南极长城站哨声波监测仪设备及其初步观测.pdf

顾旭东，倪彬彬，徐未，王市委，李斌，胡泽骏，何昉，陈相材，胡红桥.2024.南极长城站哨声波监测仪设备及其初步观测.地球与行星物理论评（中英文），55（1）：15-23.doi：10.19975/j.dqyxx.2023-010.GuXD,NiBB,XuW,WangSW,LiB,HuZ-J,HeF,ChenXC,HuH-Q.2024.DeploymentandinitialobservationsoftheWuhanUniversityverylowfrequency(WHUVLF)wavedetectionsystemattheGreatWallStationinAntarctica.ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysics,55(1):15-23(inChinese).doi:10.19975/j.dqyxx.2023-010.南极长城站哨声波监测仪设备及其初步观测顾旭东1,2，倪彬彬1*，徐未1,2，王市委1，李斌3*，胡泽骏3，何昉3，陈相材3，胡红桥31武汉大学电子信息学院空间物理系，武汉4300722湖北珞珈实验室，武汉4300723中国极地研究中心自然资源部极地科学重点实验室，上海200136摘要：在子午工程二期项目的支持下，武汉大学（WuhanUniversity,WHU）联合中国极地研究中心研制了一套甚低频（verylowfrequency,VLF）波动探测系统，并在 2022 年由中国极地研究中心部署于南极洲的中国长城站（GreatWallSta-tion,GWS,62.22S,58.96W）.该探测系统的动态范围为110dB，时间精度为100ns，可为空间物理和空间天气研究提供高分辨率的波动观测数据.本文详细介绍了 WHUVLF（子午工程编码：OCHCH_WHWM01）波动探测系统在 GWS 的初步观测结果，充分验证了系统的优越性能和稳定性.在过去一年的常规运行中，此系统能精确探测北美和欧洲等区域内各种地基VLF 台站信号的动态变化.初步分析结果表明，在多次 X 级太阳耀斑爆发期间，GWS 观测到的人工 VLF 台站信号特性与以往的研究结果高度一致.由于 HWU-GWS（HWU 为发射台站的名称）路径穿过南大西洋异常（southAtlanticanomaly,SAA）区域，观测结果同时表明，在磁暴期间，HWUVLF 信号的扰动与磁层电子沉降在时空关系上具有很强的关联性.此外，此设备也能观测到闪电激发的宽频带哨声波，在频谱图上呈现特有的清晰色散结构.因此，在南极独特的地理位置，地基哨声波监测仪的观测结合其它仪器的观测，有利于深入开展与极区哨声波传播、低电离层扰动、地面闪电放电和辐射带粒子沉降等相关的空间天气学研究，对开展全天时空间环境监测具有重要意义.关键词：哨声波监测仪；南极长城站；空间天气；甚低频波动传播；子午工程doi：10.19975/j.dqyxx.2023-010中图分类号：P352文献标识码：ADeployment and initial observations of the Wuhan University very low frequency(WHU VLF)wave detection system at the Great Wall Station in AntarcticaGuXudong1,2,NiBinbin1*,XuWei1,2,WangShiwei1,LiBin3*,HuZe-Jun3,HeFang3,ChenXiangcai3,HuHong-Qiao31DepartmentofSpacePhysics,SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,China2HubeiLuojiaLaboratory,Wuhan430072,China3MNRKeyLaboratoryforPolarScience,PolarResearchInstituteofChina,Shanghai200136,China收稿日期：20230227；录用日期：20230422基金项目：国家自然科学基金资助项目（42188101，42025404，42274205，41874195，42074119）；国家重点研发计划资助项目（2022YFF0503700）；中国科学院先导 B 