十年磨一劍,一臺空間“CT”(電子計算機斷層掃描)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目——三亞非相干散射雷達(SYISR)的“前世今生”,該項目現(xiàn)任負責人、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員樂新安用兩句話進行了高度概括,并介紹了自己已故導師萬衛(wèi)星生前為此付出的心血。

三亞非相干散射雷達(SYISR)。受訪者供圖
非相干散射雷達研制承載著中國空間物理學家多年的夢想。SYISR立項之前,中國科學院院士、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員萬衛(wèi)星曾帶隊前往美國調(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技術并探討引進的可能性,但遭到該雷達研制單位的拒絕。面對技術封鎖,萬衛(wèi)星聯(lián)合該領域國內(nèi)優(yōu)勢單位成功研制出SYISR,成為全球第二套相控陣體制的非相干散射雷達。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
強大的探測裝置是空間物理取得科學突破的前提。20世紀60年代非相干散射雷達誕生后,便成為地基電離層探測的最強大設備,它可以看清空間的電子有多少、溫度多高、怎么運動、處于什么狀態(tài)等。但受限于當時的經(jīng)濟和技術能力,我國一直未能建造自有的非相干散射雷達。
從20世紀90年代開始,萬衛(wèi)星等人在開展電離層物理研究的同時,就十分注重發(fā)展自己的電離層探測技術和儀器,建立了多種國內(nèi)領先的探測手段,發(fā)展出多臺站探測分析技術,并一直期待能有我們自己的電離層非相干散射雷達。進入21世紀,以相控陣體制為代表的新一代非相干散射雷達開始出現(xiàn),萬衛(wèi)星等人抓住這個時機,經(jīng)過國內(nèi)外廣泛調(diào)研后認為,由于我們在電離層探測研究的積累和國內(nèi)大型雷達技術的發(fā)展,已完全有能力突破電離層非相干散射的關鍵技術,自主研制新一代相控陣非相干散射雷達。為此,他們在2014年初向國家自然科學基金委員會提出研制中國相控陣體制非相干散射雷達的立項申請,并獲得國家重大科研儀器研制項目資助。
“如果將傳統(tǒng)探測設備比喻為X光機,那非相干散射雷達就像是空間的‘CT’?!睒沸掳矊Α吨袊茖W報》說,“在此之前,相控陣非相干散射雷達只有美國研制成功過。對自主研制該類雷達,剛開始大家心里是沒底的?!?/p>
為此,萬衛(wèi)星帶領團隊開始廣泛調(diào)研國內(nèi)雷達研制能力,在充分論證的基礎上,確定了技術方案,制定了關鍵部件設計研制、室外小面陣實驗、大面陣建設和調(diào)試的“三步走”策略。
在方案設計階段,科學理論和技術實現(xiàn)的結(jié)合就成為大問題。通常相控陣雷達主要用于探測“硬目標”(飛機、航天器等),而非相干散射雷達探測對象屬于“軟目標”,探測模式和處理方式與傳統(tǒng)雷達完全不同。
“有一年多時間,參與項目的科學家和工程技術人員頻繁交流,基本上每月都要碰面,經(jīng)常在南京和北京間往返?!痹搱F隊成員之一、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員丁鋒說,“正是因為多次的學術碰撞、深度溝通才成就了一系列明確的技術方案,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,直接生產(chǎn)整個雷達面臨較高技術風險。為此,中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員寧百齊提出先建設一個小面陣系統(tǒng)進行全面技術測試的想法,但這要投入更多的時間、精力和經(jīng)費,還會嚴重拖累研制進度。經(jīng)過反復論證、尊重科研規(guī)律和實事求是,統(tǒng)一了大家的思想,合作方最終采納了該方案。研制團隊在小面陣上做了多項性能和環(huán)境適應能力試驗,測試了軟件系統(tǒng),進行了散熱、降噪等優(yōu)化和改進,開展了系列相干探測和數(shù)據(jù)處理?!坝X得小面陣沒問題了,才放心投入三亞大面陣建設。”
