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                    國家重大科技基礎設施子午工程 II 區論文(已發表) ? 版本 ZH3 Vol 6 (2) 2021
                    下載
                    2014–2019年海南富克站甚高頻相干散射雷達回波數據集
                    Very high frequency coherent scatter radar dataset during 2014–2019 from Fuke, Hainan station
                    金晗,燕春曉,陳罡,閻敬業
                    ?>>
                    : 2020 - 07 - 19
                    : 2021 - 03 - 02
                    : 2020 - 12 - 14
                    : 2021 - 06 - 29
                    极速快三
                    1108 12 0
                    摘要&關鍵詞
                    摘要:子午工程海南富克站甚高頻(very high frequency,VHF)相干散射雷達位于我國海南省儋州市富克鎮(109.1\(°\)E,19.5\(°\)N),隸屬于中國科學院國家空間科學中心。雷達波束正交于電離層E和F層磁力線,其回波主要來自沿磁力線排列的電離層場向不規則體的后向散射。2014–2019年甚高頻相干散射雷達連續不間斷地對海南地區電離層E層至F層高度范圍內的等離子體不規則體進行探測,從原始探測數據同相、正交相(I、Q)信號中實時計算出回波強度并上傳至子午工程數據中心。通過這一數據可以得到我國低緯地區(海南)電離層場向不規則體發生率隨太陽活動、季節和地方時的變化,以及電離層不規則體發生情況的逐日變化和暴時響應特征。本數據集能夠為我國電離層物理領域內相關的研究、工程項目、空間天氣預報提供數據支撐。
                    關鍵詞:相干散射雷達;低緯電離層;場向不規則體;準周期回波;擴展F;數據共享
                    Abstract & Keywords
                    Abstract:?The Very High Frequency (VHF) coherent scatter radar of Meridian Project is located in Fuke, Hainan Island of China (109.1\(°\)E, 19.5\(°\)N), and belongs to National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences. The radar beams are set to be perpendicular to the magnetic field lines in ionospheric E- and F-layers in order to obtain the backscattered echoes from ionospheric field-aligned irregularities. The VHF coherent scatter radar continuously detected the plasma irregularities in E- and F-region from 2014 to 2019, and the real-time echo intensity calculated from I/Q signals is uploaded to Meridian Project Data Center. With this dataset, we can obtain the dependences of ionospheric irregularities occurrence on solar activity, seasons, and local time in the low-latitude region (Hainan), as well as the day-to-day variations and response characteristics during geomagnetic storms of irregularities. The dataset will provide support for research, projects as well as space weather forecast in the field of ionospheric physics.
                    Keywords:?coherent scatter radar;?low-latitude ionosphere;?field-aligned irregularities;?quasi-period echoes;?spread F;?data sharing
                    數據庫(集)基本信息簡介
                    數據庫(集)名稱海南富克站VHF相干散射雷達觀測回波強度數據
                    數據作者中國科學院國家空間科學中心
                    數據通信作者燕春曉(cxyan@nssc.ac.cn)
                    數據時間范圍2014–2019年
                    地理區域海南富克站(109.1\(°\)E,19.5\(°\)N)
                    探測距離分辨率0.711 km或0.355 km
                    數據量23313個文件
                    數據格式*.dat
                    數據服務系統網址http://dx.doi.org/10.12176/01.06.007
                    基金項目國家重大科技基礎設施子午工程
                    數據庫(集)組成數據集由海南富克站VHF相干散射雷達觀測回波強度數據組成,共包括23313個數據文件,每2小時一個數據文件。數據內容由文件頭和數據段組成。文件頭包括臺站代碼、設備代碼、觀測起始時間、觀測區域、觀測模式、掃描波位數、波束掃描周期、脈沖重復頻率、相干積累數和非相干積累數組成。數據段按照掃描波位時序排列的若干數據塊組成,記錄了掃描完成時間、波位序號、回波距離、回波強度(dB值)。
                    Dataset Profile
                    TitleVHF coherent radar echo intensity data file at Fuke, Hainan Station
                    Data corresponding authorYAN Chunxiao (cxyan@nssc.ac.cn)
                    Data authorNational Space Science Center
                    Time range2014–2019
                    Geographical scopeFuke, Hainan island of China (109.1E, 19.5N)
                    Range resolution0.711km or 0.355 km
                    Data volume23,313 files
                    Data format*.dat
                    Data service system<http://dx.doi.org/10.12176/01.06.007>
                    Source of fundingMeridian Project
                    Dataset compositionThe dataset comprises echo intensity data of VHF coherent scatter radar at Fuke, Hainan, totaling 23,313 data files, with one data file produced every 2 hours. A data file consists of a file header and data segments. The file header consists of station code, equipment code, observation start time, observation area, observation mode, scanning wave number, beam scanning period, pulse repetition frequency, coherent accumulation number and incoherent accumulation number. Data segments consist of several data blocks arranged based on the scanning timing sequence, recording scan duration, beam number, echo range and echo intensity (dB).
