子午工程数据专刊 I 区论文(评审中) 版本 ZH2
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云南曲靖站非相干散射雷达数据集
QuJing incoherent scatter radar dataset in Yunnan Province
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: 2020 - 07 - 18
: 2021 - 01 - 13
: 2021 - 01 - 13
421 0 0
摘要&关键词
摘要:非相干散射雷达可探测电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线速度等众多参数,是目前最强大的地基电离层探测手段,对电离层空间天气特性与模型研究具有重要意义。中国电波传播研究所云南曲靖站非相干散射雷达(25.60oN,103.80oE)2015与2017年数据集包括功率剖面与功率谱两类回波数据,从功率剖面可快速估算电子密度,从功率谱可反演电子密度、电子/离子温度等多个参数。通过这一数据集可以分析得到曲靖地区电离层多个参数的多时空尺度变化特征,支撑电离层模型研究。
关键词:非相干散射雷达;电离层;功率剖面;功率谱;电子密度;电子温度;离子温度
Abstract & Keywords
Abstract: Incoherent Scattering Radar can detect electron density, electron temperature, ion temperature, plasma line-of-sight velocity and many other parameters, which is the most powerful ground-based tools to monitor ionosphere. It is of great significance to studying the ionospheric space weather characteristics and models. This dataset includes two types of data, power profile and power spectrum during 2015 and 2017 years. The former can be used to give a rough estimation on the electron density profile and the latter can be used to derive multiple parameters, such as electron density, electron/ion temperature and so on. The dataset can be used to analyze the spatial and temporal variation characteristics of ionospheric parameters over Qujing area(25.60oN,103.82oE), and support the ionospheric model research.
Keywords: incoherent scatter radar; ionosphere; power profile; power spectrum; electron density;  electron temperature; ion temperature
数据库(集)基本信息简介
数据库(集)名称云南曲靖站非相干散射雷达数据集
数据通信作者丁宗华(zhdingmou@163.com)
数据作者唐志美,丁宗华,代连东,杨嵩
数据时间范围2015年、2017年
地理位置云南曲靖站(25.60oN,103.82oE)
数据格式.txt/.JPEG
数据量200 MB
数据服务系统网址http://dx.doi.org/10.12176/01.06.032
http://dx.doi.org/10.12176/01.06.033
http://dx.doi.org/10.12176/01.06.034
http://dx.doi.org/10.12176/01.06.035
http://dx.doi.org/10.12176/01.06.036
http://dx.doi.org/10.12176/01.06.037
基金项目国家重大科技设施子午工程项目
数据库(集)组成数据集由电离层电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线速度数据组成,数分钟一个数据文件,具体的有效探测时长与设备状态和探测计划有关。数据项包含站点、年、月、日、时、分、秒、方位角、仰角、电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线速度。
Dataset Profile
TitleQuJing Incoherent Scatter Radar Dataset in Yunnan Province
Data corresponding authorDing Zonghua (zhdingmou@163.com)
Data authorsTang Zhimei, Ding Zonghua, Dai Liandong, Yang Song
Time range2015, 2017
Geographical scopeQuJing Station(25.60oN,103.82oE)
Data volume200 MB
Data format.txt/.JPEG
Data service system<http://dx.doi.org/10.12176/01.06.032>
<http://dx.doi.org/10.12176/01.06.033>
<http://dx.doi.org/10.12176/01.06.034>
<http://dx.doi.org/10.12176/01.06.035>
<http://dx.doi.org/10.12176/01.06.036>
<http://dx.doi.org/10.12176/01.06.037>
Source of fundingThe Meridian Project of National Key Scientific and Technological Facilities
Dataset compositionThe dataset is composed of ionospheric electron density, electron temperature, ion temperature and plasma line of sight velocity data. A data file lasts several minutes. The specific effective detection time is related to device status and detection plan. The Dataset includes station, year, month, day, hour, minute, second, azimuth, elevation, electron density, electron temperature, ion temperature, plasma line of sight velocity.
