Solar-Terrestrial PhysicsSolar-Terrestrial PhysicsСолнечно-земная физика / Solnechno-Zemnaya Fizika / Solar-Terrestrial Physics2712-96401172810.12737/19444Результаты исследованийResults of current researchРезультаты исследованийProspective IS-MST radar. Potential and diagnostic capabilitiesПерспективный радар НР-МСТ: потенциал и диагностические возможностиПотехинАлександр ПавловичPotekhinAleksandr Pavlovichpotekhin@iszf.irk.ru
Институт солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian Federation270920162709201623316https://naukaru.ru/en/nauka/article/11728/view
В ближайшие годы в районе Иркутска планируется строительство радара, сочетающего в себе возможности радаров некогерентного рассеяния (НР) и мезосферно-стратосферно-тропосферных радаров (МСТ) [Жеребцов и др., 2011]. Радар НР-МСТ представляет собой фазированную решетку, состоящую из двух разнесенных антенных полотен, с цифровой многоканальной приемной системой, позволяющей проводить детальную пространственно-временную обработку сигнала обратного рассеяния. Показаны характеристики, конфигурация и возможности антенной и приемопередающей систем радара. Оценивается потенциал радара в основных режимах работы, включающих исследование ионосферы методом НР на высотах более ~100 км и изучение атмосферы с помощью сигналов, рассеянных на флуктуациях показателя преломления, вызванных атмосферными турбулентными неоднородностями, на высотах до 100 км.
Моделирование показало, что радар позволит проводить регулярные измерения параметров нейтральной атмосферы на высотах до 26 км, а также наблюдать мезосферное летнее эхо на высотах ~85 км в присутствии заряженных ледяных частиц (при увеличении числа Шмидта) и мезосферное зимнее эхо на высотах ~65 км при повышении фоновой электронной концентрации. Оценка возможностей радара при работе в режиме НР в высотных диапазонах 100–600 и 600–2000 км показала, что в дневных условиях при накоплении 10 мин верхняя граница определения электронной концентрации и температуры ионосферной плазмы составляет ~1500 и ~1300 км соответственно при стандартном отклонении не более 10 %. Верхний предел определения скорости дрейфа составляет ~1100 км при стандартном отклонении 45 м/с. Оценка интерферометрических возможностей радара показала, что он обладает высокой чувстви-тельностью к угловым размерам объекта порядка 7.5 угл. мин, а потенциальная точность определения углов цели может достигать 40 угл. сек.
In the next few years, a new radar is planned to be built near Irkutsk. It should have capabilities of incoherent scatter (IS) radars and mesosphere-stratosphere-troposphere (MST) radars [Zherebtsov et al., 2011]. The IS-MST radar is a phased array of two separated antenna panels with a multichannel digital receiving system, which allows detailed space-time processing of backscattered signal. This paper describes characteristics, configuration, and capabilities of the antenna and transceiver systems of this radar. We estimate its potential in basic operating modes to study the ionosphere by the IS method at heights above 100 km and the atmosphere with the use of signals scattered from refractive index fluctuations, caused by turbulent mixing at heights below 100 km.
The modeling shows that the radar will allow us to regularly measure neutral atmosphere parameters at heights up to 26 km as well as to observe mesosphere summer echoes at heights near 85 km in the presence of charged ice particles (an increase in Schmidt number) and mesosphere winter echoes at heights near 65 km with increasing background electron density. Evaluation of radar resources at the IS mode in two height ranges 100–600 and 600–2000 km demonstrates that in the daytime and with the accumulation time of 10 min, the upper boundaries of electron density and ionospheric plasma temperature are ~1500 and ~1300 km respectively, with the standard deviation of no more than 10 %. The upper boundary of plasma drift velocity is ~1100 km with the standard deviation of 45 m/s. The estimation of interferometric capabilities of the MST radar shows that it has a high sensitivity to objects of angular size near 7.5 arc min, and its potential accuracy in determining target angles can reach 40 arc sec.