计划资助项目（XDB41000000）；民用航天技术预研项目（D020308，D020104，D020303）；湖北珞珈实验室开放基金资助项目（220100051）；上海科委项目（21DZ1206100）SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNos.42188101,42025404,42274205,41874195,42074119),theNationalKeyR&DProgramofChina(GrantNo.2022YFF0503700),theB-typeStrategicPriorityProgramoftheChineseAcademyofSciences(GrantNo.XDB41000000),thePre-researchProjectsonCivilAerospaceTechnologies(GrantNos.D020308,D020104,D020303),theOpenFundofHubeiLuojiaLaboratory(GrantNo.220100051),andtheShanghaiScienceandTechnologyInnovationActionPlan(GrantNo.21DZ1206100)第一作者：顾旭东（1979-），男，副教授，主要从事空间物理、甚低频波动探测和科学应用研究.E-mail：*通信作者：倪彬彬（1978-），男，教授，主要从事空间物理和空间天气学方面的研究.E-mail：李斌（1983-），男，助理研究员，主要从事极光粒子加速机制和极光精细结构的研究.E-mail：第55卷第1期地球与行星物理论评（中英文）Vol.55No.12024年1月ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysicsJan.,2024Abstract:Asystemforthedetectionofverylowfrequency(VLF)electromagneticwaveshasbeendevelopedbyWuhanUniversity(WHU)withthePolarResearchInstituteofChina(PRIC),andhasbeensuccessfullyde-ployedbyPRICattheGreatWallStation(GWS,62.22S,58.96W)inAntarctica,aspartofthePhaseIIofChineseMeridianProject.Thesystemhasadynamicrangeof110dBandatimingaccuracyof100ns,andhencecanprovideobservationaldataatsufficientresolutiontocontributetospacephysicsandspaceweatherre-search.This paper reports initial measurements of the WHU VLF(Meridian Project-Phase II ID：OCHCH_WHWM01)wavedetectionsystematGWS,todemonstrateperformanceofthesystem.Datafromnearlyoneyearofroutineoperationindicatethatthesystemiseffectiveinrecordingthedynamicchangeofground-basedVLFtransmittersignalsfromNorthAmericaandEurope.ThecharacteristicsofVLFtrans-mittersignalsobservedatGWSduringX-classsolarflaresareconsistentwithresultsfrompreviousstudies.TheVLFdataexhibitedagoodcorrelationinspaceandtimewithmeasurementsofmagnetosphericelectrondepositionduringgeomagneticstorms,asdetectedinthesouthAtlanticanomaly(SAA)region.TheWHUVLFsystemaddi-tionallyprovidesdataonthewide-bandwhistlerwavesasexcitedbylightningdischarge,thespectrumofwhichex-hibitsadistinctivedispersionstructure.TheuniquepositionofGWSinAntarcticaprovidestheopportunitytoobtainobservationaldataonVLFwaveswhichcanbeusedtoinvestigatemultipleaspectsofspacephysics,includingthepropagationofwhistlerwavesinpolarregions,lowerionospheredisturbance,lightningdischarge,andradiationbeltelectronprecipitationfromtheradiationbelts.Thesemeasurementsareofcriticalimportanceinmonitoringnear-Earthspaceweather.Keywords:whistlerwavemonitoringequipment;AntarcticGreatWallStation;spaceweather;VLFwavepropagation;ChineseMeridianProject0引言甚低频波动（verylowfrequency,VLF）为频段位于 330kHz 的电磁波，主要源于雷电和人工发射台站，可以在由地球表面和低电离层构成的波导里远距离传播（Barretal.,2000;Bulloughetal.,1976）.