引 言
位于地球上空约60–1000 km范围的电离层,是日地系统中能量传输和耗散的关键区域,也是产生空间天气效应的主要区域。受到太阳与地磁活动、低层大气、电场等众多因素的影响,电离层具有非常复杂的时空变化特征。为了全面完整的描述电离层变化过程与特征,需对电离层物质与能量、热力学、动力学等众多参数进行高时空分辨率探测与分析。
在众多地基探测电离层设备中,非相干散射雷达虽然有建设费用高、维修操作难、工程难度大的缺点,但是不可否认,它具备持续观测时间长、监测范围广、接收机灵敏度高等优点,是目前地面监测电离层最强的手段[1]。非相干散射雷达直接反演参数包括电离层电子密度、电子温度、离子温度、等离子体径向速度4个基本参数(Basic parameter);基于一定的理论假设,结合当地电离层、热层、地磁场与雷达参数条件,可进一步间接反演电场、热层风、热层温度、离子成分、离子密度、碰撞频率、热层密度等十多个次级或二级参数(Secondary parameter,称“二级参数”)[2]
非相干散射概念是1958年美国科学家Gordon[3]提出,相继有多位学者结合电子技术发展提出脉冲编码和相位编码的模糊函数理论[4,5,6,7 ],为非相干散射雷达的建立奠定了扎实的理论基础。1960年美国在秘鲁建成Jicamarca(11.95oS,283.13oE)第一套非相干散射雷达以来,全球相继有单站式Arecibo(波多黎各,工作频率430 MHz)、UHF雷达(挪威,933 MHz)、VHF雷达(挪威,224 MHz)和Svalbard雷达(挪威,500 MHz)等十多套非相干散射雷达[8-9],并有很多学者对其观测到的电离层基本参数与其他观测设备结果作比较分析[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21 ]。在国家“子午工程”的支持下,中国电波传播研究所于2012年5月在云南曲靖初步建成了我国首套非相干散射雷达,为开展有关研究提供了自主数据。曲靖非相干散射雷达主要硬件性能指标如表1。
表1   曲靖非相干散射雷达主要硬件性能指标[9]
发射机工作频率500 MHz
发射脉冲峰值功率2 MW
脉冲重复周期1-20 ms
占空比<5%
编码类型13位巴克码、16位交替码
码元宽度10 us、15 us、20 us、30 us
系统噪声温度约150 K
天线形式口径29米的抛物面天线
天线增益41 dB
波束宽度1.3º(3 dB)
本文介绍了2015年与2017年云南曲靖站非相干散射雷达数据,包括原始回波功率剖面和功率谱及其反演的电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线速度等参数,并详细介绍非相干散射雷达的功率剖面和功率谱的计算表达式以及两者与电离层参数的关系,给出了部分观测结果样例。
1   数据采集和处理方法
曲靖站非相干散射雷达接收机通过对原始采样数据(0级数据)进行抽取、滤波、傅里叶变换、模糊修正、相干积累等,计算得到电离层回波功率剖面和功率谱(1级数据),再利用有关方法反演得到电离层电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线速度等科学数据。
1.1   功率剖面与功率谱计算方法
非相干散射雷达信号处理中利用了时延剖面矩阵这一重要概念,它是由实际采样数据的时延积构成的。设每一个脉冲周期内接收的电离层散射信号为,其中为时延间隔,hti 时刻对应的高度,令。针对每一个脉冲周期,先计算时延积,生成时延剖面矩阵,然后计算自相关函数。时延剖面矩阵的示意图如图1所示,横向为i行,纵向为j列,左边为滤波后的离散点,右边为其对应的复共轭点,每个*表示相应时延处的时延积[22]


图1   时延剖面矩阵的示意图
非相干散射雷达需要对多个脉冲周期进行积累。在每个脉冲周期内对不同的高度分别计算自相关函数,再对多个脉冲周期不同高度上的自相关函数进行脉冲积累。因此,非相干散射雷达是脉内相关处理。假设信号是平稳的,具有各态历经性,原始采样信号的自相关函数可以表示为:
