VHF雷达空域干涉法探测曲...层E区场向不规则体精细结构_邓忠新.pdf

邓忠新，徐彤，刘瑶，等.VHF 雷达空域干涉法探测曲靖电离层 E 区场向不规则体精细结构J.电波科学学报，2023，38（1）：142-151.DOI:10.12265/j.cjors.2021242DENG Z X,XU T,LIU Y,et al.Fine structure of ionospheric E-region field-aligned irregularities revealed using the Qujing VHF radar spatialinterferometryJ.Chinese journal of radio science，2023，38（1）：142-151.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2021242VHF 雷达空域干涉法探测曲靖电离层E 区场向不规则体精细结构邓忠新*徐彤刘瑶朱梦言徐彬丁宗华许正文（中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室,青岛 266107）摘要 针对 VHF 相干散射雷达传统观测方式的探测能力局限，构建了空域干涉法探测实验系统，其具备对电离层场向不规则体（field-aligned irregularity,FAI）三维精细结构探测能力.结合曲靖 E 区 FAI 干涉探测实验数据，实现了对系统相位偏差校正及回波三维空间位置精确获取，得到了不规则体云团的三维精细结构以及漂移运动过程，包括 FAI 回波散射点的三维空间位置以及 FAI 云团的三维空间外尺度、漂移运动轨迹和漂移速度等.探测实例结果表明：其东西、南北和高度向分布范围分别为3520 km、85120 km 和 95130 km，对应的三维外尺度分别为 23.8 km、7.6 km 和 7.6 km；东西向漂移速度要大于其他两个方向，并呈现出 56 min 的准周期回波特征.关键词甚高频相干散射雷达；空域干涉探测；E 区场向不规则体；精细结构中图分类号P352文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0142-10DOI 10.12265/j.cjors.2021242Fine structure of ionospheric E-region field-aligned irregularities revealedusing the Qujing VHF radar spatial interferometryDENG Zhongxin*XU TongLIU YaoZHU MengyanXU BinDING ZonghuaXU Zhengwen（National Key Laboratory of Electromagnetic Environment,China Research Institute ofRadiowave Propagation,Qingdao 266107,China）AbstractAiming at the limitation of detection ability of VHF coherent scattering radar in routine mode,adetection system based on interference method is constructed to form the detection ability of three-dimensional finestructure of ionospheric E region field-aligned irregularity (FAI)in this work.Based on E region FAI echo dataobtained by VHF radar interference detection experiment carried out at Qujing,the phase deviation of detection systemis calibrated and the three-dimensional fine structure and drift motion process of E region FAI are obtained.It includesthe three-dimensional position of the FAI echo scattering point and the three-dimensional outer scale of the FAI cloudcluster,drifting trajectory and drifting velocity,etc.Observed results show that the east-west,north-south and altituderanges of E region FAI structure