2014-2019 年海南富克站甚高频相干散射雷达回波数据集

金晗，燕春晓*，陈罡，阎敬业

1. 中国科学院国家空间科学中心，北京 100190

2. 武汉大学，武汉 430079

引 言

电离层中存在着许多不同尺度的等离子体密度不规则体（plasma irregularities），研究表明电离层不规则体的形成与电离层中多种不稳定性有关。电离层不规则体主要包括电离层E 层和电离层F 层不规则体，一般认为主要发生在日落后的赤道及低纬电离层F 层不规则体是由瑞利-泰勒（Rayleigh-Taylor）不稳定性[1]引起的，而电离层E 层不规则体的发生则可能与梯度漂移（gradient drift）不稳定性[2]或者风剪切（wind shear）不稳定性[3]等有关。当无线电波穿过这些电离层不规则体后，信号的幅度和相位会发生快速的随机起伏（即电离层闪烁），导致测量误差增大，从而影响卫星导航定位以及通信系统的性能，严重时甚至可能造成信号中断。电离层不规则体的产生机制以及演化规律一直是电离层物理研究中的重要科学问题，对于卫星导航定位和通信系统有着重要的实际应用价值。

电离层不规则体的探测手段有很多，包括非相干散射雷达、相干散射雷达、数字测高仪、电离层TEC 与闪烁监测仪、全天空气辉成像仪以及卫星原位测量等。其中相干散射雷达由于具有全天候连续观测，并具备较高时空分辨率等优势，一直是国内外学者开展相关研究所依赖的重要观测手段。国内学者基于相干散射雷达陆续开展了一些关于我国低纬电离层不规则体产生机制和变化特性的研究，例如宁百齐等[4]、李国主等[5]和胡连欢等[6]基于三亚（18.4°N，109.6°E）VHF 雷达的观测数据分别分析了电离层E 层连续性回波、准周期回波以及太阳活动低年夏季F 层回波的特性。Li 等[7]结合三亚VHF 雷达和位于Kototabang（0.2°S，100.3°E）的EAR 雷达（Equatorial Atmosphere Radar）的观测数据研究了相邻经度夜间F 层不规则体发生率与重力波活动的相关性。尚社平等[8]利用海南富克站VHF 雷达的观测数据研究了不同结构类型的E 层场向不规则体的发生特征。Chen 等[9]结合海南富克站VHF 雷达和数字测高仪漂移数据研究了我国低纬E 层准周期回波形态与背景电离层经向等离子体漂移速度变化之间的强相关性。Jin 等[10]基于海南富克站VHF 雷达的F 层观测数据，研究了2017 年9 月7-8 日磁暴发生期间海南地区日落后F 层不规则体的暴时响应特征及其可能的产生机制。目前学界关于中、低纬及赤道电离层不规则体的逐日变化和暴时响应特征的认识依然存在不足，还存在许多亟待解决的问题。

海南富克站VHF 相干散射雷达是由中国科学院国家空间科学中心自主研制的用于探测电离层不规则体精细结构的科学装置，是我国子午工程项目[11]重点建设的无线电探测设备之一，于2010 年12 月建成并通过验收，从2014 年开始稳定运行至今。雷达波束在东西方位面内进行多波位的快速扫描探测，能够实时地获取我国海南上空电离层不规则体的时空分布特征、演化状态及纬向漂移速度，为研究我国低纬地区电离层不规则体的回波特性、产生机制和演化规律提供了有效的手段。

1 数据采集和处理方法

海南富克站VHF 相干散射雷达的相控阵天线阵列采用72 副线性极化的五单元八木天线用于发射和接收，天线阵列共4 行，每行由18 个八木天线单元构成，如图1 所示是海南富克站VHF 相干散射雷达的天线阵列，右下角是雷达的数据采集系统和室内显示控制设备。天线列在东西方位内进行架设，应用典型的多普勒波束扫描技术将雷达波束控制在方位角±22.5°范围内，以7.5°为步进，在7 个方向上进行波束扫描，从而获取电离层E 层和F 层不规则体的空间分布结构及其纬向漂移特征。将方位角从22.5°至-22.5°间隔为-7.5°的7 个波束依次编号为Beam1-7，其中Beam 4 指向地理正北，偏离地磁正北约1°。雷达的详细技术参数如表1 所示。