(1)
其中,为信号在时刻的采样值,为时延间隔,信号长度为
原始采样信号自相关函数与电离层自相关函数(是电离层一种复杂的固有特征函数)存在以下关系:
(2)
其中,为距离模糊函数,为距离模糊函数覆盖高度区域的中点,时刻。由上式可知,在时延处,电离层自相关函数在时间和空间上的加权平均值为雷达接收机滤波后计算得到的回波自相关函数。通过上式计算得到接收信号的自相关函数,经过模糊函数修正调制方式和滤波对电离层的影响,可得出包含电离层诸多特征参数信息的电离层自相关函数。最后,利用离散傅里叶变换(DFT)得到电离层回波功率谱,通过对不同海拔高度的自相关函数或功率谱密度进行积分,可以得到电离层回波功率剖面(图2)。




图2   曲靖非相干散射雷达功率谱数据图例
上:不同高度的功率谱曲线;下:功率谱二维彩色图
1.2   功率剖面估算电子密度剖面
非相干散射雷达电离层回波功率与电离层电子密度满足以下关系式[18]
(3)
其中k是一个与雷达自身系统工作参数相关的常数,Ne 为电离层电子密度,R为探测距离,Pr 为雷达接收的回波信号功率, α 为电离层等离子体德拜长度D与雷达工作波长的比值。Tr=Te/Ti 其中Te 为电子温度,Ti 为离子温度.等离子体德拜长度表达式为:
(4)
式中K为波尔兹曼常数,为等离子体介电常数。云南曲靖站非相干散射雷达工作频率为500 MHz,换算为波长60 cm,而德拜长度一般为cm量级甚至更小,因此一般很小,约为0.001量级。若忽略等离子体德拜长度影响因素,且假定Tr 为常数,则(1)式简化为:
(5)
利用电离层垂直探测仪探测的F2层峰值电子密度(或F2寻常波临界频率)来标校(5)式的系数,即可从实测功率剖面得到电离层电子密度剖面。
1.3   功率谱反演等离子体参量
电离层非相干散射雷达功率谱的计算非常复杂,不同学者采用不同的假设条件和计算方法最终都推导出基本相近的表达式。早期学者给出了忽略碰撞的非相干散射功率谱表达式,在实际分析电离层非相干散射功率特征时,此表达式显得非常复杂。假设电离层F层由电子和氧原子离子组成,非相干散射功率谱表达式可简化为赛普脱公式[23]
(6)
(7)
这里,其中λ为雷达工作波长,K为玻尔兹曼常数,Te 为电子温度,miTi 分别为离子质量和离子温度。通过最小二乘非线性拟合,可反演得到电离层电子密度、电子与离子温度、等离子体视线运动速度等参数[24]
(1) 电子温度与离子温度估算
若离子成分已知,则电子温度和离子温度可由回波功率谱的形状来确定。电子与离子的温度比决定了离子功率谱线的尖锐程度,它可以通过测量功率谱中双峰的之间的谷深(峰顶至谷底)求得。
在雷达接收的功率谱中,离子线两个峰之间的距离可表示为:
(8)
式(8)中为雷达工作波长,K为波尔兹曼常数,TeTi 分别为电子温度和离子温度,为离子质量。在已知电子与离子的温度比,和离子成分条件下,离子温度Ti 可获得。
(2) 等离子体视线漂移速度估算
等离子体的整体视线漂移速度可以通过下式确定:
(9)
式中为功率谱中心频率相对于发射频率的多普勒频移,有正有负。在实际应用中,由于上述二者中心频率非常接近,不易判断,因此通常采用拟合方法得到,通过拟合自相关函数得到最优解,即为多普勒频移,进一步得到等离子体视线速度。
2   数据样本描述
云南曲靖站非相干散射雷达数据集记录的是中低纬地区电离层功率剖面、功率谱及其反演的电子密度、电子和离子温度、等离子体视线运动速度参数。时间分辨率为3 min,数分钟一个数据文件。数据文件分为两种类型,一类为txt文本格式,一类为JPEG图片格式,其中功率剖面数据提供txt格式,电子密度、电子温度和离子温度、等离子体视线速度同时提供txt和JPEG格式。数据文件由文件头和数据部分组成,文件头是数据内容说明,数据项包含站点、年、月、日、时、分、秒、仰角、方位角、功率参考值、窗口数目、距离、电子密度(对数值)(或者电子温度和离子温度,或者等离子体视线速度),时间为世界时(Universal Time,UT)。例如,电子浓度数据格式如表2所示,对应的数据样例如表3所示。