                    引 言
                    電離層中存在著許多不同尺度的等離子體密度不規則體(plasma irregularities),研究表明電離層不規則體的形成與電離層中多種不穩定性有關。電離層不規則體主要包括電離層E層和電離層F層不規則體,一般認為主要發生在日落后的赤道及低緯電離層F層不規則體是由瑞利–泰勒(Rayleigh-Taylor)不穩定性[1]引起的,而電離層E層不規則體的發生則可能與梯度漂移(gradient drift)不穩定性[2]或者風剪切(wind shear)不穩定性[3]等有關。當無線電波穿過這些電離層不規則體后,信號的幅度和相位會發生快速的隨機起伏(即電離層閃爍),導致測量誤差增大,從而影響衛星導航定位以及通信系統的性能,嚴重時甚至可能造成信號中斷。電離層不規則體的產生機制以及演化規律一直是電離層物理研究中的重要科學問題,對于衛星導航定位和通信系統有著重要的實際應用價值。
                    電離層不規則體的探測手段有很多,包括非相干散射雷達、相干散射雷達、數字測高儀、電離層TEC與閃爍監測儀、全天空氣輝成像儀以及衛星原位測量等。其中相干散射雷達由于具有全天候連續觀測,并具備較高時空分辨率等優勢,一直是國內外學者開展相關研究所依賴的重要觀測手段。國內學者基于相干散射雷達陸續開展了一些關于我國低緯電離層不規則體產生機制和變化特性的研究,例如寧百齊等[4]、李國主等[5]和胡連歡等[6]基于三亞(18.4\(°\)N,109.6\(°\)E)VHF雷達的觀測數據分別分析了電離層E層連續性回波、準周期回波以及太陽活動低年夏季F層回波的特性。Li等[7]結合三亞VHF雷達和位于Kototabang(0.2\(°\)S,100.3\(°\)E)的EAR雷達(Equatorial Atmosphere Radar)的觀測數據研究了相鄰經度夜間F層不規則體發生率與重力波活動的相關性。尚社平等[8]利用海南富克站VHF雷達的觀測數據研究了不同結構類型的E層場向不規則體的發生特征。Chen等[9]結合海南富克站VHF雷達和數字測高儀漂移數據研究了我國低緯E層準周期回波形態與背景電離層經向等離子體漂移速度變化之間的強相關性。Jin等[10]基于海南富克站VHF雷達的F層觀測數據,研究了2017年9月7–8日磁暴發生期間海南地區日落后F層不規則體的暴時響應特征及其可能的產生機制。目前學界關于中、低緯及赤道電離層不規則體的逐日變化和暴時響應特征的認識依然存在不足,還存在許多亟待解決的問題。
                    海南富克站VHF相干散射雷達是由中國科學院國家空間科學中心自主研制的用于探測電離層不規則體精細結構的科學裝置,是我國子午工程項目[11]重點建設的無線電探測設備之一,于2010年12月建成并通過驗收,從2014年開始穩定運行至今。雷達波束在東西方位面內進行多波位的快速掃描探測,能夠實時地獲取我國海南上空電離層不規則體的時空分布特征、演化狀態及緯向漂移速度,為研究我國低緯地區電離層不規則體的回波特性、產生機制和演化規律提供了有效的手段。
                    1 ? 數據采集和處理方法
                    海南富克站VHF相干散射雷達的相控陣天線陣列采用72副線性極化的五單元八木天線用于發射和接收,天線陣列共4行,每行由18個八木天線單元構成,如圖1所示是海南富克站VHF相干散射雷達的天線陣列,右下角是雷達的數據采集系統和室內顯示控制設備。天線列在東西方位內進行架設,應用典型的多普勒波束掃描技術將雷達波束控制在方位角\(±\)22.5\(°\)范圍內,以7.5\(°\)為步進,在7個方向上進行波束掃描,從而獲取電離層E層和F層不規則體的空間分布結構及其緯向漂移特征。將方位角從22.5\(°\)至?22.5\(°\)間隔為?7.5\(°\)的7個波束依次編號為Beam1–7,其中Beam 4指向地理正北,偏離地磁正北約1\(°\)。雷達的詳細技術參數如表1所示。


                    圖1 ? 海南富克站VHF相干散射雷達
