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      十年磨剑 打造空间物理名片 ——记国家重大科研仪器研制项目“三亚非相干散射雷达”

      科技工作者之家 08月30日

      作者:张双虎 来源:中国科学报

      十年磨一剑,一台空间“CT”(电子计算机断层扫描)诞生;携手“天眼”,支持“子午”,打造空间物理名片。

      提到国家重大科研仪器研制项目——三亚非相干散射雷达(SYISR)的“前世今生”,该项目现任负责人、中国科学院地质与地球物理研究所研究员乐新安用两句话进行了高度概括,并介绍了自己已故导师万卫星生前为此付出的心血。

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      三亚非相干散射雷达(SYISR)。受访者供图

      非相干散射雷达研制承载着中国空间物理学家多年的梦想。SYISR立项之前,中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所研究员万卫星曾带队前往美国调研,期望了解美国刚研制成功不久的新一代相控阵非相干散射雷达技术并探讨引进的可能性,但遭到该雷达研制单位的拒绝。面对技术封锁,万卫星联合该领域国内优势单位成功研制出SYISR,成为全球第二套相控阵体制的非相干散射雷达。这其中,有太多鲜为人知的艰难困苦和感人故事……

      十年磨一剑

      强大的探测装置是空间物理取得科学突破的前提。20世纪60年代非相干散射雷达诞生后,便成为地基电离层探测的最强大设备,它可以看清空间的电子有多少、温度多高、怎么运动、处于什么状态等。但受限于当时的经济和技术能力,我国一直未能建造自有的非相干散射雷达。

      从20世纪90年代开始,万卫星等人在开展电离层物理研究的同时,就十分注重发展自己的电离层探测技术和仪器,建立了多种国内领先的探测手段,发展出多台站探测分析技术,并一直期待能有我们自己的电离层非相干散射雷达。进入21世纪,以相控阵体制为代表的新一代非相干散射雷达开始出现,万卫星等人抓住这个时机,经过国内外广泛调研后认为,由于我们在电离层探测研究的积累和国内大型雷达技术的发展,已完全有能力突破电离层非相干散射的关键技术,自主研制新一代相控阵非相干散射雷达。为此,他们在2014年初向国家自然科学基金委员会提出研制中国相控阵体制非相干散射雷达的立项申请,并获得国家重大科研仪器研制项目资助。

      “如果将传统探测设备比喻为X光机,那非相干散射雷达就像是空间的‘CT’。”乐新安对《中国科学报》说,“在此之前,相控阵非相干散射雷达只有美国研制成功过。对自主研制该类雷达,刚开始大家心里是没底的。”

      为此,万卫星带领团队开始广泛调研国内雷达研制能力,在充分论证的基础上,确定了技术方案,制定了关键部件设计研制、室外小面阵实验、大面阵建设和调试的“三步走”策略。

      在方案设计阶段,科学理论和技术实现的结合就成为大问题。通常相控阵雷达主要用于探测“硬目标”(飞机、航天器等),而非相干散射雷达探测对象属于“软目标”,探测模式和处理方式与传统雷达完全不同。

      “有一年多时间,参与项目的科学家和工程技术人员频繁交流,基本上每月都要碰面,经常在南京和北京间往返。”该团队成员之一、中国科学院地质与地球物理研究所研究员丁锋说,“正是因为多次的学术碰撞、深度沟通才成就了一系列明确的技术方案,如单通道直连组件、固定阵面、组合编码……”

      SYISR组件众多,且采用一系列创新技术,直接生产整个雷达面临较高技术风险。为此,中国科学院地质与地球物理研究所研究员宁百齐提出先建设一个小面阵系统进行全面技术测试的想法,但这要投入更多的时间、精力和经费,还会严重拖累研制进度。经过反复论证、尊重科研规律和实事求是,统一了大家的思想,合作方最终采纳了该方案。研制团队在小面阵上做了多项性能和环境适应能力试验,测试了软件系统,进行了散热、降噪等优化和改进,开展了系列相干探测和数据处理。“觉得小面阵没问题了,才放心投入三亚大面阵建设。”

