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的作用下，會產(chǎn)生一個受激輻射-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，因為其得到的參量多、范圍廣、分辨率和精度高，又被稱之為地基電離層探測的"核武器"。但是，非相干雷達(dá)探測目標(biāo)是電子，其散射截面比常規(guī)探測硬目標(biāo)低20個量級，探測難度大，技術(shù)含量高，造價和運維成本昂貴，目前世界上只有美國和歐盟擁有常規(guī)運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)僅美國有1套。
非相干雷達(dá)強(qiáng)大的探測能力吸引了我國科學(xué)家的高度關(guān)注，2013年中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所萬衛(wèi)星院士抓住國際上正在開始發(fā)展新一代相控陣非相干雷達(dá)建設(shè)契機(jī)，經(jīng)過廣泛國內(nèi)外調(diào)研，聯(lián)合中國電科14所和南昌大學(xué)，提出在我國海南三亞自主建設(shè)一個相控陣非相干散射雷達(dá)（SYISR），并獲得國家自然科學(xué)基金委員會重大科研儀器研制專項資助。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)計和研制、室外小面陣測試、三亞大陣面建設(shè)調(diào)試三個建設(shè)階段，突破了陣面幅相一致性監(jiān)測和校準(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)于國際同類雷達(dá)；針對特定探測需求，設(shè)計了多種波形編碼和探測模式，以提高探測時空分辨率和精度；開發(fā)了對應(yīng)的信號處理和參量反演算法。項目于2021年6月建成并通過基金委驗收（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、全相掃的探測方式，其無柵瓣有效信號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，可覆蓋面積如圖2所示。
圖2 三亞雷達(dá)有效探測范圍
SYISR在國際上首次觀測到低緯等離子體線（圖3），等離子體線比常規(guī)離子線低兩個量級，對雷達(dá)靈敏度要求極高，國際觀測也很少，這個超過設(shè)計預(yù)期。通過設(shè)計特殊探測模式，SYISR還首次觀測到了等離子體泡中精細(xì)的次生結(jié)構(gòu)。此外，SYISR還作為信號源，與中國天眼（FAST）完成了系列收發(fā)實驗，進(jìn)行了高高度電離層和月球探測。
圖3 SYISR觀測的等離子線示意圖
項目驗收后，中國科學(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我國低緯電離層開展觀測研究，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)行長期連續(xù)運行，獲得了高精度、長時間的電離層剖面監(jiān)測（圖4）。隨著SYISR探測數(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間變化圖
此外，在國家重大科技基礎(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系統(tǒng)，包括對三亞主站進(jìn)行擴(kuò)充，并在儋州和文昌新建兩個接收站，形成一發(fā)三收的三站系統(tǒng)，具備對速度矢量的直接探測能力，探測精度和能力進(jìn)一步提升，整套系統(tǒng)預(yù)計于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)和觀測研究得到國家自然科學(xué)基金委重大科研儀器研制專項（41427901）資助。
1.樂新安*，萬衛(wèi)星，寧百齊，金林. An active phased array radar in China[J]. Nature Astronomy, 2022, 6(5), 619. DOI: 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[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2022, 127: e2022JA030451. DOI: 10.1029/2022JA030451.