                    表1 ? 雷達的詳細技術參數
                    雷達系統
                    工作頻率47 MHz探測范圍固定單波束:80–330.311 km
                    掃描波束:80–700.8 km
                    峰值功率54 kW距離分辨率固定單波束:0.355 km
                    掃描波束:0.711 km
                    最大帶寬2 MHz發射波形13位巴克碼
                    最大占空比固定單波束:0.52%
                    掃描波束:2.08%
                    脈沖寬度固定單波束:13\(×\)2 ??s
                    掃描波束:13\(×\)8 ??s
                    脈沖重復頻率200 Hz工作模式掃描波束或固定單波束模式
                    天線系統
                    天線陣列18\(×\mathrm{?}\)4五單元八木天線天線面積2000 m2
                    半功率波束寬度4.5\(°×\mathrm{?}\)21.7\(°\)
                    (橢圓形波束)
                    增益25.7 dBi
                    天線陣列工作模式多普勒波束掃描天線駐波比\(\le \mathrm{?}\mathrm{?}\) 1.3
                    波束指向方位角和仰角分別為Beam 1-7: (22.5\(°\),59.15\(°\)), (15\(°\),60.35\(°\)), (7.5\(°\),61.06\(°\)), (0\(°\),61.36\(°\)), (-7.5\(°\),61.24\(°\)), (-15\(°\),60.70\(°\)), (-22.5\(°\),59.72\(°\))
                    為了探測來自電離層不規則體的后向散射回波,雷達波束必須與地磁場正交,因此八木天線傾斜架設,天線所在平面與地面呈62.5\(°\)夾角,波束的仰角設置參考國際地磁參考模型IGRF-2010。在仰角和方位角方向上雷達的半功率波束寬度分別是21.7\(°\)和4.5\(°\),能夠滿足在電離層E層和F層高度范圍內雷達波束與地磁場正交的條件,從而可兼顧對電離層E層和F層不規則體的探測。
                    圖2[13]是雷達的總體系統框圖,左側所示是雷達的天線陣列,72副天線按照18×4排成矩陣,每一個八木天線與一個T/R模塊連接,每一個T/R模塊連接一個數字收發單元。數字收發單元的硬件包括可編程邏輯器件(FPGA)、模–數(A/D)轉換器、數–模(D/A)轉換器和數字信號處理器(DSP),其主要功能包括數據采集、數據上傳、發射波形信號處理、外部時鐘同步等。雷達采用中央控制計算機進行指令的傳送和數據處理,并通過以太網實現數字收發單元和中央處理器之間的數據交換。詳細的雷達硬件系統設計見文獻[12]。


                    圖2 ? 海南富克站VHF相干散射雷達的總體系統框圖[13]
                    當雷達發射信號時,中央計算機將數字波形參數傳輸到各個預處理單元,通過數字收發單元的D/A輸出模擬信號,經過功率放大器和天線合成波束向外輻射出去。經電離層不規則體后向散射的回波信號由雷達各個八木天線單元接收,經過前端低噪聲放大、A/D采樣、數字I/Q解調、低通濾波等,通過網絡傳輸至中央計算機進行波束合成、相干積累得到雷達探測回波數據。對原始探測數據的同相、正交相(I、Q)信號進行快速傅里葉變換得到雷達功率譜,計算信號功率的dB值得到回波強度數據,并實時上傳至子午工程數據中心,而I、Q數據儲存在臺站本地硬盤中,可以用于進一步多普勒分析。
                    2 ? 數據樣本描述