低系統(tǒng)噪聲溫度是非相干雷達的關鍵指標之一,但合作單位成熟的多通道架構(gòu)無法滿足該指標。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,提高雷達靈敏度,卻大大增加了技術風險和研制周期。面對挑戰(zhàn),合作團隊對傳統(tǒng)相控陣T/R組件進行了包括單通道直連等在內(nèi)的多方面創(chuàng)新設計和技術攻關,解決了一系列技術難題,最終使SYISR的系統(tǒng)噪聲溫度比國際同類雷達低了20多開爾文(K)。
三亞常年的高溫、高濕和高鹽,對雷達環(huán)境適應性提出了嚴峻挑戰(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道自然冷卻的方法,并首次引入正壓充氣系統(tǒng)等應對措施,大大提高了SYISR的環(huán)境適應性和運行穩(wěn)定性。
非相干回波信號存在時間和空間模糊等問題,需要通過復雜的編解碼來提高時空分辨率,信號處理過程復雜。因此,項目組在理論譜仿真、探測模式與信號編碼、信號處理與參量反演等方面開展了系列攻關,相關成果已應用于SYISR的日常觀測中。
經(jīng)過近一年的觀測試運行,雷達的可靠性和穩(wěn)定性得到了有效驗證。基于高占空比連續(xù)長期實驗,首次觀測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會隨時間很快發(fā)展起來)導致的電離層等離子體空洞的剖面結(jié)構(gòu),時空分辨率分別達亞秒和公里量級;研究團隊頻繁觀測到比常規(guī)離子線譜強度低兩個量級的等離子體線,并在世界上首次觀測到等離子體線3次分裂現(xiàn)象,夯實了等離子體物理相關研究的基礎。
SYISR驗收后,《自然—天文學》編輯寫信邀請項目團隊撰寫關于SYISR的介紹文章。該文章已于5月19日發(fā)表,其他相關成果正在陸續(xù)整理和發(fā)表中。
攜手“天眼”
SYISR作為高功率雷達,是其他射電天文設備的理想信號源。中國“天眼”(FAST)設計之初有8大科學目標,其中之一是電離層非相干散射信號接收,但FAST 自身不具備發(fā)射信號的能力,需要其他雷達提供信號源才能完成該科學目標,且要求信號源靈活捷變、威力(給到的信號大?。┳銐?。直至SYISR建成,這一目標才得以實現(xiàn)。
“2021年4月至7月,我們總計進行了20小時的發(fā)射實驗,完成了頂部電離層收發(fā)實驗、硬目標收發(fā)實驗、月球收發(fā)實驗等,取得了頂部電離層電子密度、月球局部高精度成像等成果?!睒沸掳步榻B說。

SYISR研制團隊部分成員合影。受訪者供圖
一張空間物理名片
據(jù)介紹,該項目已研制出國際領先水平的高功率相控陣非相干散射雷達,為電離層研究提供了重大科學裝置。研制過程中還申報授權10余項專利,發(fā)表了20多篇高水平論文,磨練出一支年輕、精干的具備多學科交叉能力的研究隊伍。
此外,SYISR還獲得國家重大科技基礎設施——子午工程二期的進一步資助,將建設一發(fā)三收雷達系統(tǒng);SYISR還支撐中國科學院青年團隊項目聚焦南海上空中高層大氣與電離層環(huán)境變化研究,參與中國科學院中歐國際合作項目,組建了SYISR-EISCAT雷達合作工作組。
“SYISR及正在建設中的海南三站式雷達是把我國先進雷達技術引入科學研究的典范,將推動中國電離層物理學科發(fā)展,相信會成為一張中國空間物理的名片?!睒沸掳舱f。
《中國科學報》:目前我國在非相干散射雷達研究領域處于怎樣的國際地位,下一步您團隊的研究重點是什么?
樂新安:SYISR突破了低系統(tǒng)噪聲溫度等技術,極大提高了雷達靈敏度,屬國際領先水平,是全球低緯地區(qū)唯一相控陣非相干散射雷達,對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。
下一步我們將聚焦低緯電離層動力學研究,并拓展月球及小天體的監(jiān)測能力。
《中國科學報》:您認為從事科學研究需要怎樣的品質(zhì)?
樂新安:從事科學研究需要對未知有好奇心、對科學有興趣、對科學研究無限熱愛、能持久堅持并傳承下去。比如,我的導師萬衛(wèi)星老師,一輩子堅持進行電離層探測和研究。他為SYISR立項和建設積勞成疾,臥病在床還牽掛著雷達建設,可以說為SYISR鞠躬盡瘁,這些都是我們應該傳承下去的科學精神。
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