are within 3520 km,85120 km and 95130 km,respectively,and thecorresponding three-dimensional outer scales are 23.8 km,7.6 km,and 7.6 km,respectively.The drift velocity in theeast-west direction is greater than that in other directions.Quasi-periodic echoes with the period of 56 min are alsopresented in this study.It completely and accurately reveals the spatiotemporal evolution process of FAI in the E region 收稿日期：2021-09-21资助项目：重点实验室基金（6142403190107）；基础科研项目（JCKY2021210C614240302,JCKY2019210C026）；泰山学者工程专项（ts20190968）通信作者：邓忠新 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 from generation to disappearance.KeywordsVHF radar；spatial interferometry；E-region field-aligned irregularities；fine structure 引言电离层不规则体是漂浮于正常电离层中各种尺度与形状的电子密度异常结构，又称电离层不均匀结构，其电子密度显著高于或低于周围背景电离层.这种不均匀结构在不同纬度电离层 E、F 区均会发生，包括常见的偶发 E 层(sporadic E,Es)、扩展 F 层(spread F,SF)等大尺度以及云团、斑块等中小尺度的不规则体.在空间等离子体波、地球磁场等作用下，电子密度不规则结构将沿地球磁力线方向排列，形成所谓的场向不规则体(field-aligned irregularity,FAI).电离层不规则体随时间和空间随机变化，涉及电离层背景中的中性风场、电场、大气波动等众多因素及其电动力学过程，使得其形成及演化过程较为复杂1.电离层不规则体能引起无线电波信号幅度、相位等剧烈扰动，即电离层闪烁效应，进而对雷达等无线电信息系统带来不利影响2-3，因此对电离层不规则体观测研究至今仍是一个热点话题4-9.为揭示电离层不规则体的形态结构、生成与演化过程等，基于不规则体相干散射理论的高频(highfrequency，HF)及甚高频(very high frequency，VHF)雷达探测技术应运而生，并成为探测认知电离层E、F 区不规则体的有力手段10-12.早期，相干散射雷达主要用在极区及赤道电急流区的电离层不规则体结构与动力学过程的观测研究，随着该技术在中低纬电离层不规则体探测中的迅速发展，发现 E 区相 干 散 射 回 波 与 Es 层 密 切 相 关13-14.基 于 VHF相干散射雷达探测数据信息，对中低纬米级尺度E 区 FAI 的发生时间、出现高度、回波类型、多普勒速度等形态学特征有了一定的理解15-18.自 2010 年以来，在中国大陆境内的三亚、武汉、曲靖等地也先后部署了 VHF 相干散射雷达系统，为深入认知东亚 Es 高发区的中低纬 E 区 FAI 提供了有利条件.宁百齐和李国主等19-21利用三亚 VHF 雷达得到了E 区连续性和准周期的 FAI 回波特征.周晨等22分析了武汉 VHF 雷达观测到的 E 区 FAI 与 Es 的相关性.朱云舟等23基于曲靖 VHF 雷达连续两年观测资料得到了 E 区 FAI 发生率和高度的季节及地方时依赖关系.VHF 相干散射雷达传统观测方式仅能获取波束方向上的 FAI 回波信息，不能满足对 FAI 的空间精细结构、生成与演化过程的认知需要.随后一种基于雷达空域干涉法的探测思想被提出24，它可以反演出电离层 FAI 的三维空间位置，进而可以得到电离层FAI 精细的空间结构和漂移运动过程.YAMAMOTO等25利用日本 MU 雷达大型天线阵列中三个不共轴接收模块构成空域干涉探测，得到了 E 区 FAI 的空间 三 维 结 构 信 息.WANG 和 CHU26-27基 于 中 坜(Chung-li)VHF 空域干涉观测分别探讨了 E 区斑块状和 I、II 型 FAI 的空间结构特征.LI 等28则在三亚VHF 雷达基础上，通过增加一个不共轴接收天线模块构成空域干涉系统，分析了包括空间尺度、漂移运动速度等在内的 E 区 FAI 三维空间结构信息.