图1 海南富克站VHF 相干散射雷达

表1 雷达的详细技术参数

为了探测来自电离层不规则体的后向散射回波，雷达波束必须与地磁场正交，因此八木天线倾斜架设，天线所在平面与地面呈62.5°夹角，波束的仰角设置参考国际地磁参考模型IGRF-2010。在仰角和方位角方向上雷达的半功率波束宽度分别是21.7°和4.5°，能够满足在电离层E 层和F 层高度范围内雷达波束与地磁场正交的条件，从而可兼顾对电离层E 层和F 层不规则体的探测。

图2 是雷达的总体系统框图，左侧所示是雷达的天线阵列，72 副天线按照18×4 排成矩阵，每一个八木天线与一个T/R 模块连接，每一个T/R 模块连接一个数字收发单元。数字收发单元的硬件包括可编程逻辑器件（FPGA）、模-数（A/D）转换器、数-模（D/A）转换器和数字信号处理器（DSP），其主要功能包括数据采集、数据上传、发射波形信号处理、外部时钟同步等。雷达采用中央控制计算机进行指令的传送和数据处理，并通过以太网实现数字收发单元和中央处理器之间的数据交换。详细的雷达硬件系统设计见文献[12]。

图2 海南富克站VHF 相干散射雷达的总体系统框图[13]

当雷达发射信号时，中央计算机将数字波形参数传输到各个预处理单元，通过数字收发单元的D/A 输出模拟信号，经过功率放大器和天线合成波束向外辐射出去。经电离层不规则体后向散射的回波信号由雷达各个八木天线单元接收，经过前端低噪声放大、A/D 采样、数字I/Q 解调、低通滤波等，通过网络传输至中央计算机进行波束合成、相干积累得到雷达探测回波数据。对原始探测数据的同相、正交相（I、Q）信号进行快速傅里叶变换得到雷达功率谱，计算信号功率的dB 值得到回波强度数据，并实时上传至子午工程数据中心，而I、Q 数据储存在台站本地硬盘中，可以用于进一步多普勒分析。

2 数据样本描述

本数据记录的是海南富克站VHF 相干散射雷达探测回波的强度（dB 值），每2 小时生成一个数据文件，数据格式为dat。本数据集的dat 文件以FKT_VHF01_DFI_L11_02H_YYYYMMDDhh0000.dat形式命名并存储，其中YYYY、MM、DD、hh 分别为观测时的年份、月、日、时。数据由文件头和数据项组成。第一行是文件头，文件头具体格式说明如表2 所示。

表2 探测回波强度数据文件头格式说明

数据项是由按照扫描波位时序排列的若干数据块组成。数据块内记录了当前波位连续照射“相干积累数乘以非相干积累数”次后获得的各距离分辨单元的观测回波强度数据，由波位序号、回波距离、回波强度（dB 值）组成，具体格式如表3 所示。每个数据块前面配套一个独立的数据块时间（YYYYMMDDhhmmss），表示该数据块所有照射和积累处理的完成时刻，表4 为数据样例。

表3 探测回波强度数据段格式说明

表4 数据样例

文件头 HNS-FKT VHF 20140302120000 F scan 7 120.00 200 2 1024 1 700.800 34.34数据块时间 20140302120120数据块 2 80.000 36.89 2 80.711 35.43 2 81.422 35.71.…………..