随着对甚低频波动独特传播特性的深入研究，地基甚低频探测系统逐步被用于大气层、电离层、日食、太阳耀斑、宇宙射线等空间环境要素的遥感探测（如,Belcheretal.,2021;Chevalieretal.,2007;FishmanandInan,1988;Georgeetal.,2019;Gokowskietal.,2021;Nietal.,2022）.尤其是极区的甚低频波动环境，它们与地球空间能量粒子的相互作用频繁，进而影响极区磁层、电离层状态与动力学过程.极区的地基波动观测手段与极光和带电粒子等观测手段结合起来，将是深入认知极区空间天气现象的绝佳组合方式，有利于完善空间天气学建模，提升空间天气预报/现报准确度.早期的甚低频接收机只能简单地采集一些频谱信息并保存在磁带中，主要用于观测闪电激发的哨声波（Helliwell,1965）.1990 年代中期，AGO（automatedgeophysicalobservatory）窄带甚低频接收机系统被成功开发，其带宽最初仅有 2.5kHz，fT/HzfT/Hz后经过逐步扩展，主要用于研究高纬区域地磁波动（Shaferetal.,1994）.目前，斯坦福大学开发的 AWESOME（Atmospheric Weather EducationalSystemforObservationandModelingofElectromag-netics）接收机系统灵敏度可达 10，且可实现 300Hz50kHz 全频段甚低频信号的采集（Cohenetal.,2010）.近些年来，此系统工作性能得到了进一步提升，在闪电监测等近地空间环境无线电测量中发挥了巨大作用.该系统探测频带扩展到 0.5470kHz，灵敏度最高可达 0.03（Cohenetal.,2018;RichardsonandCohen,2021）.Penguin（PenguinMicro-VLFReceiver）是一款高度优化的 VLF 数字采样系统，其性能优越且能够承受极端极区环境，主要用于探测极区 VLF 波，如嘶声波、合声波等（Lessardetal.,2009）.科研人员在 Penguin 系统的基础上进一步优化设计了VAT（VLFAdvancedTechnologyReceiver）系统，相较于 Penguin 系统，其功耗更低、灵敏度更高（Klein,2009）.SAVENT（South America VLFNetwork）和 ARRDDVARKAntarctic-ArcticRadia-tion-belt(Dynamic)Deposition-VLF AtmosphericResearchKonsortium 是两个代表性的窄带甚低频波动探测网络（Clilverdetal.,2009;Raulinetal.,2009），为电离层和磁层研究提供了非常有价值16地球与行星物理论评（中英文）2024年的 VLF 数据.国外在甚低频领域的研究积累已超过 70 年，而国内从 1980 年代才逐步进入该研究领域.大部分地基甚低频探测系统主要用于雷电监测，接收灵敏度较低.1980 年代，武汉大学自主研发了 KDX-87甚低频接收机系统（田茂等，1991），但受限于当时的电子技术，性能与国际一流水平尚有距离.近年来，基于 FPGA 架构的数字化设计，武汉大学研发了具有自主知识产权的新型甚低频波动探测系统.该系统探测能力已达到可与美国 AWESOME 系统相比拟的国际先进水平，且数字化集成度更高，相关部件自主可控.自 2017 年起，已陆续在国内核心区域建立了数十个观测台站，组网对甚低频波动开展常规观测，积累了高质量的观测数据.借助此系统的观测数据，团队开展了一系列关于甚低频波传播以及地球空间环境监测的研究，取得了丰硕的研究成果（如,Chenetal.,2017;顾旭东等,2021;Guetal.,2021,2022a,2022b,2022c,2023;王市委等,2020,2022;易娟等,2019;Yietal.,2020;Zhouetal.,2020）.地面甚低频观测具有全天时、覆盖广、易监控的特点，对深入认知地球空间环境中甚低频波动的传播特性和影响效应具有重要意义.针对极区特殊的波动环境，在极区建立高灵敏度、宽频带的甚低频探测系统，不仅可用于研究各类自然等离子体波动和人工台站信号在极区的时空分布特征，建立可靠的波动分布模型，而且可用于系统研究极区波动的磁层与电离层效应.在子午工程二期甚低频哨声波监测仪项目的支持下，武汉大学联合中国极地研究中心成功在中国南极长城站（62.22S,58.96W）架设了武汉大学甚低频探测设备，并开始了常规观测.长城站位于亚极光带，且毗邻南大西洋地磁异常区，是监测波动分布和空间天气变化的绝佳位置.