                    本數據記錄的是海南富克站VHF相干散射雷達探測回波的強度(dB值),每2小時生成一個數據文件,數據格式為dat。本數據集的dat文件以FKT_VHF01_DFI_L11_02H_YYYYMMDDhh0000.dat形式命名并存儲,其中YYYY、MM、DD、hh分別為觀測時的年份、月、日、時。數據由文件頭和數據項組成。第一行是文件頭,文件頭具體格式說明如表2所示。
                    表2 ? 探測回波強度數據文件頭格式說明
                    第N列數據項中文名稱數據項英文名稱記錄格式物理單位(中英文)無效缺省值數值范圍
                    01臺站代碼stationA3//HNS-FKT
                    02設備代碼instruA3//VHF
                    03觀測起始時間start_timeA14(YYYYMMDDhhmmss)///
                    04觀測區域obser_regionA1//“E”/ “F”
                    05觀測模式obser_modeA5//“Scan”/ “Fixed”
                    06掃描波位數pointing_numI1//1–7
                    07波束掃描周期scan_cycF5.2秒(s)/0–300
                    08脈沖重復頻率prfI4赫茲(Hz)/128–2048
                    09相干積累數acc_numI4//<1024
                    10非相干積累數acc_num2I4//<1024
                    數據項是由按照掃描波位時序排列的若干數據塊組成。數據塊內記錄了當前波位連續照射“相干積累數乘以非相干積累數”次后獲得的各距離分辨單元的觀測回波強度數據,由波位序號、回波距離、回波強度(dB值)組成,具體格式如表3所示。每個數據塊前面配套一個獨立的數據塊時間(YYYYMMDDhhmmss),表示該數據塊所有照射和積累處理的完成時刻,表4為數據樣例。
                    表3 ? 探測回波強度數據段格式說明
                    第N列數據項中文名稱數據項英文名稱記錄格式物理單位(中英文)無效缺省值數值范圍
                    01波位序號pointingI1//1–7
                    02回波距離echo_rangeF7.3千米/km/80–330.311 km
                    或80–700.8 km
                    03回波強度echo_reF7.2分貝/dB/-100–200
                    表4 ? 數據樣例
                    文件頭HNS-FKTVHF20140302120000Fscan7120.0020021024
                    數據塊時間20140302120104
                    數據塊180.00037.12
                    180.71134.11
                    181.42234.84
                    …………..
                    1700.08934.28
                    1700.80034.34
                    數據塊時間20140302120120
                    數據塊280.00036.89
                    280.71135.43
                    281.42235.71
                    .…………..
