临近空间环境监测系统

近年来，国外已经研制和建立了不同体制的雷达系统来监测中、高层(含距地表20～120km的临近空间)大气环境，成功发展了多个高层大气风场模式。国内在高空大气雷达方面也取得了一些进展，如中科院武汉物理与数学研究所建立了测风中频雷达和流星雷达，研制的双波长高空激光雷达可实现对距地表30～110km中高层大气和低电离层段的探测。中科院大气物理研究所也研制出国内首台VHF/ST雷达。中国电波传播研究所已在国内联合研制或从国外引进可以覆盖临近空间的低、中、高层系列大气探测设备和系统，可形成空间大气环境综合监测能力。相关大气环境监测设备和主要功能如下。

1.1.1无线电探空仪

无线电探空仪是能够测定自由大气各高度的气象要素，并将气象情报用无线电讯号发送到地面的遥测仪器。由于探空仪是在上升（或下降）过程中测量的，大气要素随高度有较大的变化，因此要求探空仪感应元件应具有较高的灵敏度，准确度，感应快，量程大，仪器整体体积小、重量轻、牢固可靠，能经受风云雨雪和高空强辐射的影响。依据测量内容不同，分为常规探空仪和特种探空仪。

常规探空仪借助探空气球携带升空，是测量对流层、平流层气象要素的主要仪器。它是由感应元件、转换器和发射装置三个部分组成。感应元件感应大气温度、气压、湿度等参数，采用变形元件（双金属片，空盒、肠衣）和电子元件（热敏电阻、空盒、湿敏电阻或电容）两类。转换开关轮流将感应元件依次接入变换器，将气象信息变换成电信号。中国制探空仪的变换器采用电码式和变低频式两种，发射装置是一个高频或超高频发射机，以载波方式将气象信息发到地面。

特种探空仪是在常规探空仪的基础上，根据不同的目的（如测定臭氧、平流层露点、各种辐射通量、大气电场，监视低层大气污染等）或不同仪器施放方式（如气球升空或气象飞机、气象火箭、定高气球下投等）派生了多种特殊探空仪，如臭氧探空仪，火箭探空仪等。

图1‑2 气球探空仪

图1‑3 火箭探空仪

1.1.2中间层—平流层—对流层（MST）雷达

MST雷达是一种工作在VHF频段的大气层观测专用无线电探测雷达，主要用于中间层、平流层和对流层中性大气风场和气体分子分布的观测，进行中性大气时空变化研究，可以为战时武器系统和平流层飞艇等的运行提供背景参数，保证武器系统运行，并可以直接为临近空间大气环境变化的动力学过程监测和分析提供技术数据。

2011年子午工程在北京建成了MST雷达，该雷达采用全固态数字阵列脉冲多普勒体制，是国内首台可实现大气高中低层风场探测的功率口径积最大的相控阵雷达，设计先进，兼有无线电测距和多普勒测速功能的优点，并且在天气恶劣情况下也可进行观测，解决了中低层大气风场的全天时、全天候监测的世界性难题。

图1‑4 MST雷达天线阵

1.1.3中频雷达

中层雷达利用中频或高频信号在电离层D区和E区的吸收来测量电离层电子密度和等效碰撞频率，利用分立天线布阵技术还可以用它探测中性大气风场。

中科院空间中心廊坊站的车载中频雷达（见图1‑5）采用了空间分布天线技术、模块化设计和全固态功率合成技术，发射功率高达64kW，探测高度为60～100km，高度分辨率为2km，时间分辨率为2min。

图1‑5  中科院空间中心廊坊站的中频雷达天线阵

1.1.4流星雷达

流星雷达通过发射VHF波段的无线电波，接收低电离层高度（100km左右）由流星与大气摩擦烧蚀产生的流星尾迹的反射回波，可获得在70～110km高度范围内大气风场等各种环境参数。

图1‑6 流星雷达天线

1.1.5激光雷达

双频激光雷达系统利用钠共振荧光激光雷达技术探测钠层的密度分布，利用瑞利散射激光雷达技术探测平流层至中层大气温度垂直分布廓线，利用米—拉曼散射激光雷达探测对流层和平流层大气气溶胶消光系数垂直分布廓线。

