——記國家重大科研儀器研制項(xiàng)目"三亞非相干散射雷達(dá)"
SYISR研制團(tuán)隊(duì)部分成員合影
三亞非相干散射雷達(dá)（SYISR）
十年磨一劍，一臺(tái)空間"CT"（電子計(jì)算機(jī)斷層掃描）誕生；攜手"天眼"，支持"子午"，打造空間物理名片。
提到國家重大科研儀器研制項(xiàng)目——三亞非相干散射雷達(dá)（SYISR）的"前世今生"，該項(xiàng)目現(xiàn)任負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員樂新安用兩句話進(jìn)行了高度概括，并介紹了自己已故導(dǎo)師萬衛(wèi)星生前為此付出的心血。
非相干散射雷達(dá)研制承載著中國空間物理學(xué)家多年的夢(mèng)想。SYISR立項(xiàng)之前，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員萬衛(wèi)星曾帶隊(duì)前往美國調(diào)研，期望了解美國剛研制成功不久的新一代相控陣非相干散射雷達(dá)技術(shù)并探討引進(jìn)的可能性，但遭到該雷達(dá)研制單位的拒絕。面對(duì)技術(shù)封鎖，萬衛(wèi)星聯(lián)合該領(lǐng)域國內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位成功研制出SYISR，成為全球第二套相控陣體制的非相干散射雷達(dá)。這其中，有太多鮮為人知的艱難困苦和感人故事……
十年磨一劍
強(qiáng)大的探測(cè)裝置是空間物理取得科學(xué)突破的前提。20世紀(jì)60年代非相干散射雷達(dá)誕生后，便成為地基電離層探測(cè)的最強(qiáng)大設(shè)備，它可以看清空間的電子有多少、溫度多高、怎么運(yùn)動(dòng)、處于什么狀態(tài)等。但受限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)能力，我國一直未能建造自有的非相干散射雷達(dá)。
從20世紀(jì)90年代開始，萬衛(wèi)星等人在開展電離層物理研究的同時(shí)，就十分注重發(fā)展自己的電離層探測(cè)技術(shù)和儀器，建立了多種國內(nèi)領(lǐng)先的探測(cè)手段，發(fā)展出多臺(tái)站探測(cè)分析技術(shù)，并一直期待能有我們自己的電離層非相干散射雷達(dá)。進(jìn)入21世紀(jì)，以相控陣體制為代表的新一代非相干散射雷達(dá)開始出現(xiàn)，萬衛(wèi)星等人抓住這個(gè)時(shí)機(jī)，經(jīng)過國內(nèi)外廣泛調(diào)研后認(rèn)為，由于我們?cè)陔婋x層探測(cè)研究的積累和國內(nèi)大型雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，已完全有能力突破電離層非相干散射的關(guān)鍵技術(shù)，自主研制新一代相控陣非相干散射雷達(dá)。為此，他們?cè)?014年初向國家自然科學(xué)基金委員會(huì)提出研制中國相控陣體制非相干散射雷達(dá)的立項(xiàng)申請(qǐng)，并獲得國家重大科研儀器研制項(xiàng)目資助。
"如果將傳統(tǒng)探測(cè)設(shè)備比喻為X光機(jī)，那非相干散射雷達(dá)就像是空間的'CT'。"樂新安對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說，"在此之前，相控陣非相干散射雷達(dá)只有美國研制成功過。對(duì)自主研制該類雷達(dá)，剛開始大家心里是沒底的。"
為此，萬衛(wèi)星帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始廣泛調(diào)研國內(nèi)雷達(dá)研制能力，在充分論證的基礎(chǔ)上，確定了技術(shù)方案，制定了關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)研制、室外小面陣實(shí)驗(yàn)、大面陣建設(shè)和調(diào)試的"三步走"策略。