本文基于曲靖地区现有的 VHF 雷达系统，首先介绍了空域干涉探测实验装置构建和干涉探测原理，然后结合 E 区 FAI 观测实例，阐述了包括系统相位偏差校正在内的干涉探测实验数据处理方法，最后针对 FAI 事件干涉探测数据，分析得到了包括三维空间位置、外尺度、漂移运动等 E 区 FAI 三维精细结构信息.1 实验装置与干涉探测方法00在云南曲靖地区部署有一套由 6 个收发通道构成的 VHF 相干散射雷达系统，其天线阵列空间布局呈矩形，由前后两排共 24 副(122)五单元八木天线组成，前后两排 4 副(22)天线构成一个收发通道.前后排天线间距离约为 3.1 m，左右间距离约为4.62 m.天线阵列长轴沿着地磁场东西方向，波束中心指向地磁正北，它与地理正北间存在一个夹角(1.6).为构建空域干涉探测实验系统，需要增加一个与原天线阵列不共轴的天线通道.本实验系统通过对原天线阵列最西边的第 6 通道天线组位置进行调整，将其置于通道 3 正北方，这样无需另外新增一个接收通道，并解决了实验系统各通道间时间同步问题.为此，结合曲靖 VHF 雷达系统可用的实验场地空间条件，对系统天线阵列波束方向进行仿真分析，选定通道 3 和 6 之间距离为 1.6 倍波长，约 10.45 m.仿真结果表明本实验系统能够获得与原天线阵列结构相仿的波束性能29，该实验系统主要参数见表 1，天线阵列布局如图 1 所示.基于实验系统所采集数据，采用快速傅里叶变换和矩方法，计算出信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)、多普勒速度和宽度等信息19,25.第 1 期邓忠新，等：VHF 雷达空域干涉法探测曲靖电离层 E 区场向不规则体精细结构143 S23()S36()S62()S23()S36()S62()选择 2、3 和 6 三个通道构成空域干涉组来解算反演 E 区 FAI 的空间三维结构.由两两通道间探测信息可以得到 FAI 回波 3 对归一化互谱、和.见式(1)，和 与其相类似.S23()=V2()V3()|V2()|21/2|V3()|21/2=|S23()|ei23().（1）V2()V3()|S23|23|S36|S62|3662式中：和分别表示通道 2 和 3 接收到的回波信号的傅里叶复变换；星号*表示复共轭；表示总集平均；表示多普勒频率，为书写简洁，后面将省略；和分别表示通道 2 与 3 之间的相干系数和相位差.同样地，在通道 3 与 6 间、通道 6 与 2 间也存在相应的相干系数、和相位差、.相对于 VHF 雷达接收位置，空间任一 FAI 散射点都将存在一个方位角 和仰角，可通过式(2)和(3)来计算：=arccotd3636d2323=arccotd36(36+36+2m)d23(23+23+2n),（2）=arccos23kd23sin=arccos23+23+2nkd23sin.（3）233623362336mnd23d36k=2/式中：和分别表示两个分离通道接收到同一FAI 回波的理论相位差，它依赖于 FAI 空间位置和两通道间距离，可由式(4)和(5)计算；和分别表示雷达实际观测到的通道间相位差；和分别表示两通道间系统相位偏差，主要是由通道间天线、线缆等硬件差异所致；和 分别表示垂直向和方位向的整周模糊度，即空间 FAI 回波到达通道3 与 6 和通道 2 与 3 间相位差的整周数，可以由地磁场模式、雷达探测范围及空间 FAI 高度等来估测；和分别表示两两通道间距离；为波数，为雷达波长.23=kd23cos sin，（4）36=kd36cos cos.（5）|23+36+62|3dWEdSNdH以通道 3 天线中心 O 为坐标原点，地理东西向为 X 轴，东向为正，地理南北向为 Y 轴，北向为正，垂直向为 Z 轴，向上为正，构建直角坐标系 O-XYZ.通道 2、3 和 6 如接收到的是同一空间位置的 FAI 散射回波信号，它们之间将具有强相关性，即需要限定三对通道间的相干系数和相位差，通常取相干系数均大于0.8，而相位差之和为33().于是在获得仰角和方位角后，可依据式(6)计算出 FAI 散射点的三维空间位置(X、Y 和 Z)，即为东西、南北和高度三个方向的距离(、和).|X=Rcos sin Y=Rcos cos Z=(R2+r2+2rRsin)2r.（6）式中：R 为雷达观测的径向距离；r 为地球半径，取值为 6 371 km.在获得 FAI 空间三维位置后，进而可以计算出 FAI 等离子体云团的外尺度、整体漂移运动等信息.2 探测实验数据处理利用曲靖 VHF 雷达空域干涉实验系统，对电离层 FAI 开展探测实验.下面结合 2020-05-8T11:0018:00UT 观测到的一次 E 区 FAI 事件来阐述干涉探测实验数据处理方法和过程.vd图 2 上 图 是 FAI 回 波 SNR 随 雷 达 探 测 距 离(R)和世界时(UT)的变化，下图是其径向多普勒速度()的时空变化.从回波 SNR 可以看出：期间出现了多次 FAI 强散射回波现象，最大 SNR 达到了 25dB；不同时刻的回波距离分布变化较大，整体分布在130175 km，且随时间有明显下降趋势.