子午工程北京延庆观测站为双波长三通道激光雷达，可同时获得近地面至110km的大气后向散射回波信号，通过反演可得到地球空间环境的中高层大气的密度、温度、钠层密度等大气参数。低空米散射探测范围从近地面到30km，高空瑞利散射探测范围30~80km，高空钠层荧光探测范围80~110km。2009年12月，该系统成功获取了米散射、瑞利散射和钠荧光三通道后向散射回波信号。

图1‑7 北京延庆双频激光雷达

图1‑8 激光雷达的检测控制系统

1.1.6非相干散射雷达

非相干散射雷达向高空电离层发射强功率脉冲信号，接收电离层散射回波电子密度、电子温度、离子温度、离子成分、等离子体速度参数。

美国麻省理工学院(MIT)磨石山(MillstoneHill)观测站，是国际上久负盛名的电离层非相干散射探测与研究基地，是美国国家自然科学基金委管辖支持的4个非相干观测站之一，也是美国本土唯一的非相干散射雷达。该观测站自70年代开始观测，至今已有近30年的连续观测记录，并据此建立了庞大的数据库，发展了强大的数据库软件管理系统(Madrigal)，提供了基于国际互联网进行在线数据提取的平台；该台站已发表了一批关于中纬、亚极光区电离层特性的经典文献，对电离层研究具有重大的贡献。2002年，该台与中科院武汉物理与数学所进行长期合作、数据共享，包括长期无偿使用该台30年积累的历史资料和所有未来资料，并合作建立磨石山数据武汉镜象网站。目前，Madrigal软件系统及服务器也已经在武汉物理与数学所成功建设，设于MIT的Madrigal总服务器也已经将该所的镜像服务器正式列入其系列。

2012年子午工程在云南曲靖建成了我国第一台非相干散射雷达，该雷达是我国唯一的、全亚洲功能最强大的非相干散射雷达，峰值功率2MW，平均功率100kw，工作频率500MHz。

图1‑9 云南曲靖非相干散射雷达

1.1.7高频相干散射雷达

高频相干散射雷达可以监测极区电离层场向排列的不均匀体及其运动，探测参数包括雷达回波强度、电离层对流速度、速度谱展宽，主要用于探测极区电离层对流和等离子体不均匀体的形成、演化等过程。

图1‑10 南极中山观测站的相干散射雷达

1.1.8利用GPS等导航数据进行掩星探测

地球无线电掩星探测，主要利用正在被大气遮掩的GPS卫星信号。导航星发射的信号，穿过地球电离层和大气层，到达接收设备时，由于电波垂直折射指数变化，路径出现弯曲，引起附加信号延迟，由附加载波相位变化可计算出掩星剖面大气的折射率及电离层的折射率，进而得到气温、气压、和水汽的分布（0～60km），及电离层电子密度分布(80千米～800千米)。地球无线电掩星探测具有全球分布、全天候、高垂直分辨率、高精度、高长期稳定性等诸多优点。正是由于该探测技术的优点，国际上该领域正在迅速发展，目前已有十几个掩星探测计划。台湾计划发射的“中华”三号就是利用这一技术为核心开展的由6颗卫星组成的星座计划。我国于2003年10月由总参气象局、国家气象局、中科院空间中心、武汉物理与数学研究所、航天部一院、北京合众拓普公司等单位组成的试验队，在山西五台山（海拔约2880米）进行了国内首次的GPS掩星试验，成功获取了掩星数据。

中科院空间中心在国际上首次研制成功了兼容北斗和GPS掩星探测仪，于2013年9月23日在太原卫星发射中心搭载FY-3C卫星发射升空，9月29日成功接收北斗掩星信号，这是国际上首次接收到的北斗掩星信号。此外，GNOS掩星探测仪还同时实现了国内首次星载GPS L2C信号的接收，探测能力达到了国际同类仪器先进水平。GNOS掩星探测仪实现了GPS和北斗双系统兼容的大气和电离层探测，每天可以接收到的掩星事件多达千次，获得上千幅大气和电离层的剖面图。

图1‑11 FY-3C星GNOS掩星探测仪实物图

图1‑12 FY-3C星GNOS掩星探测仪9月30日获得的北斗掩星大气折射率廓线

图1‑13 FY-3C星GNOS掩星探测仪9月30日获得的GPS掩星电子密度廓线