      低系统噪声温度是非相干雷达的关键指标之一,但合作单位成熟的多通道架构无法满足该指标。宁百齐又提出单通道天线直连组件方案,该方案虽然能有效降低噪声温度,提高雷达灵敏度,却大大增加了技术风险和研制周期。面对挑战,合作团队对传统相控阵T/R组件进行了包括单通道直连等在内的多方面创新设计和技术攻关,解决了一系列技术难题,最终使SYISR的系统噪声温度比国际同类雷达低了20多开尔文(K)。

      三亚常年的高温、高湿和高盐,对雷达环境适应性提出了严峻挑战。为克服这一问题,中国电科14所研究员金林提出宏观和微观风道自然冷却的方法,并首次引入正压充气系统等应对措施,大大提高了SYISR的环境适应性和运行稳定性。

      非相干回波信号存在时间和空间模糊等问题,需要通过复杂的编解码来提高时空分辨率,信号处理过程复杂。因此,项目组在理论谱仿真、探测模式与信号编码、信号处理与参量反演等方面开展了系列攻关,相关成果已应用于SYISR的日常观测中。

      经过近一年的观测试运行,雷达的可靠性和稳定性得到了有效验证。基于高占空比连续长期实验,首次观测到由于瑞利泰勒不稳定性(流体不同密度交界面的初始扰动会随时间很快发展起来)导致的电离层等离子体空洞的剖面结构,时空分辨率分别达亚秒和公里量级;研究团队频繁观测到比常规离子线谱强度低两个量级的等离子体线,并在世界上首次观测到等离子体线3次分裂现象,夯实了等离子体物理相关研究的基础。

      SYISR验收后,《自然—天文学》编辑写信邀请项目团队撰写关于SYISR的介绍文章。该文章已于5月19日发表,其他相关成果正在陆续整理和发表中。

      携手“天眼”

      SYISR作为高功率雷达,是其他射电天文设备的理想信号源。中国“天眼”(FAST)设计之初有8大科学目标,其中之一是电离层非相干散射信号接收,但FAST 自身不具备发射信号的能力,需要其他雷达提供信号源才能完成该科学目标,且要求信号源灵活捷变、威力(给到的信号大小)足够。直至SYISR建成,这一目标才得以实现。

      “2021年4月至7月,我们总计进行了20小时的发射实验,完成了顶部电离层收发实验、硬目标收发实验、月球收发实验等,取得了顶部电离层电子密度、月球局部高精度成像等成果。”乐新安介绍说。

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      SYISR研制团队部分成员合影。受访者供图

      一张空间物理名片

      据介绍,该项目已研制出国际领先水平的高功率相控阵非相干散射雷达,为电离层研究提供了重大科学装置。研制过程中还申报授权10余项专利,发表了20多篇高水平论文,磨练出一支年轻、精干的具备多学科交叉能力的研究队伍。

      此外,SYISR还获得国家重大科技基础设施——子午工程二期的进一步资助,将建设一发三收雷达系统;SYISR还支撑中国科学院青年团队项目聚焦南海上空中高层大气与电离层环境变化研究,参与中国科学院中欧国际合作项目,组建了SYISR-EISCAT雷达合作工作组。

      “SYISR及正在建设中的海南三站式雷达是把我国先进雷达技术引入科学研究的典范,将推动中国电离层物理学科发展,相信会成为一张中国空间物理的名片。”乐新安说。

      《中国科学报》:目前我国在非相干散射雷达研究领域处于怎样的国际地位,下一步您团队的研究重点是什么?

      乐新安:SYISR突破了低系统噪声温度等技术,极大提高了雷达灵敏度,属国际领先水平,是全球低纬地区唯一相控阵非相干散射雷达,对于研究电离层赤道异常、等离子体泡等现象有区位优势。

      下一步我们将聚焦低纬电离层动力学研究,并拓展月球及小天体的监测能力。

      《中国科学报》:您认为从事科学研究需要怎样的品质?

      乐新安:从事科学研究需要对未知有好奇心、对科学有兴趣、对科学研究无限热爱、能持久坚持并传承下去。比如,我的导师万卫星老师,一辈子坚持进行电离层探测和研究。他为SYISR立项和建设积劳成疾,卧病在床还牵挂着雷达建设,可以说为SYISR鞠躬尽瘁,这些都是我们应该传承下去的科学精神。


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