                    海南富克站VHF相干散射雷達主要有兩種工作模式,包括固定單波束模式和掃描波束模式。為了獲得較高時空分辨率的觀測數據,在固定單波束模式只采用一個波束(通常為Beam 4)對電離層不規則體進行連續觀測,波束掃描周期為20秒。圖3以2014年1月8日為例,繪制了20:00–22:00 UT時間內海南富克站VHF相干散射雷達探測回波的距離–時間–強度(Range-Time-Intensity, RTI)圖像,橫坐標為世界時UT,縱坐標為探測距離Range,顏色代表回波強度Intensity。為了對E層不規則體的精細結構進行觀測,這一天雷達探測距離范圍設置為80–330.311 km,距離門個數705,距離分辨率~0.355 km,時間分辨率為20 s。如圖3(a)所示在E層高度范圍內出現很薄的一層電離層不規則體回波,圖3(b)是100–115 km探測距離范圍內的局部放大圖像,可以清晰地看到在105–110 km距離范圍內出現呈準周期排列的E層電離層不規則體回波,即E層準周期回波。


                    圖3 ? 2014年1月8日固定單波束模式下探測回波的RTI圖像
                    海南富克站VHF相干散射雷達大多數時間工作在掃描波束模式下,按照Beam 1–7依次進行掃描探測,一次完整的波束掃描周期約為120秒,每個波束停留2048個脈沖,波束切換周期約為17秒,掃描波束模式下可以獲取電離層不規則體的空間分布和緯向漂移特征。以2015年3月14日為例,雷達進行掃描波束模式探測,探測距離的范圍是80–700.8 km,距離門個數為874,距離分辨率約為0.711 km。如圖4所示是海南富克站VHF相干散射雷達在2015年3月14日10:00–20:00 UT時間內探測到的后向散射回波的RTI圖像,其中(a)–(g)分別對應Beam 1–7探測回波的RTI圖像。雷達的7個波束都探測到來自E層和F層的電離層不規則體回波:在探測距離100 km附近出現E層不規則體回波;在F層頂部出現若干組羽毛狀結構的擴展F回波(topside plume),且呈明顯的東向漂移;此外還在Beam 2和Beam 3兩個波束中探測到F層底部型(bottom-type)回波。


                    圖4 ? 2015年3月14日掃描波束模式下探測回波的RTI圖像
                    3 ? 數據質量控制和評估
                    海南富克站VHF相干散射雷達探測回波強度數據從數據采集、數據處理到數據發布均由計算機自動處理完成,從2014年至今運行穩定可靠,全天候不間斷對電離層E層和F層場向不規則體進行監測。按照每2小時產生一個數據文件計算,2014–2019年總共應有26292個文件,現有23 313個文件,缺失2979個文件,原因主要包括突然斷電和儀器停機維護導致的部分時間段數據丟失。為了保證數據的可靠性,采用了以下措施對數據質量進行控制:
                    (1)配置GPS授時模塊,系統時間與GPS時間同步,保證數據時間的準確性;
                    (2)定期維護T/R組件,更換損壞和性能下降的器件,確保90%及以上的收發單元正常工作,以保證合成波束的正確性;
                    (3)定期校驗上傳數據文件和服務器文件,對錯誤的數據進行重新上傳,保證數據傳輸可靠性。
                    4 ? 數據價值
                    本數據可支持太陽活動、地磁活動、季節、地方時對低緯地區電離層E層和F層米級尺度不規則體發生率影響的相關研究。本數據與其他地基監測手段和衛星觀測進行結合,可以支持低緯電離層等離子體漂移、多尺度電離層不規則體發生情況、電離層閃爍發生率的逐日變化和暴時響應特征以及上述現象相關性的研究。本數據可為我國空間環境相關的研究、工程項目和空間天氣數值預報提供數據支持。
                    致 謝
                    本數據論文得到了國家科技基礎條件平臺-國家空間科學數據中心(http://www.nssdc.ac.cn)的大力支持和幫助。
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                    數據引用格式
                    中國科學院國家空間科學中心. 海南富克站VHF相干散射雷達觀測回波強度數據[DB/OL]. 國家空間科學數據中心. (2011-08-18). DOI: 10.12176/01.06.007.
                    稿件與作者信息
                    論文引用格式
                    金晗, 燕春曉, 陳罡, 等. 2014–2019年海南富克站甚高頻相干散射雷達回波數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2021, 6(2). (2021-06-28). DOI: 10.11922/csdata.2020.0076.zh.
                    金晗
                    Jin Han
                    主要承擔工作為數據服務。
                    (1993—),女,博士,助理研究員。
                    燕春曉
                    Yan Chunxiao
                    主要承擔工作為數據生產。
                    cxyan@nssc.ac.cn
                    (1980—),男,碩士,副研究員。
                    陳罡
                    Chen Gang
                    主要承擔工作為數據服務。
                    (1980—),男,博士,教授。
                    閻敬業
                    Yan Jingye
                    主要承擔工作為設備研制。
                    (1972—),男,博士,研究員。
                    出版歷史
                    I區發布時間:2020年12月14日 ( 版本ZH2
                    II區出版時間:2021年6月29日 ( 版本ZH3
                    參考文獻列表中查看
                    中國科學數據
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