ВВЕДЕНИЕВ рамках проекта Национального гелиогеофизического комплекса планируется создание радара для комплексного исследования атмосферы. Высокая мощность излучения и большая апертура нового радара позволят изучать ионосферу методом некогерентного рассеяния (НР) и нейтральную атмосферу на высотах мезосферы − стратосферы − тропосферы (МСТ). Разработка радара осуществляется Радиотехническим институтом им. акад. Минца (РТИ), имеющим опыт проектирования радиолокационных установок. Проект радара основан на конструкции существующих установок, разработанных РТИ, и модифицируется в соответствии с задачами исследования атмосферы. Необходимо изучить конструктивные особенности нового радара НР-МСТ и оценить его научный потенциал.Основной задачей радара НР-МСТ является исследование структуры и динамики нейтральной атмосферы и ионосферы, а также взаимодействий между ними. Наблюдения нейтральной атмосферы включают измерение полного вектора скорости ветра, параметров турбулентности и атмосферных слоев на высотах тропосферы, стратосферы и мезосферы. Особый интерес представляют мезосферные эхо-сигналы [Rapp, Lubken, 2004], которые появляются в летнее и зимнее время, иногда сопровождаясь видимыми серебристыми облаками [Romejko et al., 2003]. МСТ-измерения включают также исследования метеоритов на высотах мезосферы и нижней термосферы, рассеяния на тепловых флуктуациях плазмы, атмосферных гравитационных волн и отражающих атмосферных слоев [Hocking, 2011]. Метод НР позволяет получать параметры ионосферной плазмы: электронную концентрацию, температуры ионов и электронов, ионный состав, скорость дрейфа плазмы на высотах 100-2000 км и наблюдать ионосферные неоднородности, когерентные эхо-сигналы, D-слой ионосферы. Таким образом, радар позволит исследовать физические процессы и связи в системе «нейтральная атмосфера − ионосфера − плазмосфера». В задачи радара входят также интерферометрические наблюдения тонкой структуры атмосферных неоднородностей и сосредоточенных целей (спутников, космического мусора и метеоритов), пассивные радиоастрономические наблюдения Солнца и космических радиоисточников. Национальный гелиогеофизический комплекс включает ряд оптических инструментов, которые будут размещаться рядом с радаром НР-МСТ и позволят расширить его диагностические возможности. Так, наблюдения нижней и средней атмосферы совместно с лидарными измерениями позволяют исследовать процессы переноса [Bertin et al., 2001].Всего в мире насчитывается около десяти радаров НР и двадцать крупных МСТ-радаров. За последние пять лет введены в строй такие инструменты, как МСТ-радар MAASRY в Норвегии [Latteck et al., 2012] и МСТ/НР-радар PANSY в Антарктиде [Sato et al., 2014]. Планируется создание многофункционального радара EISCAT-3D [McCrea et al., 2015]. По своим техническим характеристикам радар НР-МСТ не должен уступать современным установкам мирового уровня. В настоящее время планируется разместить радар вблизи о. Байкал, что позволит исследовать атмосферу и ионосферу над Восточной Сибирью − регионом, где раньше не было диагностического инструмента со столь широким высотным охватом, и дополнить мировую сеть радаров. Кроме того, это даст возможность осуществлять экологический мониторинг атмосферы вблизи озера.В статье рассматриваются конфигурация антенны и характеристики приемопередающей системы радара, оцениваются рабочий диапазон высот, потенциал при работе в режимах МСТ- и НР-наблюдений и возможности интерферометрических и радиоастрономических исследований.
Жеребцов Г.А., Заворин А.В., Медведев А.В. и др. Иркутский радар некогерентного рассеяния // Радиотехника и электроника. 2002. Т. 47, № 11. С. 1339-1345.Bertin F., Campistron B., Caccia J.L., Wilson R. Mixing processes in a tropopause folding observed by a network of ST radar and lidar. Ann. Geophys. 2001, vol. 19, pp. 953-963.Жеребцов Г.А., Потехин А.П., Куркин В.И. и др. Радиофизические и оптические инструменты Национального гелиогеофизического комплекса РАН // Распространение радиоволн: XXIII Всеросс. науч. конф. Йошкар-Ола, 23-26 мая 2011 г.: сб. докл. в 3-х тт. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. Т. 1. С. 47-54.Bowles K.L., Ochs G.R., Green J.L. On the absolute intensity of incoherent scatter echoes from the ionosphere. J. Res. of the National Bureau of Standards-D. Radio Propagation. 