，确保文件完整无损。

（3）最后使用SuperDARN 雷达网组织专用的开源软件工具包Radar Software Toolkit（RST）进行数据拟合自相关FITACF 的计算，剔除无效数据，得到最终有效数据；

（4）按照子午数据文件命名规则对不同格式的数据进行重命名。最终数据由中国极地研究中心数据节点站上传至子午工程数据中心。

雷达控制系统按照每2 小时生成一个文件，2012 年总共应有4392 个rawacf 文件和相同数量的fitacf 文件，现有4130 个文件，即rawacf 和fitacf 类型的数据分别缺失262 个。造成缺失的原因主要是中山站站区供电系统断电、发射机故障、雷达数据控制电脑存储空间用尽等原因所致。

4 数据使用方法和建议

中山站高频相干散射雷达的观测数据可用于研究局地电离层对流、重力波和行星波、流星余迹和中性风等。高频雷达与极光、地磁等的联合观测可用于高纬电离层等离子体对流、遥测磁层顶重联和磁层亚暴动力学等过程的研究。多部SuperDARN 高频雷达的协同观测，能够对高纬电离层开展全域对流的研究，对磁层-电离层耦合的动力学演化、中大尺度电离层扰动空间天气现象的研究具有重要的科学价值[8]。中山站高频相干散射雷达与我国现有的极区高空大气物理观测系统构成的极区空间环境监测系统，可用于极区空间环境的探索研究并服务于航空任务的极区现场感知。

高频相干散射雷达作为传统的电离层探测手段，到目前为止探测技术发展成熟，雷达数据处理软件丰富。集数据分析、数值模拟和快速可视化为一体的软件是雷达RST 程序包[9]，该程序包定期更新，由SuperDARN 组织下属的雷达数据分析工作组负责开发维护。基于IDL、Matlab 和更加流行的Python 语言开发的、相对更加科学化的数据可视化程序软件包括了GO、DaViT、IUGONET、pyDARN 等[10]。大多数程序包在互联网公开，或者也可向开发单位咨询索取。SuperDARN 所有雷达的观测数据则主要面向雷达网组织内成员共享，共享分发的数据是RAWACF 文件，该数据文件较大。中山站高频雷达作为SuperDARN 组织的成员雷达之一，使用上述软件工具包即可对中山站高频雷达数据开展科学分析。欢迎相关科技工作者使用，如需RAWACF 数据文件，可从子午工程数据网站下载，数据分析过程中遇到的问题请随时与作者联系咨询。

致 谢

本数据论文得到了国家科技基础条件平台-国家空间科学数据中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和帮助。感谢中国极地考察专项、子午工程项目和南极中山雪冰和空间特殊环境与气候变化国家野外科学观测研究站对中山站高频相干散射雷达观测运行的大力支持，特别感谢第28 次中国南极考察队越冬观测队员在极地现场的辛勤付出。

数据作者分工职责

刘建军（1982—），男，内蒙古丰镇人，博士，副研究员，研究方向为基于高频相干散射雷达探测等的极区磁层-电离层耦合。主要承担高频雷达数据传输、校验、数据库建设及数据共享。

胡红桥（1967—），男，湖北孝感人，博士，研究员，研究方向为极区磁层-电离层耦合，极光物理等。中山站高频相干散射雷达项目负责人。

陈相材（1987—），男，四川内江人，博士，助理研究员，研究方向为极区电离层物理、磁层-电离层耦合。主要承担数据库建设和数据处理。