表2   电离层电子浓度txt数据格式
序号数据项
中文名
数据项
英文名
记录格式物理单位
(中英文)
无效缺省值取值范围
01站点编号SIDA3-1QJT
02空格SPX
03YEARI4-12000-9999
04空格SPX
05MONTHI2-11-12
06空格SPX
07DayI2-11-31
08空格SPX
09小时HourI2-10-23
10空格SPX
11分钟MinuteI2-10-59
12空格SPX
13SecondI2-10-59
14空格SPX
15仰角ElevationF5.1度(Degree)-10-90.0
16空格SPX
17方位角AzimuthF5.1度(Degree)-10-360.0
18空格SPX
19窗口数目(N)NumberI4-10-9999
20空格SPX
21距离值RangeF6.1公里(km)-10-3000.0
22空格SPX
23回波功率、或电子浓度、或电子与离子温度、或径向速度Electron densityF6.11010 /m³-10.001-999.9
24空格SPX
……………………………………
记录结束标志EOFA3-1EOF
表3   电离层电子浓度txt数据样例
SIDYearMonthDayHourMinuteSecondElevationAzimuthNumberElectron density
QJT2015032612301584601008.9*
10^11
QJT20170417132444.690601009.9*
10^11
如第一节中介绍,曲靖站非相干散射雷达有两种探测模式,对应的数据产品有两种:第一种为功率剖面,如图3所示,曲靖站非相干散射雷达探测回波高度对应的功率剖面示意图[24],横轴为回波功率,纵轴为高度,图4为图3中回波功率依据上述1.2节介绍的反演方法得到的电子密度剖面图例。


图3   回波功率剖面数据样例


图4   电子密度剖面数据样例(由回波功率剖面估算获得)
第二种探测模式获取的原始数据产品为回波归一化功率谱[25],依照第一节方法介绍,功率谱可用于反演获得电离层电子密度、电子温度、离子温度、离子漂移速度等二级参数,具体如图5和6所示。图5为电子温度和离子温度的高度变化图,横轴为温度值,纵轴为高度,红色和蓝色曲线分别代表电子与离子温度。图6为功率谱反演计算得到的电子密度、电子温度、离子温度、离子飘逸速度等电离层二级参数信息。同时还可获取电离层电子密度随高度的连续变化情况,如图7所示,横轴为世界时,纵轴为高度(km),图中hmF2表示测高仪测得的电离层F2层峰值高度,图示电子密度最大值处与F2层峰值高度存在对应关系。


图5   电子离子温度剖面数据样例(由功率谱反演获得)


图6   非相干散射雷达电离层多参数连续变化
由上至下为:电子密度(/m3);电子温度(K);离子温度(K);等离子体径向漂移速度(m/s)


图7   非相干散射雷达电离层电子密度连续变化(2015年5月29日至6月1日)
hmF2表示测高仪测得的电离层F2层峰值高度,图示电子密度最大值处与F2层峰值高度存在对应关系
3   数据质量控制和评估
曲靖非相干散射雷达的数据处理与反演工作由人工事后完成。为了保证数据质量,我们主要从以下几个方面进行数据质量控制:
(1)从回波功率剖面与功率谱形态上判断回波数据是否可靠,删除无效数据。非相干散射雷达回波功率剖面与功率谱满足一些基本特征。比如:
一般来说,功率剖面与电子密度剖面形态相似,在最大电子密度高度(中低纬地区为250-350公里)以下会出现一个峰值。
功率谱的典型特征是:在电离层底部为单峰结构、F层具有双峰结构,随高度增加功率谱谱宽增加,但是功率谱积分面积逐渐减小,功率谱谱宽为数KHz至数十KHz,发射频率与离子功率谱中心频率之差约数十Hz至数百Hz。