此外，长城站位于西半球，极大拓展了我国地面观测网络的地方时覆盖范围，与国内站点形成昼夜同时观测的能力，对多方位监测空间天气变化具有重要意义.1设备和数据 1.1 地基甚低频波动探测系统武汉大学联合中国极地研究中心研发的地基甚低频波动探测系统（WHUELF/VLFWaveDetec-tionSystem）具有功耗小、灵敏度高、占地面积小，架设简单、可无人值守、运行稳定等特点（Chenetal.,2016;Guetal.,2022a）.该系统是一套被动无线电信号接收系统，主要是利用法拉第电磁感应原理，甚低频信号时变的磁场分量在接收磁天线中转换成电信号，接收机对这些电信号进行采集从而达到甚低频信号获取的目的.工作频段为 150kHz，经由采样率为 250kHz 的 16 位 AD 采样，可以连续或间隔工作，适用于单台设备或者多台设备组网观测.该探测系统如图 1 所示，主要由磁环天线、低噪声接收前端、GPS 接收模块、数字接收机和控制计算机组成.磁环天线为等腰直角三角形，分别竖直放置在东西和南北两个方向，构成一个双通道正交天线系统.天线产生的信号在前端由电流电压转换器转换为电压信号，并由低噪放大器放大到合适范围.经过放大的单端电压信号由音频信号驱动芯片转换为差分信号，然后传输至室内的数字接收机进行采集.数字接收机采用基于 USB 总线和 FPGA的架构，主要包括 AD 控制模块、FIFO 模块、USB 接口模块、GPS 同步和校频模块.系统所需的UTC 时间、经纬度和高精度秒脉冲由标准 GPS 接收模块提供.接收机的动态范围为110dB，时间精度可达100ns，能够以较高时间和频率分辨率同时接收人工甚低频台站信号和自然甚低频信号.磁环天线低噪声模拟前端数字接收机控制计算机GPS 接收模块GPS 天线EWNS90图1WHUELF/VLF 波动探测系统设备组成框图Fig.1BlockdiagramoftheWHUELF/VLFwavedetectionsystem 1.2 南极长城站哨声波监测仪设备在子午工程二期项目的支持下，武汉大学和中国 极 地 研 究 中 心 合 作 在 南 极 长 城 站（GWS,62.22S,58.96W）布设了一套上述的地基甚低频波探测系统.该系统位于亚极光区域，CGM 坐标为（48.40MLat,11.85MLon）（Guetal.,2022a;Heetal.,2016），对应的磁层 L-shell 值约为 2.32.长城站的电磁环境优越，可以探测到更多的弱信号，系统的接收天线尺寸增大以提高灵敏度.所使用的磁环天线匝数为 5，等腰直角三角形结构高 6m，底 12m，等效接收面积为 36m2，归一化灵敏度第55卷第1期顾旭东，等：南极长城站哨声波监测仪设备及其初步观测17fT/HzfT为112，对于频率为 10kHz 的 VLF 信号，其最小可以探测的信号强度可以达到1.12.图 2给出了南极长城站哨声波监测仪设备安装图，主要有磁环天线、GPS 天线和设备机房，设备布局及天线结构详见 Gu 等（2022a）.室外磁环天线部分采用非金属支撑杆与两个地锚固定，形成等腰直角三角形结构.支撑杆靠近底部装配防水、防尘密封的低噪声模拟前端，通过多芯线缆与室内设备连接.数字接收机和控制计算机放置在天线附近的设备机房内，GPS 天线安装于机房屋顶.该设备于 2022 年第一季度完成安装调试，自 2022 年 3 月起开始甚低频波动的常规观测，是由我国研制并安装在南极洲用于 ELF/VLF 波动观测的第一个数字化的 VLF探测设备.磁环天线GPS 天线设备机房图2南极长城站哨声波监测仪设备安装图Fig.2Aphotographofthewhistlerwavemonitoringinstru-mentatGWSinAntarctica 1.3 南极长城站甚低频观测数据甚低频探测系统的双通道原始采样数据经过数字滤波，然后被分成多个离散的时间序列进行快速傅里叶变换（fastFouriertransform,FFT）得到宽频信号频谱.本文中，对每段数据进行 2048 个数据点的 FFT 变换，使得频谱的频率分辨率约为 122Hz，时间分辨率约为 8.192ms.图 3 展示了 2022 年 3月 30 日 18:00UT 之后第一个 10s 内在 GWS 观测到的 ELF/VLF 宽带频谱.图 3aNS 和图 3bEW 通道信号的总体趋势相近，但是由于探测系统天线具有很强的方向性，这些信号的强度在两个方向上表现出一定的差异.在 150kHz 频率范围内，有大量 ELF/VLF 辐射的特征信号.其中，竖线是由附近的闪电放电引起的甚低频信号，覆盖几 kHz 至几十 kHz 的频率范围，这是地球上自然界中最大的甚低频辐射源.而在 1030kHz 之间的水平线状信号则源自分布在世界各地用于全球海洋导航和通信的人工 VLF 发射台站.此外，在 28kHz 附近存在明显的波动干扰信号，可能来源于附近常规运转的设施.经过仔细核对，大部分频率/位置已知且在南极长城站能观测到的 VLF 台站信号已被确定，具体信息如表 1 所示.