在方案設(shè)計(jì)階段，科學(xué)理論和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的結(jié)合就成為大問題。通常相控陣?yán)走_(dá)主要用于探測(cè)"硬目標(biāo)"（飛機(jī)、航天器等），而非相干散射雷達(dá)探測(cè)對(duì)象屬于"軟目標(biāo)"，探測(cè)模式和處理方式與傳統(tǒng)雷達(dá)完全不同。
"有一年多時(shí)間，參與項(xiàng)目的科學(xué)家和工程技術(shù)人員頻繁交流，基本上每月都要碰面，經(jīng)常在南京和北京間往返。"該團(tuán)隊(duì)成員之一、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員丁鋒說，"正是因?yàn)槎啻蔚膶W(xué)術(shù)碰撞、深度溝通才成就了一系列明確的技術(shù)方案，如單通道直連組件、固定陣面、組合編碼……"
SYISR組件眾多，且采用一系列創(chuàng)新技術(shù)，直接生產(chǎn)整個(gè)雷達(dá)面臨較高技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。為此，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員寧百齊提出先建設(shè)一個(gè)小面陣系統(tǒng)進(jìn)行全面技術(shù)測(cè)試的想法，但這要投入更多的時(shí)間、精力和經(jīng)費(fèi)，還會(huì)嚴(yán)重拖累研制進(jìn)度。經(jīng)過反復(fù)論證、尊重科研規(guī)律和實(shí)事求是，統(tǒng)一了大家的思想，合作方最終采納了該方案。研制團(tuán)隊(duì)在小面陣上做了多項(xiàng)性能和環(huán)境適應(yīng)能力試驗(yàn)，測(cè)試了軟件系統(tǒng)，進(jìn)行了散熱、降噪等優(yōu)化和改進(jìn)，開展了系列相干探測(cè)和數(shù)據(jù)處理。"覺得小面陣沒問題了，才放心投入三亞大面陣建設(shè)。"
低系統(tǒng)噪聲溫度是非相干雷達(dá)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，但合作單位成熟的多通道架構(gòu)無法滿足該指標(biāo)。寧百齊又提出單通道天線直連組件方案，該方案雖然能有效降低噪聲溫度，提高雷達(dá)靈敏度，卻大大增加了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和研制周期。面對(duì)挑戰(zhàn)，合作團(tuán)隊(duì)對(duì)傳統(tǒng)相控陣T/R組件進(jìn)行了包括單通道直連等在內(nèi)的多方面創(chuàng)新設(shè)計(jì)和技術(shù)攻關(guān)，解決了一系列技術(shù)難題，最終使SYISR的系統(tǒng)噪聲溫度比國際同類雷達(dá)低了20多開爾文（K）。
三亞常年的高溫、高濕和高鹽，對(duì)雷達(dá)環(huán)境適應(yīng)性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為克服這一問題，中國電科14所研究員金林提出宏觀和微觀風(fēng)道自然冷卻的方法，并首次引入正壓充氣系統(tǒng)等應(yīng)對(duì)措施，大大提高了SYISR的環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)行穩(wěn)定性。
非相干回波信號(hào)存在時(shí)間和空間模糊等問題，需要通過復(fù)雜的編解碼來提高時(shí)空分辨率，信號(hào)處理過程復(fù)雜。因此，項(xiàng)目組在理論譜仿真、探測(cè)模式與信號(hào)編碼、信號(hào)處理與參量反演等方面開展了系列攻關(guān)，相關(guān)成果已應(yīng)用于SYISR的日常觀測(cè)中。
經(jīng)過近一年的觀測(cè)試運(yùn)行，雷達(dá)的可靠性和穩(wěn)定性得到了有效驗(yàn)證。基于高占空比連續(xù)長期實(shí)驗(yàn)，首次觀測(cè)到由于瑞利泰勒不穩(wěn)定性（流體不同密度交界面的初始擾動(dòng)會(huì)隨時(shí)間很快發(fā)展起來）導(dǎo)致的電離層等離子體空洞的剖面結(jié)構(gòu)，時(shí)空分辨率分別達(dá)亞秒和公里量級(jí)；研究團(tuán)隊(duì)頻繁觀測(cè)到比常規(guī)離子線譜強(qiáng)度低兩個(gè)量級(jí)的等離子體線，并在世界上首次觀測(cè)到等離子體線3次分裂現(xiàn)象，夯實(shí)了等離子體物理相關(guān)研究的基礎(chǔ)。