1962, vol. 66D, no. 4, pp. 395-407.Медведев А.В. Развитие методов и аппаратных средств радиофизических исследований верхней атмосферы Земли на Иркутском радаре некогерентного рассеяния: дис. … д.ф.-м.н. Иркутск, 2014. 225 с.Farley D.T. Multiple-pulse incoherent-scatter correlation function measurements. Radio Sci. 1972, vol. 7, no. 6, pp. 661-666. DOI: 10.1029/RS007i006p00661.Потехин А.П., Медведев А.В., Заворин А.В. и др. Цифровые системы регистрации и управления Иркутского радара некогерентного рассеяния // Солнечно-земная физика. 2008. Вып. 11. С. 77-86.Fukao S., Sato T., Tsuda T., et al. MU radar: New capabilities and system calibrations. Radio Sci. 1990, vol. 25, no. 4, pp. 477-485. DOI: 10.1029/RS025i004p00477.Терещенко В.А., Терещенко В.Д., Черняков С.М. Зимние полярные стратосферные облака 2010 года в высоких широтах // Вестник МГТУ. 2010. Т. 13, № 4/2. С. 1052-1059.Gavrilov N.M. Estimates of turbulent diffusivities and energy dissipation rates from satellite measurements of spectra of stratospheric refractivity perturbations. Atm. Chem. Phys. 2013, vol. 13, pp. 12107-12116. DOI: 10.5194/acp-13-12107-2013.Терещенко В.Д., Терещенко В.А., Ковалевич Т.В. Сезонные изменения полярного мезосферного эха средних радиоволн // Труды 20-й Всероссийской конференции по распространению радиоволн. Нижний Новгород, 2-4 июля 2002 г. Нижний Новгород: НИРФИ, 2002. С. 135-136.Hagen J.B., Baumgartner H.A. Backscatter gain of aperture antennas. Radio Sci. 1996, vol. 31, no. 4, pp. 693-699. DOI: 10.1029/96RS01095.Bertin F., Campistron B., Caccia J.L., Wilson R. Mixing processes in a tropopause folding observed by a network of ST radar and lidar // Ann. Geophys. 2001. V. 19. P. 953-963.Hocking W.K. Measurement of turbulent energy dissipation rates in the middle atmosphere by radar techniques: A review. Radio Sci. 1985, vol. 20, no. 6, pp. 1403-1422. DOI: 10.1029/RS020i006p01403.Bowles K.L., Ochs G.R., Green J.L. On the absolute intensity of incoherent scatter echoes from the ionosphere // J. Res. National Bureau of Standards-D. Radio Propagation. 1962. V. 66D, N 4. P. 395-407.Hocking W.K. Recent advances in radar instrumentation and techniques for studies of the mesosphere, stratosphere and troposphere. Radio Sci. 1997, vol. 32, no. 6, pp. 2241-2270. DOI: 10.1029/97RS02781.Farley D.T. Multiple-pulse incoherent-scatter correlation function measurements // Radio Sci. 1972. V. 7, N 6. P. 661-666. DOI: 10.1029/RS007i006p00661.Hocking W.K. A review of mesosphere-stratosphere-troposphere (MST) radar developments and studies, circa 1997-2008. J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2011, vol. 73, pp. 848-882. DOI: 10.1016/j.jastp.2010.12.009.Fukao S., Sato T., Tsuda T., et al. MU radar: New capabilities and system calibrations // Radio Sci. 1990. V. 25, N 4. P. 477-485. DOI: 10.1029/RS025i004p00477.Kantha L., Hocking W. K. Dissipation rates of turbulence kinetic energy in the free atmosphere: MST radar and radiosondes. J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2011, vol. 73, pp. 1043-1051. DOI: 10.1016/j.jastp.2010.11.024.Gavrilov N.M. Estimates of turbulent diffusivities and energy dissipation rates from satellite measurements of spectra of stratospheric refractivity perturbations // Atm. Chem. Phys. 2013. V. 13. P. 12107-12116. DOI: 10.5194/acp-13-12107-2013.Latteck R., Singer W., Rapp M., et al. MAARSY: The new MST radar on Andøya - System description and first results. Radio Sci. 2012, vol. 47, RS1006. DOI: 10.1029/ 2011RS004775.Hagen J.B., Baumgartner H.A. Backscatter gain of aperture antennas // Radio Sci. 1996. V. 31, N 4. P. 693-699. DOI: 10.1029/96RS01095.Lübken F.-J. Turbulent scattering for radars: A summary. J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2014, vol. 107, pp. 1-7. DOI: 10.1016/j.jastp.2013.10.015.Hocking W.K. Measurement of turbulent energy dissipation rates in the middle atmosphere by radar techniques: A review // Radio Sci. 1985. V. 20, N 6. P. 1403-1422. DOI: 10.1029/ RS020i006p01403.Lübken F.