从雷达多普勒速度来看，主要在6020 m/s 变化，且绝大部 表 1 曲靖 VHF 雷达空域干涉探测实验系统参数Tab.1 Systematic parameters of Qujing VHF radarspatial interferometry基 本 参 数取值地理位置25.6N,103.7E工作频率45.9 MHz峰值功率24 kW脉冲重复频率525 Hz相干累计数8探测距离100220 km距离分辨率500 m时间分辨率1 min通道间距离d23=9.23d36=10.45 m，m d23d36d62X(East)Ch1Ch2Ch3Ch6Y(North)OCh4Ch5图 1 VHF 雷达空域干涉实验系统天线阵列布局示意图Fig.1 Antenna array layout of VHF radar spatialinterference experimental system 144电波科学学报第 38 卷分时间为负值，表明期间 E 区 FAI 是以靠近雷达运动为主.显然，上述观测结果仅能描述出 E 区 FAI 大致的时空分布与演化特征，难以精确描述出其空间三维尺度和漂移运动过程.175165155R/kmR/km14513512517516515514513512510:0012:0014:0016:00UT18:0020:0022:00SNR/dBvd/(ms1)2520151050503010103050图 2 2020-05-08T11:0018:00UT 观测到的 E 区 FAI 回波SNR 和多普勒速度Fig.2 SNR and Doppler velocities of E-region FAI during11:0018:00UT on May 8,2020S23S36S62|Sij|iji,j=2,3,6i j在干涉探测实验期间，VHF 雷达脉冲重复频率为 525 Hz，相干累计次数为 8，每分钟每个距离门R 得到一组共 3 800 个同相和正交相(即 I 和 Q 值)的数据序列.针对通道 2、3 和 6 所接收到的 3 800个 I、Q 回波数据，采用 128 点的快速傅里叶变换，并对傅里叶变换结果取总集平均，得到 3 个通道的自谱，依据式(1)可产生、和共 3 对归一化的互谱数据，进而得到其相干系数和相位差(，且).233662图 3 是依照上述方法得到的一个确定时刻和距离门 R 的 3 对回波信号互谱归一化相干系数和相位差分布曲线.图中上行为 3 对相干系数，可以看出它们似高斯分布，多普勒速度在25 m/s 左右；下行为其相位差变化，可以看出对应于相干系数较大的部分，相位差变化相对比较集中，而其他部分相位差则较为离散，三对通道相干系数大于 0.8 部分的相位差、和分别集中在20、85和 105附近.1.00.80.6相干系数0.40.2015010050050/()10015090 60 30vd/(ms1)vd/(ms1)vd/(ms1)030609090 60 30030609090 60 300306090Ch2-3Ch2-3Ch3-6Ch3-6Ch6-2Ch6-2图 3 2020-05-08T12:05UT,R=160 km 三个通道对回波信号互谱相干系数与相位差Fig.3 Coherence coefficient and phase difference of three cross-spectral pairs at 12:05UT on May 8,2020 with R=160 km 如前所述，干涉实验系统不同通道间会存在一定的系统相位偏差，需要在反演电离层 FAI 精确位置前对其进行校正.文献 30 针对雷达相位偏差问题，阐述了常用的一些校正方法，包括射电星法、流星回波法、无线电信标法等.相位校正实施方法简要归为两类：一是“它”校正法或测试校正法，即通过雷达接收如无人机、卫星等其他已知位置目标回波信息来进行校正 31-32；二是“自”校正法或理论校正法，即利用雷达回波数据得到的相位差实际测量信息，将其与基于地磁场模式的 FAI 相干散射的理论计算结果进行比较校正26,28.本文将采用后者来校正系统相位偏差.在校正系统相位偏差前，先处理整周模糊度问题.E 区 FAI 的 高 度 通 常 位 于 90 130 km，曲 靖2336nmVHF 雷达观测 E 区 FAI 相干散射回波区地磁场倾角(即天顶角)为 4041，雷达波束方位为1515，其地理方位角为16.613.4，FAI 相干散射要求波束射线近乎垂直地磁场，通常为 900.527,33，这样对应回波散射区的雷达波束仰角为 4649.由式(4)和(5)理论计算通道 2 与 3 间相位差为10080，通道 3 与 6 间相位差为 365400.因此，本探测实验系统在公式(2)和(3)中的 和 取值分别为 0 和 1.针对 2020-05-08 的 FAI 探测实例，本文校正系统 相 位 偏 差 的 实 际 操 作 是 通 过 提 取 2020-05-0709 期间同时满足下面 3 个条件的近 28.3 万组数据点来实施，即 3 对互谱相干系数均大于 0.8、3 对互谱相位差之和为33，以及回波 SNR 大于 2 dB.