位于 GWS 的 WHUELF/VLF波动探测系统可以很好地接收来自美国大陆的NAA、NLK 和 NML 信号，来自夏威夷的 NPM 信号，来自欧洲的 ICV、FTA、HUW、GQD 和 DHO信号，以及来自印度的 VTX 信号（此处三位字母代表发射台站的名称）.对探测数据在指定频点进行 MSK 解调，可以获得台站信号的幅度和相位.图 4 显示了 2022 年 3 月 30 日在 GWS 接收到的NS 和 EW 方向的 VLF 台站信号.图 4a-4e 分别展现了 NPM、HWU、NAA、NLK 和 NML 信号每天的幅度变化.当接收质量好时，即具有良好的信噪比时，信号的幅度一般大于50dB，数据点比较集中.同一个台站信号，在 NS 和 EW 接收方向的数据质量存在一定的差异.一些发射台站关闭后幅度明显降低，基本处于背景强度水平.例如，NPM 很可能在 17:00UT 左右关闭，如图 4a 所示.台站信号的幅度在 24 小时内变化剧烈，呈现出昼夜转换5040302010024681018:00:0018:00:10频率/kHz5040302010频率/kHz0102030405001020304050dBFS(a)NS2022-03-30(b)EWUT图3南极长城站甚低频信号频谱Fig.3SpectrumofVLFsignalsdetectedatGWSinAntarctica表1南极长城站观测到的 VLF 信号对应的台站信息Table1TransmitterinformationcorrespondingtoVLFsignalsobservedattheGWSinAntarctica台站名称频率/kHz发射台站的位置纬度/()经度/()VTX18.208.387015N077.752762EICV20.2740.923127N009.731011EFTA20.948.544632N002.579429ENPM21.421.420166N158.151140WHWU21.7546.713129N001.245248EGQD22.154.731799N002.883033WDHO23.453.078900N007.615000ENAA24.044.644936N067.281639WNLK24.848.203487N121.916827WNML25.246.365990N098.335638W18地球与行星物理论评（中英文）2024年的特性，且受日出和日落的影响较为突出.相对来说，白天传播路径上的信号比夜间更为稳定，波动也较小.日出和日落时会出现几个幅度最小值，但这些最小值出现的准确时间取决于传播路径.比如，在图 4a 中 10:0017:00UT 期间连续出现的 6 个幅度最小值.在这个时间段，沿着 NPM-GWS传播路径昼夜交替，电离层反射高度快速变化，在传播波导中形成一个过渡区域.当 VLF 波在此区域传播时，将会发生波模转换，由于干扰效应导致接收到的信号出现最小幅度点.对于其它传播路径，当信号质量较好时，日出和日落效应同样非常显著，但是最小幅度点出现的时间和数量不同.2空间环境监测 2.1 太阳耀斑太阳耀斑强度由 GOES-16 卫星上的 XRS-B（0.10.8nm）提供的 X 射线通量表征，这些数据来自美国国家海洋和大气管理局（https:/data.ngdc.noaa.gov/platforms/solar-space-observing-satellites/goes/）.图 5a 显示，太阳耀斑开始于 17:20:00UT左右，在 17:42:12UT 达到峰值，并在 20:00:00NPM幅度/dB406000:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00(a)2022-03-30HWU幅度/dB406000:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00(b)NAA幅度/dB40506000:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00(c)NLK幅度/dB40506000:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00(d)NML幅度/dB40506000:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00(e)UT图4南极长城站甚低频台站信号，其中粉色点代表 NS 通道接收到的信号，蓝色点代表 EW 通道接收到的信号Fig.4VLFtransmittersignalsatGWSinAntarctica:PinkdotsrepresentsignalsreceivedbytheNSchannelandbluedotsrepresentsignalsreceivedbytheEWchannelX-ray 通量/(Wm2)10410510310610717:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:5018:10 