电离层中等离子体密度随机热起伏对入射电磁波产生的散射称为非相干散射，由于散射截面与等离子体电荷质量比紧密相关，因此实际上主要是电离层自由电子产生非相干散射.尽管电离层电子非相干散射截面非常小，散射信号很弱，它们仍可被强有力的大功率雷达探测到.自20世纪50年代以来，雷达发射机功率、接收机灵敏度和天线增益都达到了很高水平，从而使得探测微弱的电离层非相干散射回波成为可能.

美国人Gordon在1958 年最先提出用大功率雷达探测电离层后向散射回波信号的设想(Gordon，1958).他认为这种散射是相互独立的电子产生的汤姆逊散射，也就是说电磁波入射到电离层中时，波束内每个电子都会独立不相干的散射电磁波.几个月后，Bowles利用美国Long Branch雷达(工作频率为41MHz，峰值功率为6MW)进行了首次非相干散射雷达探测试验(Bowles，1958)，观测到了电离层散射回波，但是观测的散射现象比预想的要复杂，特别是散射信号功率谱宽比预想的要窄很多.后来研究表明电离层的电子散射并不完全独立而是部分相干的(Evans，1969; Ioannidis and Farley， 1972; Gray and Farley， 1973; Tuomo，1996).至此利用非相干散射雷达探测电离层的这种方法才开始得到广泛使用.

非相干散射雷达已成为目前地面监测电离层最先进和最强大的手段，具有探测参数多、探测的空间范围广、探测的时空分辨率高等突出优点.比如非相干散射雷达可直接探测电离层电子密度、电子/离子温度、等离子体径向漂移速度等多种参数，间接获取电离层电导率、电场、热层风、碰撞频率等参数.但是非相干散射雷达也存在技术相对复杂、建设维护费用高、操作使用复杂等特点.

自1961年起全世界先后建立了约14部非相干散射雷达.早期的非相干散射雷达一般属于大功率脉冲机械扫描雷达，采用大功率发射机和大口径天线，存在系统复杂、灵活性不够等局限，近年来发展了基于相控阵体制的新型雷达.本文先介绍了早期传统体制的非相干散射雷达的建设情况，分析了其技术优缺点，接着重点以欧洲下一代非相干散射雷达为例介绍了近年来发展的基于相控阵技术的新体制非相干散射雷达，包括其技术特点、主要指标和科学能力等.

1959年，美国人构想在磁赤道地区的秘鲁Jicamarca(11.95°S，283.13°E)建设非相干散射雷达，1960年开入试用，1962年夏季该雷达的发射机达到了满功率工作条件，目前该雷达由美国自然基金会运行和管理.尽管该雷达建设之初，非相干散射雷达的很多理论和技术尚不成熟，但多年的使用表明，该雷达的设计、建设和使用都是成功的，特别是在低纬赤道地区电离层电动力学和不稳定性等方面取得了丰富成果(Farley，1991).

Jicamarca雷达工作频率为49.9 MHz，发射峰值功率为4.5 MW，发射带宽为1 MHz，最大占空比6%，脉冲宽度为1.0~2000 us，天线阵直径约300 m，由18432个半波偶极子构成，半功率波束宽度为0.8°.由于波长较长，受等离子体德拜效应影响较小；但由于频率偏低，受背景电磁噪声的影响较严重；该雷达是目前唯一利用法拉第旋转效应对电离层F区电子密度进行绝对测量的非相干散射雷达.

自Jicamarca雷达建成后，国外以美国和欧洲非相干散射科学联合会(EISCAT)为主先后又建设了10套非相干散射雷达(Evans，1965; Kelly，1995; Tepley，1997; Wannberg et al., 1997).国内郑传青等在上世纪80年代，曾利用某大功率远程目标跟踪雷达开展了非相干散射实验，取得了一些初步结果(郑传青等，1986).在国家电波环境观测网改造和子午工程支持下，中国电波传播研究所于2012年初在云南曲靖建成了我国首套非相干散射雷达，目前正在试运行观测(丁宗华等，2014).