第 1 期邓忠新，等：VHF 雷达空域干涉法探测曲靖电离层 E 区场向不规则体精细结构145 233623362336这样，基于雷达实际测量数据的通道对间相位差和的总集平均分别约为3和89.对照和的理论计算结果(平均值分别约为9和384)，确定相应相位偏差和分别为6和 115.23362336图 4 给出系统相位偏差校正过程的一个实例，图(a)为在仰角 4649及方位角16.613.4空间范围内 2 对互谱相位差和依赖关系的理论计算结果，图中黑色框为其最大外围轮廓；图(b)为 2020-05-08T11:0018:00UT 期间 E 区 FAI 回波 2 对互谱相位差和的实际观测值分布；图(c)为上述时段 2 对互谱的校正后相位差与理论计算结果的分布对比，图中黑框与图(a)相对应，图中色度值表征的是干涉探测所获得 FAI 散射点真实位置的仰角，其数值范围为 46.748.4.显然，经过系统相位偏差校正后，2 对互谱相位差依赖关系以及 FAI 散射点真实位置仰角都符合理论计算预期.3 E 区 FAI 精细结构分析dWEdSNdH图 5 给出了 2020-05-08T11:0018:00UT 期间曲靖 VHF 雷达干涉探测所得到的 E 区 FAI 三维位置分布，从上往下三个子图纵坐标、和分别表征FAI 在西东向(X)、南北向(Y)和高度向(Z)的空间位置距离，色度值为对应散射回波的 SNR.可以看出：期间 FAI 位置分布变化在西东向似长条状，分布范围为3520 km；南北向和高度向分布区更似团簇状且空间形状相近，南北向分布在 85120 km，高度向则在95130 km，两者中心位置随时间呈下降趋势，这意味着 FAI 整体上是向雷达位置靠近趋势.308090100110120901001101201302010dWE/kmdSN/kmdH/km0102011:00 12:00 13:00 14:00UT15:00 16:00 17:00 18:0024681012141618202224SNR/dB图 5 2020-05-08T11:0018:00UT E 区 FAI 三维空间位置分布Fig.5 3D spatial distribution of E-region FAI during11:0018:00UT on May 8.2020 djdj=max(dj)min(dj)djdjdj为考察 FAI 的外尺度大小(j 表示西东、南北和高度三个方向)，按雷达的时间分辨率来计算每分钟三维外尺度，它为某时刻观测到的 FAI 云团所有散射点空间位置在该方向上的最大值与最小值之差，亦即.图 6 给出了 2020-05-08T11:0018:00UT 三个方向上 FAI 外尺度变化情况.为作图清晰，按 10 min 时间间隔来呈现，图中黑色圆点是每分钟的值，而星号为 10 min 间隔内FAI 外尺度的平均值，虚线为平均值的连线.从连线可以看出，三个方向上平均值呈现出相似的起伏变化，这意味着 FAI 云团三维外尺度大小具有准同步的扩大和缩小特征.三个方向上的最小值和最大值分别为 3.4 km、0.4 km、1.0 km 和 42.5 km、25.7 km、26.5 km.对期间所有时刻进行平均，三个方向上的平均外尺度分别为 23.8 km、7.6 km 和 7.6 km.显然，南北向和高度向的平均外尺度差异很小，均为数km 量级，而西东向平均外尺度要大于其他两个方向，约为后两者的 3 倍.由 VHF 相干散射雷达获取电离层 FAI 信息，要求雷达波束方向与地磁场近乎垂直，意味着 FAI 散射回波在方位向(即西东向)要比仰角向(即南北向和高度向)有更宽的分布范围，这与曲靖 VHF 雷达观测到的 FAI 云团西东向平均外尺度要大于其他两个方向相吻合.36510080 60 40 2023/()02040608010010510036/()959085(b)实际观测值(b)Measurment result8080 60 40 2023/()020406080375385(a)理论计算结果(a)Calculation result by theory36/()10080 6046.0 46.5 47.0 47.5 48.0 48.5 49.040 2023/()仰角/()020406080360365370375380385390395400405(c)校正后结果(c)Result after calibration36/()395405图 4 互谱对系统相位偏差校正实例Fig.4 An example of systematic phase deviation calibration 146电波科学学报第 38 卷11:00 12:00 13:00 14:00UT15:00 16:00 17:00 18:000005101520255101520251020304050dWE/kmdSN/kmdH/kmdj注：黑色为每分钟的 dj值；*为 10 min 间隔内所有的平均值；虚线为所有时间间隔内平均值连线图 6 2020-05-08T11:0018:00UT E 区 FAI 三维空间外尺度变化Fig.6 3D outer scale variation of E-region FAI in threedirections during 11:0018:00UT on May 8.2020图 7 给出了 2020-05-08T12:5013:02UT 时段E 区 FAI 三维空间结构的二维剖面图，从上往下依次为西东-南北向、西东-高度向和南北-高度向的三个剖面，可以看出该时段 FAI 云团结构从生成到消失的完整演化过程.