SYISR驗(yàn)收后，《自然—天文學(xué)》編輯寫信邀請(qǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)撰寫關(guān)于SYISR的介紹文章。該文章已于5月19日發(fā)表，其他相關(guān)成果正在陸續(xù)整理和發(fā)表中。
攜手"天眼"
SYISR作為高功率雷達(dá)，是其他射電天文設(shè)備的理想信號(hào)源。中國"天眼"（FAST）設(shè)計(jì)之初有8大科學(xué)目標(biāo)，其中之一是電離層非相干散射信號(hào)接收，但FAST 自身不具備發(fā)射信號(hào)的能力，需要其他雷達(dá)提供信號(hào)源才能完成該科學(xué)目標(biāo)，且要求信號(hào)源靈活捷變、威力（給到的信號(hào)大小）足夠。直至SYISR建成，這一目標(biāo)才得以實(shí)現(xiàn)。
"2021年4月至7月，我們總計(jì)進(jìn)行了20小時(shí)的發(fā)射實(shí)驗(yàn)，完成了頂部電離層收發(fā)實(shí)驗(yàn)、硬目標(biāo)收發(fā)實(shí)驗(yàn)、月球收發(fā)實(shí)驗(yàn)等，取得了頂部電離層電子密度、月球局部高精度成像等成果。"樂新安介紹說。
一張空間物理名片
據(jù)介紹,該項(xiàng)目已研制出國際領(lǐng)先水平的高功率相控陣非相干散射雷達(dá)，為電離層研究提供了重大科學(xué)裝置。研制過程中還申報(bào)授權(quán)10余項(xiàng)專利，發(fā)表了20多篇高水平論文，磨練出一支年輕、精干的具備多學(xué)科交叉能力的研究隊(duì)伍。
此外，SYISR還獲得國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——子午工程二期的進(jìn)一步資助，將建設(shè)一發(fā)三收雷達(dá)系統(tǒng)；SYISR還支撐中國科學(xué)院青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目聚焦南海上空中高層大氣與電離層環(huán)境變化研究，參與中國科學(xué)院中歐國際合作項(xiàng)目，組建了SYISR-EISCAT雷達(dá)合作工作組。
"SYISR及正在建設(shè)中的海南三站式雷達(dá)是把我國先進(jìn)雷達(dá)技術(shù)引入科學(xué)研究的典范，將推動(dòng)中國電離層物理學(xué)科發(fā)展，相信會(huì)成為一張中國空間物理的名片。"樂新安說。
《中國科學(xué)報(bào)》：目前我國在非相干散射雷達(dá)研究領(lǐng)域處于怎樣的國際地位，下一步您團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)是什么？
樂新安：SYISR突破了低系統(tǒng)噪聲溫度等技術(shù)，極大提高了雷達(dá)靈敏度，屬國際領(lǐng)先水平，是全球低緯地區(qū)唯一相控陣非相干散射雷達(dá)，對(duì)于研究電離層赤道異常、等離子體泡等現(xiàn)象有區(qū)位優(yōu)勢(shì)。
下一步我們將聚焦低緯電離層動(dòng)力學(xué)研究，并拓展月球及小天體的監(jiān)測(cè)能力。
《中國科學(xué)報(bào)》：您認(rèn)為從事科學(xué)研究需要怎樣的品質(zhì)？
樂新安：從事科學(xué)研究需要對(duì)未知有好奇心、對(duì)科學(xué)有興趣、對(duì)科學(xué)研究無限熱愛、能持久堅(jiān)持并傳承下去。比如，我的導(dǎo)師萬衛(wèi)星老師，一輩子堅(jiān)持進(jìn)行電離層探測(cè)和研究。他為SYISR立項(xiàng)和建設(shè)積勞成疾，臥病在床還牽掛著雷達(dá)建設(shè)，可以說為SYISR鞠躬盡瘁，這些都是我們應(yīng)該傳承下去的科學(xué)精神。
《中國科學(xué)報(bào)》 (2022-08-29 第4版 自然科學(xué)基金)