美国先后建设了四套非相干散射雷达，分别是秘鲁Jicamarca、波多黎各Arecibo、美国Millstone Hill和丹麦格陵兰岛Sondrestrom.EISCAT建设了三套非相干散射雷达，分别是挪威Tromso UHF和VHF雷达，挪威Svalbard雷达(ESR).乌克兰把位于Kharkov的一套退役军用雷达改造成非相干散射雷达(Emelyanov and Zhivolup， 2013)，俄罗斯也对Irkutsk 一台雷达进行了改造用于电离层非相干散射探测(Zherebtsov et al., 1999).EISCAT UHF非相干散射雷达曾是世界上唯一的三站雷达，单站发射三站接收，具备电离层等离子体矢量速度探测能力，但由于无线电频率使用问题，该雷达已于近期停止工作.这些雷达中Millstone Hill和ESR雷达都具备2套抛物面天线，Sondrestrom雷达最初建于Stanford，1983年搬移到Sondrestrom.

法国于1965年在St Santin建立了一套双站连续波非相干散射雷达，中心频率为935 MHz，平均功率为150kW，1986年停止工作(Bauer et al., 1974).英国于1968年在Malvern 建成了一套单站非相干散射雷达，采用口径42.7 m 的抛物面天线，工作频率400.5 MHz，峰值功率8MW，1971年改成四站系统，该系统1975 停止工作(Williams and Taylor， 1974).目前全球运行中的各主要非相干散射雷达见表 1，部分雷达的天线见图 1和图 2.

图 1

Fig. 1

图 1 Jicamarca(左)和Arecibo(右)非相干散射雷达天线 Fig. 1 Earthquake prediction model in the case

图 2

Fig. 2

图 2 ESR雷达天线(左)和曲靖非相干散射雷达天线罩(右) Fig. 2 The antenna of ESR and the radome of Qujing ISR

表 1(Table 1)

表 1 全球非相干散射雷达的主要指标 Table 1 The technical specification for the ISR in the world 雷达名称 Arecibo Millstone Hill Sondrestrom EISCAT UHF EISCAT VHF ESR Kharkov Irkutsk 曲靖 地理纬度(°N) 18.3 42.6 67 69.6 69.6 78.1 49.6 53 ∕ 地理经度(°E) 293.25 288.5 309 19.2 19.2 16 36.3 103.3 ∕ 工作频 率(MHz) 430 440/1295 1290 928 224 500 150 158 500 峰值功 率(MW) 2 3 /4 3.5 2.6 3 1 3.6 2.4 2 脉冲宽 度(us) 10~10000 1~2000 2~500 1~2000 1~2000 1~2000 65~840 70~900 20~500 天线系统 305 m抛物 面天线 67 m口径 固定；46 m 可转动 32 m抛物 面天线 32 m抛物 面天线 120×40 m 抛物柱面 天线 32 m可转动， 42 m固定 100 m抛 物面天线 250 m×12 m 米扇形喇叭 天线 29 m抛物 面天线 投入使用时间 1963 年 1974 年 1983 年 1981年 1983年 1996年 1976年 1996年 2012年

表 1 全球非相干散射雷达的主要指标 Table 1 The technical specification for the ISR in the world

除了以上典型的非相干散射雷达外，日本的MU(Middle and Upper atmosphere)雷达和EAR(Equatorial Atmospheric Radar)雷达尽管主要是为中性大气动力学探测设计，但也具备电离层非相干散射探测能力.MU雷达于1984年建于日本京都附近，频率为46.5 MHz，峰值功率1兆瓦，由475个交叉八木天线及TR组件组成有源相控阵，半功率波束宽度2.6°.2001年日本与印度尼西亚在西苏门答腊联合建设了类似的EAR雷达.

传统非相干散射雷达一般采用大功率真空电子管发射机和数十米口径的抛物面或柱面天线，发射峰值功率数兆瓦，需要大量的大功率高压部件.通过天线俯仰与伺服结构控制天线波束指向，一般为单波束，每次只能指向单一方向，扫描速度慢，不具备多波束合成能力，工作模式设置不够灵活，整个系统庞大笨重，设备复杂，安全保护措施繁杂，运行与维护费用高昂.EISCAT UHF非相干散射雷达发射机见图 3.