首先，12:50UT 时在西东向27 km、南北向 99 km 及高度向 115 km 附近生成一个小尺度 FAI 云团，12:51UT 时在西东向15 km、南北向 96km 及高度向 108 km 附近生成另一个小尺度 FAI 云团；然后，两个小云团三维外尺度均在扩展变大，并逐步在 12:55UT 时汇聚成一个较大尺度云团，在12:58UT 时云团外尺度似乎达到了极大值，此时，西东向、南北向和高度向的外尺度分别约为 30 km、20km 和 20 km；随后，这个云团外尺度在逐步缩小，并在 13:03UT 后消失.dH/km8595dSN/km105 1158595 105 115 8595 105 115 8595 105 115 8595105 1158595 105 11511512510595115125105954020dSN/km0 20 40dWE/km4020 0 20 40 4020 0 20 40 4020 0 20 404020 0 20 404020 0 20 401151059585115105958512:5012:5112:5212:5312:5412:5512:5712:5812:5913:0013:0113:0212:5612:5012:5112:5212:5312:5412:5512:5712:5812:5913:0013:0113:02dH/km4020 0 20 40dWE/km4020 0 20 40 40200 20 40 4020 0 20 404020 0 20 404020 0 20 40115125105951151251059512:5012:5112:5212:5312:5412:5512:5712:5812:5913:0013:0113:0212:5612:56图 7 2020-05-08T12:5013:02UT E 区 FAI 三维空间结构演化过程Fig.7 3D structure evolution of E-region FAI during 12:5013:02UT on May 8,2020 在获得不同时刻所有 FAI 散射点的精确三维空间位置后，可以得到 FAI 云团的空间运动过程.具体方法如下：首先，依据雷达时间分辨率(如 1 min)，将FAI 观测结果按时间先后依次可划分为 n 个单元时刻；然后，将每个单元时刻视作一个云团整体，分别对西东向、南北向和高度向的所有 FAI 散射点空间位置取平均，计算出该时刻 FAI 云团的空间三维平均位置；接着，将后一时刻位置减去前一个时刻位置值得到两个时刻空间位置差，即运动距离；最后，将后前两个时刻的位置差除以其时间差，从而得到云第 1 期邓忠新，等：VHF 雷达空域干涉法探测曲靖电离层 E 区场向不规则体精细结构147 团整体的平均漂移速度.vWEvSNvH根据上述方法，图 8 给出了 2020-05-08T12:5013:02UT 时段 FAI 云团整体运动结果.图(a)、(b)中的数字 1-13 对应图(c)中的横坐标，即从 12:5013:02UT 的 13 个 1 min 时刻单元.图(a)、(b)分别为南北-西东(XOY)和南北-高度(YOZ)两个平面上FAI 云团运动轨迹，图中圆圈表示 FAI 云团整体平均位置所在，带箭头的短线表征 FAI 云团运动速度；图(c)中、和分别是西东、南北和高度三个方向的 FAI 云团平均漂移速度，左侧纵坐标表征西东向，右侧为南北向和高度向.从运动轨迹来看，FAI 云团中心从 12:50UT(即第 1 个时刻)向东、向北和向下运动，在 12:54UT(即第 5 个时刻)其南北向运动轨迹发生了转向，随后整体表现为向东、向南和向下运动，也就是说该时段 FAI 云团整体运动态势是南北向的折返运动、西东向的向东运动和高度向的向下运动，其中南北向折返运动的最大距离约为 3 km，西向东运动距离约为 28 km，高度向则下降了约 5 km.从运动速度来看：西东向除第 11 个时刻单元外均为正值，即向东运动，最大东向运动速度达 102 m/s，平均速度约为 49 m/s；而高度向则以负值(即下降运动)时刻数占优，且西东向运动速度大小明显要高于南北和高度两个方向；三个方向上运动速度随时间演变，具有一致的起伏变化趋势，呈现出 56 min 准周期的似波状调制特征.图 9 给出的是 VHF 雷达的传统观测和干涉探测这两种方式对 FAI 空间结构探测能力对比图.