海南富克站VHF 相干散射雷达主要有两种工作模式，包括固定单波束模式和扫描波束模式。为了获得较高时空分辨率的观测数据，在固定单波束模式只采用一个波束（通常为Beam 4）对电离层不规则体进行连续观测，波束扫描周期为20 秒。图3 以2014 年1 月8 日为例，绘制了20:00-22:00 UT 时间内海南富克站VHF 相干散射雷达探测回波的距离-时间-强度（Range-Time-Intensity, RTI）图像，横坐标为世界时UT，纵坐标为探测距离Range，颜色代表回波强度Intensity。为了对E 层不规则体的精细结构进行观测，这一天雷达探测距离范围设置为80-330.311 km，距离门个数705，距离分辨率～0.355 km，时间分辨率为20 s。如图3(a)所示在E 层高度范围内出现很薄的一层电离层不规则体回波，图3(b)是100-115 km 探测距离范围内的局部放大图像，可以清晰地看到在105-110 km距离范围内出现呈准周期排列的E 层电离层不规则体回波，即E 层准周期回波。

图3 2014 年1 月8 日固定单波束模式下探测回波的RTI 图像

海南富克站VHF 相干散射雷达大多数时间工作在扫描波束模式下，按照Beam 1-7 依次进行扫描探测，一次完整的波束扫描周期约为120 秒，每个波束停留2048 个脉冲，波束切换周期约为17秒，扫描波束模式下可以获取电离层不规则体的空间分布和纬向漂移特征。以2015 年3 月14 日为例，雷达进行扫描波束模式探测，探测距离的范围是80-700.8 km，距离门个数为874，距离分辨率约为0.711 km。如图4 所示是海南富克站VHF 相干散射雷达在2015 年3 月14 日10:00-20:00 UT 时间内探测到的后向散射回波的RTI 图像，其中(a)-(g)分别对应Beam 1-7 探测回波的RTI 图像。雷达的7 个波束都探测到来自E 层和F 层的电离层不规则体回波：在探测距离100 km 附近出现E 层不规则体回波；在F 层顶部出现若干组羽毛状结构的扩展F 回波（topside plume），且呈明显的东向漂移；此外还在Beam 2 和Beam 3 两个波束中探测到F 层底部型（bottom-type）回波。

图4 2015 年3 月14 日扫描波束模式下探测回波的RTI 图像

3 数据质量控制和评估

海南富克站VHF 相干散射雷达探测回波强度数据从数据采集、数据处理到数据发布均由计算机自动处理完成，从2014 年至今运行稳定可靠，全天候不间断对电离层E 层和F 层场向不规则体进行监测。按照每2 小时产生一个数据文件计算，2014-2019 年总共应有26 292 个文件，现有23 313个文件，缺失2979 个文件，原因主要包括突然断电和仪器停机维护导致的部分时间段数据丢失。为了保证数据的可靠性，采用了以下措施对数据质量进行控制：

（1）配置GPS 授时模块，系统时间与GPS 时间同步，保证数据时间的准确性；

（2）定期维护T/R 组件，更换损坏和性能下降的器件，确保90%及以上的收发单元正常工作，以保证合成波束的正确性；

（3）定期校验上传数据文件和服务器文件，对错误的数据进行重新上传，保证数据传输可靠性。

4 数据价值

本数据可支持太阳活动、地磁活动、季节、地方时对低纬地区电离层E 层和F 层米级尺度不规则体发生率影响的相关研究。本数据与其他地基监测手段和卫星观测进行结合，可以支持低纬电离层等离子体漂移、多尺度电离层不规则体发生情况、电离层闪烁发生率的逐日变化和暴时响应特征以及上述现象相关性的研究。本数据可为我国空间环境相关的研究、工程项目和空间天气数值预报提供数据支持。

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。

数据作者分工职责

金 晗（1993—），女，博士，助理研究员，研究方向为电离层不规则体。主要承担工作：数据处理及论文撰写。

燕春晓（1980—），男，硕士，副研究员，研究方向为电离层地基探测。主要承担工作：数据生产与数据服务。

陈 罡（1980—），男，博士，教授，研究方向为电离层物理。主要承担工作：数据处理方法研究及论文撰写。

阎敬业（1972—），男，博士，研究员，研究方向为电离层探测。主要承担工作：设备研制。