18:20 18:30(a)2022-03-30HWU幅度/dB454050(b)NAA幅度/dB38364042(c)NLK幅度/dB相位/()相位/()4550605520004002004000200相位/()200200018:0017:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:5018:10 18:20 18:3018:0017:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:5018:10 18:20 18:3018:0017:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:5018:10 18:20 18:3018:00(d)55UT图5南极长城站甚低频信号对太阳耀斑的响应Fig.5ResponsesofVLFsignalstosolarflaresatGWSinAntarctica第55卷第1期顾旭东，等：南极长城站哨声波监测仪设备及其初步观测19W/m2UT 左右恢复到耀斑前状态.X 射线通量最大约为1.39104，相当于一个 X1.3 级太阳耀斑事件.图 5b-5e 显示了这次耀斑事件中 HWU、NAA、NLK 和 NML 台站信号的幅度和相位.台站信号的幅度和相位的变化趋势与 X 射线通量的变化趋势基于一致，这说明 VLF 信号对太阳耀斑的响应很敏感.在此次耀斑期间，四个信号的幅度变化都大于 5dB，最大变化接近 10dB，相位变化分别为207、258、256和 331.值得注意的是，这些幅度和相位变化与之前报道的太阳耀斑事件中的VLF 测量结果基本一致（如,Belcheretal.,2021;Georgeetal.,2019;Macotelaetal.,2017），差异主要与信号的频率和传播路径有关.在深入了解 VLF波动的传播特性的基础上，GWS 观测数据有望用于详细分析 VLF 台站信号与太阳耀斑强度之间的关系，进而建立起对太阳耀斑进行地面监测的定量模型.2.2 磁暴磁暴是由太阳风和地球磁场之间的相互作用引起的地球磁层的扰动，一般用地磁指数如 Dst 和AE 来描述.由于南大西洋异常区（SAA）的局部地磁场非常弱，地球表面附近的辐射通量相对较高，南大西洋异常区成为磁层中高能粒子最青睐的进入点.在磁暴期间，SAA 地区的粒子会沉降至大气中，从而影响低电离层的电子密度分布，这反映在地面设备记录的 VLF 台站信号的变化上（Inanetal.,2007;Peteretal.,2006;SpasojevcandInan,2005）.HWU-GWS 的 传 播 路 径 穿 过 SAA 区 域，因 此GWS 站点是监测磁暴的绝佳位置.图 6a 显示 2022年 4 月 14 日发生了一场中等强度的地磁暴，Dst 指数逐渐下降到约90，之后恢复至正常水平.与之相比，2022 年 4 月 13 日的 Dst 约为20，说明地磁情况平静.特别是在 20:1522:45UT 期间（两条垂直虚线之间），这两天的 X 射线通量均处于低水平，没有明显的太阳耀斑事件.图 6b、6d 分别显示了这两天对应的 HWU 信号幅度，其中，图 6e 显示了这两天的差异，即图 6b 的幅度减去图 6d 的幅度.很明显，在没有太阳耀斑爆发的中等地磁暴条件下，HWU 信号的幅度显著增加，相对于地磁平静期幅度最大变化达到 10dB 左右.发射台站信号020406080100Dst 指数/nTX-ray 通量/(Wm2)10410510610704-14 16:4804-14 18:0004-14 19:1204-14 20:2404-14 21:3604-14 22:4804-15 00:00405060幅度/dB04-14 16:4804-14 18:0004-14 19:1204-14 20:2404-14 21:3604-14 22:4804-15 00:00020406080100Dst 指数/nTX-ray 通量/(Wm2)10410510610704-13 16:4804-13 18:0004-13 19:1204-13 20:2404-13 21:3604-13 22:4804-14 00:00405060幅度/dB04-13 16:4804-13 18:0004-13 19:1204-13 20:2404-13 21:3604-13 22:4804-14 00:0010010幅度差/dB16:4818:0019:1220:2421:3622:4800:00(a)(b)(c)(d)(e)NSEW2022-04-142022-04-13UT图6南极长城站甚低频信号对磁暴的响应Fig.6ResponsesofVLFsignalstoageomagneticstormatGWSinAntarctica20地球与行星物理论评（中英文）2024年的时间演变与磁暴的发展密切相关.这些数据清楚地表明，磁暴会导致高能粒子沉降至大气中，导致 SAA 低电离层状态发生变化，进而影响人工台站 VLF 信号的传播.