图 3

Fig. 3

图 3 EISCAT 3D的探测性能对比 Fig. 3 The performance comparison between EISCAT UHF and 3D

传统非相干散射雷达大多使用了数十年，设备陈旧，面临紧迫的维护更新任务.同时，由于它们的设计与建造时间较早，在雷达工作模式、探测分辨率、探测能力等方面也存在各种的局限.比如，目前的EISCAT VHF雷达在100 km 处的横向分辨率为1 km，波束向的最高分辨率为300 m，时间分辨率为数分钟，这不能满足电离层精细结构探测需求，一般也不具备等离子体矢量速度探测能力.EISCAT UHF雷达虽然有三个接收天线，但由于采用机械扫描方式，探测一个等离子体矢量速度耗时长，一般十多分钟.

近年来，随着雷达和电子技术的发展，采用新方法、新技术和新器件的，基于相控阵体制的新型非相干散射雷达得到了发展，其中最典型的是美国先进的模块化非相干散射雷达和欧洲下一代非相干散射雷达系统.

AMISR雷达(Derek and Ian， 2009)由美国斯坦福研究院在美国自然基金会支持下建设，采用相控阵体制，具有模块化、可搬移和可扩充特点.2005年在Alaska附近Poker Flat建成了首套AMISR雷达(即PFISR)，2006年在加拿大北部 Cornwallis岛Resolute Bay建设了另外一套(即RISR).PFISR的主要技术指标有：中心频率449 MHz、峰值功率2 MW、最大占空比10%、脉冲宽度1～2000 μs、天线增益约43 dB、天线波束宽度约1°、系统噪声温度约120 k.PFISR的天线阵面见图 4.

图 4

Fig. 4

图 4 PFISR雷达的天线面 Fig. 4 The antenna face of the PFISR

AMISR的基本单元由功率放大器、极化器、发射/接收组件、交叉偶极子天线单元、低噪声放大器、信号处理、控制和监控单元等组成.由32个基本单元组成一个面板，构成一个最小的相控阵天线单元.由128个面板组成一副Face，其尺寸约30 m×30 m.一套AMISR可包含1个或多个Face(如PFISR仅有1个Face；Resolute Bay含有2个Face，由美国和加拿大分别建设)，各Face可独立工作，以满足不同的灵敏度、空间覆盖等需求.由于AMISR由众多独立、完全相同的基本单元和面板组成，波束控制灵活，稳定性和可维护性也大大提高.目前美国正计划在南极和阿根廷建设新的AMISR.

AMISR雷达具有很多优异性能，但它属于单站雷达，不具备多波束孔径合成成像和干涉测量能力，未开发基于原始电压数据的先进处理方法，天线增益有待进一步提高，同时其工作频率在北欧地区已被固定无线电和移动通信业务占用.因此在欧盟框架协议支持下，EISCAT自2004年开始了EISCAT 3D的论证、设计和筹建工作(Derek and Ian， 2009; Esa，2009; Craig，2013).

EISCAT 3D是多站相控阵雷达系统，包括一个中心站(具有发射和接收能力)和四个接收站(接收站中至少一个具有发射能力，峰值功率1兆瓦)，位于南北和东西方向的两个250公里长的基线上，接收站之间间隔50~250公里.中心站由正交八木天线阵、射频功率放大器、数字接收机及支撑电子器件组成，天线阵包括约10000个天线单元.

EISCAT 3D采用数字接收机、基于软件无线电的信号处理、分布式孔径、先进的反演成像等技术，代表了当前空间环境地基探测雷达的最新发展方向和水平.EISCAT 3D的主要技术特点包括：多波束多方向准实时三维成像能力、一发四收式多站构型、连续监测运行能力(仅受电力供应和磁盘数据存储能力限制)、多基线干涉测量能力等.这使它相对于其它非相干散射雷达具有很多新功能，包括对波束方位的瞬时自适应控制能力、多波束/交叉波束探测能力、合成孔径成像能力、电离层参数全剖面矢量探测和高速目标跟踪测量能力等.

EISCAT 3D主要技术指标见表 2.

