電離層是地球上空高度約60-1000公里的高層大氣，有大量帶電粒子，顯著影響無線電波的傳播。當(dāng)電離層中的電子在外加電場(chǎng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)受激輻射-湯姆森散射，非相干散射雷達(dá)就是通過后向湯姆森散射譜反演等離子體密度、速度、溫度，因?yàn)槠涞玫降膮⒘慷?、范圍廣、分辨率和精度高，又被稱之為地基電離層探測(cè)的‘核武器’，但是，非相干雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)是電子，其散射截面比常規(guī)探測(cè)硬目標(biāo)低20個(gè)量級(jí)，探測(cè)難度大，技術(shù)含量高，造價(jià)和運(yùn)維成本昂貴，目前世界上只有美國(guó)和歐盟擁有常規(guī)運(yùn)行的非相干散射雷達(dá)，新一代的相控陣非相干散射雷達(dá)僅美國(guó)有1套。非相干雷達(dá)強(qiáng)大的探測(cè)能力吸引了我國(guó)科學(xué)家的高度關(guān)注，2013年，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所萬衛(wèi)星院士抓住國(guó)際上正在開始發(fā)展新一代相控陣非相干雷達(dá)建設(shè)契機(jī)，經(jīng)過廣泛國(guó)內(nèi)外調(diào)研，聯(lián)合中國(guó)電科14所和南昌大學(xué)，提出在我國(guó)海南三亞自主建設(shè)一相控陣非相干散射雷達(dá)（SYISR），并獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重大科研儀器研制專項(xiàng)資助。SYISR于2015年開始建設(shè)，先后經(jīng)歷了室內(nèi)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和研制、室外小面陣測(cè)試、三亞大陣面建設(shè)調(diào)試三個(gè)建設(shè)階段，突破了陣面幅相一致性監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)技術(shù)、低系統(tǒng)噪聲溫度技術(shù)和環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)，其系統(tǒng)噪聲溫度等關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)于國(guó)際同類雷達(dá)；針對(duì)特定探測(cè)需求，設(shè)計(jì)了多種波形編碼和探測(cè)模式，以提高探測(cè)時(shí)空分辨率和精度；開發(fā)了對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理和參量反演算法。項(xiàng)目于2021年6月建成并通過基金委驗(yàn)收（圖1）。
圖1. 建設(shè)完成的三亞非相干散射雷達(dá)外觀圖。
SYISR采用固定陣面、全相掃的探測(cè)方式，其無柵瓣有效信號(hào)可覆蓋南北偏天頂角±48度、東西偏天頂角±25度的錐形范圍，在1000公里高度上，可覆蓋我國(guó)南海及周邊大部分國(guó)土面積（圖2）。
圖2. 三亞雷達(dá)有效探測(cè)范圍。
SYISR在國(guó)際上首次觀測(cè)到低緯等離子體線（圖3），等離子體線比常規(guī)離子線低兩個(gè)量級(jí)，對(duì)雷達(dá)靈敏度要求極高，國(guó)際觀測(cè)也很少，這個(gè)超過設(shè)計(jì)預(yù)期。通過設(shè)計(jì)特殊探測(cè)模式，SYISR還首次觀測(cè)到了等離子體泡中精細(xì)的次生結(jié)構(gòu)。此外，SYISR還作為信號(hào)源，與中國(guó)天眼（FAST）完成了系列收發(fā)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了高高度電離層和月球探測(cè)。
圖3， SYISR觀測(cè)的等離子線示意圖。
項(xiàng)目驗(yàn)收后，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所樂新安研究員等人采用不同工作模式對(duì)我國(guó)低緯電離層開展觀測(cè)研究，發(fā)展了多種數(shù)據(jù)處理和分析方法，特別是從2022年開始，SYISR進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，獲得了高精度、長(zhǎng)時(shí)間的電離層剖面監(jiān)測(cè)（圖4）。隨著SYISR探測(cè)數(shù)據(jù)的積累，相關(guān)的科學(xué)研究工作也正在逐步展開。
圖4. 三亞非相干散射雷達(dá)在一天中觀測(cè)得到的電離層電子密度、電子離子溫度和離子視線速度隨高度和時(shí)間變化圖。
此外，在國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施-子午工程二期資助下，將進(jìn)一步建設(shè)海南三站式非相干散射探測(cè)系統(tǒng)，包括對(duì)三亞主站進(jìn)行擴(kuò)充，并在儋州和文昌新建兩個(gè)接收站，形成一發(fā)三收的三站系統(tǒng)，具備對(duì)速度矢量的直接探測(cè)能力，探測(cè)精度和能力進(jìn)一步提升，整套系統(tǒng)預(yù)計(jì)于2023年建設(shè)完成。
三亞相控陣非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)介紹和初步研究成果，近期分別發(fā)表于Nature Astronomy和Journal of Geophysical Research。SYISR的建設(shè)和觀測(cè)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委重大科研儀器研制專項(xiàng)（41427901）資助。
1.樂新安*，萬衛(wèi)星，寧百齊，金林. An active phased array radar in China. Nature Astronomy, 2022, 6(5), 619. https://doi.org/10.1038/s41550-022-01684-1
2.樂新安*，萬衛(wèi)星，寧百齊，金林，丁鋒，趙必強(qiáng)，曾令旗，柯長(zhǎng)海，鄧曉華，王俊逸，郝紅連，張寧，羅俊浩，王永輝，李鳴遠(yuǎn)，蔡毅徽，劉凡玉. Development of the Sanya incoherent scatter radar and preliminary results. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2022, 127, e2022JA030451. https://doi.org/10.1029/2022JA030451