因此，在 GWS 接收 VLF 信号对监测地磁暴和 SAA 区域的变化具有重要意义.2.3 哨声波闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内各部位之间的强烈放电现象，由多次放电脉冲组成.全球闪电频发，其产生的宽频带电磁脉冲，能够激发出电磁哨声波，并主要在地球两个半球之间沿着磁力线传播.哨声波在传播过程中高低频成分之间存在相速度差，通常情况下高频部分相速度快提前到达，低频部分相速度较慢后续到达，形成呈现频率随时间下降的“L”形态的色散状频谱图（Gokani,etal.,2015;徐继生等,1989）.图 7a-7b和图 7c-7d 分别展示了南极长城站在 2022 年 8 月18 日 08:14UT 和 08:40UT 观测到的哨声波事例.从频谱图上可以看到，NS 和 EW 方向均能观测到闪电激发的哨声波，其具有清晰的色散结构，然而强度在两个方向上存在差异.哨声波的持续时间约为 0.6s，对应的截止频率约为 2kHz.在图 7a-7b 可以看到，此事例是由多次闪电脉冲激发的哨声波叠加构成，这与闪电的多次脉冲放电息息相关.南极长城站位于闪电频发的区域，便于对哨声波的进行地面常规观测，有助于了解其传播特征及过程，揭开近地空间各圈层电磁耦合机理.除上述应用之外，GWS 的 VLF 设备还可用于2018161412108642频率/kHz00.51.0时间/s201816141210864200.51.0时间/s01020304050dBFS2018161412108642频率/kHz00.51.0201816141210864200.51.001020304050dBFS(a)2022-08-18 08:14:40 UT,NS(b)2022-08-18 08:14:40 UT,EW(c)2022-08-18 08:40:00 UT,NS(d)2022-08-18 08:40:00 UT,EW图7南极长城站闪电激发的哨声波Fig.7Lightning-inducedwhistlerwavesatGWSinAntarctica第55卷第1期顾旭东，等：南极长城站哨声波监测仪设备及其初步观测21监测闪电活动，例如，南极周围闪电放电的空间分布和发生率、闪电产生的吱声以及闪电引起的电子沉降（Inanetal.,2010;Mauryaetal.,2012a,2012b;Salutetal.,2012;Vossetal.,1984）.VLF 信号还可与波传播模型一起用于研究低电离层的电子密度变化.此外，还可以用于校准导航和通信信号，提高导航精度和通信质量.本文所述的 VLF 波探测系统是满足上述科学及应用需求的装置之一.3结论本文详细介绍了架设于南极长城站的子午二期哨声波监测设备，该系统获得子午工程二期项目的支持，2022 年初成功部署于南极长城站，并完成设备的调试和数据传输.该系统已稳定运行一年时间，积累了大量关于地球空间环境中甚低频波动的可靠观测数据.WHUVLF 接收机的动态范围为110dB，时间精度为100ns，是迄今为止在南极运行最为可靠且探测灵敏度最高的等离子体波动探测系统之一.我们报道了耀斑爆发期间，北美和欧洲甚低频台站信号的典型观测结果，这些结果与传统观测数据高度一致，充分验证了探测设备的优越性能.由于 HWU-GWS 路径穿过 SAA 区域，这些观测结果也意味着 VLF 波扰动和磁暴期间磁层电子沉降在时空关系上具有很强的关联性.此设备能够捕捉到清晰的闪电激发的哨声波事件，无论从功能上还是质量上均满足哨声波监测仪项目的要求.随着更多数据的积累，基于南极长城站 VLF 观测的研究将逐步开展，有望深入认知近地空间环境中甚低频波动的传播特性和影响效应，对监测空间天气变化具有重要意义.致谢感谢子午工程二期和中国国家南极科考队对 VLF 波动探测项目的支持，以及武汉大学电子信息学院 985 基金项目的前期支持.南极长城站哨声波监测仪的子午工程编码为OCHCH_WHWM01，数据将上传至子午工程数据中心和中国极地科学数据中心.ReferencesBarr R,Jones D L,Rodger C.2000.ELF and VLF radio wavesJ.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,62:1689-1718.DOI:10.1016/S1364-6826(00)00121-8.BelcherSRG,ClilverdMA,RodgerCJ,etal.2021.SolarflareX-rayimpactsonlongsubionosphericVLFpathsJ.SpaceWeather,19:e2021SW002820.DOI:10.1029/2021SW002820.BulloughK,TatnallARL,DenbyM.1976.Man-madeELF/VLFemis-sionsandtheradiationbeltsJ.Nature,260:401-403.ChenYP,YangGB,NiBB,etal.2016.Deve