(2)利用曲靖站的垂直探测最大临界频率不定期标校雷达系统参数。从上文可知,准确反演电离层电子密度需要预先确定系数,该系数与雷达硬件参数等有关,会发生变化,需定期进行标校。
(3)由于缺乏其他手段的观测数据进行直接比对,但可利用国际参考电离层模型、国外同纬度地区非相干散射雷达数据,辅助对比分析与评估曲靖非相干散射雷达数据的可靠性与准确性。
4   数据价值
曲靖站非相干散射雷达是我国首套非相干散射雷达,本数据集可用于曲靖地区电离层分层结构与气候学特征、天气学(电离层暴、行进式扰动、日落增强、不均匀体等)变化过程及建模等研究,对提升我国曲靖地区电离层空间天气特性、模型研究水平与促进子午工程科学产出具有重要意义。
致 谢
本数据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。
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数据引用格式
(1) 唐志美,丁宗华,代连东,等.云南曲靖站非相干散射雷达数据集-云南曲靖站非相干散射雷达电子浓度数据[DB/OL]. 国家空间科学数据中心. (2020-07-18). http://dx.doi.org/10.12176/01.06.032.
(2) 唐志美,丁宗华,代连东,等.云南曲靖站非相干散射雷达数据集-云南曲靖站非相干散射雷达电子和离子温度数据[DB/OL]. 国家空间科学数据中心. (2020-07-18). http://dx.doi.org/10.12176/01.06.033.
(3) 唐志美,丁宗华,代连东,等.云南曲靖站非相干散射雷达数据集-云南曲靖站非相干散射雷达功率谱剖面原始数据[DB/OL]. 国家空间科学数据中心. (2020-07-18). http://dx.doi.org/10.12176/01.06.034.
(4) 唐志美,丁宗华,代连东,等.云南曲靖站非相干散射雷达数据集-云南曲靖站非相干散射雷达等离子体运动速度数据[DB/OL]. 国家空间科学数据中心. (2020-07-18). http://dx.doi.org/10.12176/01.06.035.
(5) 唐志美,丁宗华,代连东,等.云南曲靖站非相干散射雷达数据集-云南曲靖站非相干散射雷达电子浓度图形[DB/OL]. 国家空间科学数据中心. (2020-07-18). http://dx.doi.org/10.12176/01.06.036.
(6) 唐志美,丁宗华,代连东,等.云南曲靖站非相干散射雷达数据集-云南曲靖站非相干散射雷达电子和离子温度图形[DB/OL]. 国家空间科学数据中心. (2020-07-18). http://dx.doi.org/10.12176/01.06.037.
稿件与作者信息
论文引用格式
唐志美, 丁宗华, 代连东, 等. 云南曲靖站非相干散射雷达数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2020. (2020-08-04). DOI: 10.11922/csdata.2020.0067.
唐志美
Tang zhimei
1248765010@qq.com
(1993—),女,贵州人,硕士,助理工程师,主要承担工作为数据服务。
丁宗华
Ding zonghua
(1978—),男,湖北人,博士,研究员,主要承担工作为数据生产。
代连东
Dai Liandong
(1988—),男,河北人,硕士,工程师,主要承担工作为数据服务。
杨嵩
Yang Song
(1992—),男,河南人,硕士,工程师,主要承担工作为数据服务。
出版历史
I区发布时间:2021年1月13日 ( 版本ZH2
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中国科学数据
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