图(a)是曲靖VHF 雷达传统观测方式在2020-05-08T12:5013:03UT 时段获得的 E 区 FAI 距离-时间-强度(range-time-intensity，RTI)分 布 信 息，图(b)和(c)分 别 是2020-05-08T12:55UT 和 13:00UT 两个时刻干涉探测方式所得到的 FAI 空间三维位置分布.从图(b)和(c)可以看出采用干涉探测方式能够分辨出在空间位置上存在区隔明显的两个子云团结构，并能获得其精确的空间三维位置；而采用传统观测方式对应两个时刻 FAI 散射点在距离分布上则是连续的，不能反映出 FAI 云团精细结构和精确位置.显然，相较于传统观测方式，空域干涉探测技术能够获知 FAI 云团更精细的三维空间结构信息.50510dWE/kmH/km1520251099899100SN/km1011021039899100dSN/km1011021036015105101520vHvSNvWE25304020vWE/(ms1)vSN,vH/(ms1)20406080100120(c)三方向运动速度(c)Velocity of FAI in the X Y and Z directio12346时刻单元89 10 11 12 1311011111211311411511613121110987654321123468910111213(a)XOY 平面运动轨迹(a)Motion trajectory in XOY plane(b)XOZ 平面运动轨迹(b)Motion trajectory in XOZ plane510WE/kmdH/km1520251099899100dSN/km1011021039899100SN/km101102103601510505101520vHvSNvWE25304020vWE/(ms1)vSN,vH/(ms1)020406080100120(c)三方向运动速度(c)Velocity of FAI in the X,Y and Z direction123456时刻单元789 10 11 12 1311011111211311411511613121110986432112345678910111213(a)XOY 平面运动轨迹(a)Motion trajectory in XOY plane(b)XOZ 平面运动轨迹(b)Motion trajectory in XOZ plane注：圆圈表示该时刻 FAI 云团整体平均位置所在；带箭头的短线表征该时刻 FAI 云团运动速度图 8 2020-05-08T12:5013:02UT E 区 FAI 云团漂移运动变化Fig.8 Drift motion process of E-region FAI during12:5013:02UT on May 8,2020 H/kmSN/kmWE/km963313512:50 12:52 12:54 12:56UT(a)传统观测方式下 2020-05-08T12:5013:03UT FAI 的 RTI(a)RTI of FAI in routine model durning 12:5013:03UT on May 8,202012:5813:02 13:0413:00137139141143145147149151R/km15315515715916116316516725811SNR/dB141720117H/kmSN/kmWE/km24211815129633(b)干涉探测方式下 2020-05-08T12:55UT FAI 的三维空间分布(b)3D distribution of FAI at 12:55UT on May 8,2020 with interferometry mode(c)干涉探测方式下 2020-05-08T13:00UT FAI 的三维空间分布(c)3D distribution of FAI at 13:00UT on May 8,2020 with interferometry modeSNR/dBSNR/dB 148电波科学学报第 38 卷dH/km1161141121101081061041021009896dSN/kmdWE/km96303691215182681012413512:50 12:12:12:UT(a)传统观测方式下 2020-05-08T12:5013:03UT FAI 的 RTI(a)RTI of FAI in routine model durning 12:5013:03UT on May 8,202012:13:013:013:00137139143147R/km153157163167SNR/dB17120117114111108dH/km105102110106dSN/km102969490dWE/km24211815129630369(b)干涉探测方式下 2020-05-08T12:55UT FAI 的三维空间分布(b)3D distribution of FAI at 12:55UT on May 8,2020 with interferometry mode(c)干涉探测方式下 2020-05-08T13:00UT FAI 的三维空间分布(c)3D distri