表 2(Table 2)

表 2 EISCAT 3D主要技术指标 Table 2 The main technical specification for EISCAT 3D 中心频率 233 MHz 发射峰值功率 约10 MW； 占空比 >25% 各站天线单元数目 10000个交叉偶极子天线单元 3 dB接收带宽 30 MHz 天线增益 约50 dBi 波束宽度 0.6° 100 km处横向分辨率 <50 m 调制带宽 约5 MHz 脉冲宽度 0.5 us-CW 调制类型 任意幅度或相位调制

表 2 EISCAT 3D主要技术指标 Table 2 The main technical specification for EISCAT 3D

图 5

Fig. 5

图 5 EISCAT 3D的天线阵示意图 Fig. 5 The diagram of the antenna array of EISCAT 3D

表 2给出了在测量相对标准差为1%时EISCAT UHF雷达和EISCAT 3D的探测积累时间对比(Anita and Ian， 2012)，计算中假设EISCAT 3D其他接收站指向中心站并对中心站上空测量，同时假设与EISCAT UHF雷达的发射功率、占空比相同.从表 3可见，EISCAT 3D的探测积累时间相对于EISCAT UHF雷达大大减小、时间分辨率显著改善.实际上由于EISCAT 3D相对EISCAT UHF雷达有更高的发射功率和占空比，其时间分辨率还可提高.

表 3(Table 3)

表 3 EISCAT 3D的探测性能对比 Table 3 The performance comparison between EISCAT UHF and 3D 探测类型 UHF雷达 (积累时间：s) EISCAT 3D (积累时间：s) 标量参数测量(110公里) 1.0 0.1 标量参数测量(300公里) 5.0 0.2 矢量速度测量(110公里) 500.0 10.0 矢量速度测量(300公里) 2000.0 25.0

表 3 EISCAT 3D的探测性能对比 Table 3 The performance comparison between EISCAT UHF and 3D

由于EISCAT 3D建于极区涡旋边缘和极光区，存在复杂而丰富的空间天气现象，同时该地区已建有众多的空间环境观测设备，特别是可与高纬地区已建非相干散射雷达、高频相干散射雷达网(SuperDARN)等开展联合探测.EISCAT 3D可能的科学应用领域包括：

(1)高空大气物理与全球变化：

EISCAT 3D位于极区涡旋的赤道向边缘，不同高度和纬度的大气之间存在复杂的耦合过程.在中低层大气中风场、波动和湍流发挥了重要作用.目前，我们仍远未理解这些耦合过程.

(2)空间天气监测与研究

太阳不断向外喷射着能量和物质，当它们到达地球磁层时会释放巨大能量，引起磁层亚暴和磁暴，产生地磁场扰动、极光等不同空间天气事件，对人类活动和技术系统产生重要影响.空间天气监测需要覆盖全球的连续高性能数据，EISCAT 3D将成为欧洲空间天气监测的关键手段.

关键科学问题包括：亚暴期间，来自太阳和近地空间的能量如何释放到热层？它对不同区域的大气有何影响？离子外流的产生机制是什么？它对亚暴起始有何影响等？

(3)空间等离子体物理

通过EISCAT 3D与电离层加热设施配合，可在“天然等离子体实验室”中模拟一些基本等离子体物理过程.

关键科学问题包括：小尺度极光结构、自然增强离子声波谱线和加热产生人工极光现象背后的等离子体物理机理是什么？

(4)空间物质探测

EISCAT 3D在空间碎片、流星物质、小行星等空间物质探测方面也具有很强能力.EISCAT曾开展了长期的空间碎片统计观测，而EISCAT 3D可对空间碎片进行跟踪测量，提供更丰富、精度更高的空间碎片数据.EISCAT 3D可测量进入高层大气的流星物质通量，为中高层大气建模提供重要输入.

关键科学问题包括：流星头回波的物理机制是什么？流星尘埃在中高层大气化学和热平衡中有什么作用？行星和小行星地球化学特性如何，能为行星系统形成提供什么信息？

(5)雷达技术研究与试验平台

EISCAT 3D是首台“软件雷达”，采用了很多新理念、新技术和新方法等.通过EISCAT 3D的建设，可为空间环境探测雷达设计、论证和试验提供良好的平台.

在欧盟框架计划FP6项目的支持下，EISCAT于2005开展了为期4年(2005年5月至2009年4月)的EISCAT 3D设计研究工作，完成了体系结构、关键技术、软硬件设计方案、演示验证和科学能力分析等工作，于2009年6月正式提交了设计研究报告，该报告可在互联网上检索和免费下载.2008年12月，EISCAT 3D计划被正式列入了欧洲研究基础设施战略论坛(ESFRI)发展规划.

在欧盟框架计划FP7项目的支持下，EISCAT从2010年启动了为期4年(2010年10月至2014年9月)的筹建工作，主要工作包括筹集资金、站点选择、数据处理相关工作、科学需求分析、建设和运行规划等，同时结合当前的最新技术对前期的系统设计方案做了一些修订.目前筹建阶段工作已大部分完成.

EISCAT 3D建设经费约1.35亿欧元，若资金到位，计划于2014年春进入实施阶段，具体又分为3个子阶段：准备、建设和运行.准备阶段包括地面站点的布置(土地租赁、场地平整、水电暖建设和机房建设等)、雷达部件的环境稳定性测试等；建设阶段计划于2016年春天开始，包括1个中心站(位于Skitbon)和第一个接收站(位于Bergfors)建设，2016年10月完成中心站的部分安装与测试，2017年底整个中心站和第一个接收站建设工作，已建站随即进入运行阶段.运行阶段包括探测模式与实验方案设计、数据格式、用户访问数据计划等.预计2018年可开展首次科学观测，若资金到位，将在2021年底前完成全部建设工作.

EISCAT于2007年建设了一个小型EISCAT 3D原理验证系统，以验证设计中的一些新技术和关键技术，主要包括天线阵列的电气特性、数字波束操控、多波束自适应指向校准、自适应极化匹配等.原理验证系统包括两部分：(1)一套由48个交叉八木天线单元组成的小型相控阵天线，排列成12×4的阵列，尺寸为24.6 m×6.6 m.(2)与天线阵连接的接收机等电子系统.

在接收机前端，来自天线的224±14 MHz信号被低噪声放大，再通过28 MHz带宽的带通滤波器进行去混叠处理，随后二级放大，接着送ADC以80 MHz、16位进行采样，然后低通滤波和抽取，变成5 MB/s数据，数据串行化后由光纤送主机房的EISCAT标准接收机通道板上，由VME计算机上的标准非相干散射信号处理软件进行处理.

EISCAT开展了多次原理验证实验，成功接收到EISCAT VHF雷达发射的经由特罗姆瑟上空电离层散射的信号，反演出了电离层电子密度、电子/离子温度等科学数据.

非相干散射雷达在电离层与空间环境监测方面具有显著优势，国外自上世纪60年代开始陆续建设了多套非相干散射雷达，受雷达和电子技术、信号与数据处理技术发展水平限制等，早期非相干散射雷达存在一些不足.近年来提出了基于相控阵体制的新型非相干散射雷达，相对来说它具有波束控制灵活、时空分辨率高、操作维护简便等优点，具有多波束合成成像和干涉测量能力，在空间目标探测(M and eville et al., 1995; 丁宗华等，2014)、空间天气监测、等离子体物理等多个领域具有重要意义.

由于建设经费不足、设计和建设能力有限等，我国的非相干散射雷达建设、探测与研究水平离国外还有很大差距，需要在非相干散射雷达总体设计、关键技术研究、原理验证试验、数据反演与分析方法等方面深入研究.美国和EISCAT在非相干散射雷达探测与研究方面处于国际领先地位，我们应积极参与他们的联合观测实验和科学数据分析等.

特别需要指出的是，EISCAT正在推进的EISCAT 3D项目代表了全球非相干散射雷达发展的最高水平和最新方向，建成后将大大提升目前的全球非相干散射雷达探测能力.但该项目投资大、建设周期长，从2004年规划至今已开展工作多年，EISCAT也正积极寻求世界各同行科学家的参与和支持，国外多个国家已参与EISCAT 3D前期的工作.通过参与EISCAT 3D项目，可以研究和掌握最先进的非相干散射雷达探测技术，分享EISCAT丰富的非相干散射雷达科学数据，提升空间环境和空间天气监测与研究能力.