-J., Rapp M., Blix T., Thrane E. Microphysical and turbulent measurements of the Schmidt number in the vicinity of polar mesosphere summer echoes. Geophys. Res. Lett. 1998, vol. 25, no. 6, pp. 893-896.Hocking W.K. Recent advances in radar instrumentation and techniques for studies of the mesosphere, stratosphere and troposphere // Radio Sci. 1997. V. 32, N 6. P. 2241-2270. DOI: 10.1029/97RS02781.Lübken F.-J., Singer W., Latteck R., Strelnikova I. Radar measurements of turbulence, electron densities, and absolute reflectivities during polar mesosphere winter echoes (PMWE). Adv. Space Res. 2007, vol. 40, pp. 758-764. DOI: 10.1016/ j.asr.2007.01.015.Hocking W.K. A review of mesosphere-stratosphere-troposphere (MST) radar developments and studies, circa 1997-2008 // J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2011. V. 73. P. 848-882. DOI: 10.1016/j.jastp.2010.12.009.Medvedev A.V. Медведев А.В. Razvitie metodov i apparatnykh sredstv radiofizicheskikh issledovanii verkhnei atmosfery Zemlina Irkutskom radare nekogerentnogo rasseyaniya [Development of methods and hardware of radiophysical investigations of Earth’s upper atmosphere at the Irkutsk Incoherent Scatter Radar]. Dr. Phys. and Math. Sci. Diss. Irkutsk, 2014. 225 p. (In Russian).Kantha L., Hocking W. K. Dissipation rates of turbulence kinetic energy in the free atmosphere: MST radar and radiosondes // J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2011. V. 73. P. 1043-1051. DOI: 10.1016/j.jastp.2010.11.024.McCrea I., Aikio A., Alfonsi L., et al. The science case for the EISCAT_3D radar. Progress in Earth and Planetary Science. 2015, vol. 2. DOI: 10.1186/s40645-015-0051-8.Latteck R., Singer W., Rapp M., et al. MAARSY: The new MST radar on Andøya - System description and first results // Radio Sci. 2012. V. 47. RS1006. DOI: 10.1029/ 2011RS004775.Murdin J. Errors in incoherent scatter radar meas-urements. EISCAT Technical Note. 1979, no. 79/16, 40 p.Lübken F.-J. Turbulent scattering for radars: A summary // J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2014. V. 107. P. 1-7. DOI: 10.1016/j.jastp.2013.10.015.Potekhin A.P., Medvedev A.V., Zavorin A.V., et al. Recording and control digital systems of the Irkutsk Incoherent Scatter Radar. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2008, iss. 11, pp. 77-86. (In Russian).Lübken F.-J., Rapp M., Blix T., Thrane E. Microphysical and turbulent measurements of the Schmidt number in the vicinity of polar mesosphere summer echoes // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25, N 6. P. 893-896.Rapp M., Lübken F.-J. Polar mesosphere summer echoes (PMSE): Review of observations and current understanding. Atmos. Chem. Phys. 2004, vol. 4, pp. 2601-2633. DOI: 10.5194/ acp-4-2601-2004.Lübken F.-J., Singer W., Latteck R., Strelnikova I. Radar measurements of turbulence, electron densities, and absolute reflectivities during polar mesosphere winter echoes (PMWE) // Adv. Space Res. 2007. V. 40. P. 758-764. DOI: 10.1016/ j.asr.2007.01.015.Rapp M., Strelnikova I., Latteck R., et al. Polar mesosphere summer echoes (PMSE) studied at Bragg wavelength of 2.8 m, 67 cm, and 16 cm. J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2008, vol. 70, pp. 947-961. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.11.005.McCrea I., Aikio A., Alfonsi L., et al. The science case for the EISCAT_3D radar // Progress in Earth and Planetary Science. 2015. V. 2. DOI: 10.1186/s40645-015-0051-8.Romejko V.A., Dalin P.A., Pertsev N.N. Forty years of noctilucent cloud observations near Moscow: Database and simple statistics. J. Geophys. Res. 2003, vol. 108, no. D8, pp. PMR 10-1-10-6. DOI: 10.1029/2002JD002364.Murdin J. Errors in incoherent scatter radar measurements // EISCAT Technical Note. 1979. N 79/16. 40 р.Sato K., Tsutsumi M., Sato T., et al. Program of the Antarctic Syowa MST/IS radar (PANSY). J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2014, vol. 118, pp. 2-15. DOI: 10.1016/j.jastp.2013.08.022.Rapp M., Lübken F.-J. Polar mesosphere summer echoes (PMSE): Review of observations and current understanding // Atmos. Chem. Phys. 2004. V. 4. P. 2601-2633. DOI: 10.5194/ acp-4-2601-2004.Shpynev B.G. Incoherent scatter Faraday rotation measurements on a radar with single linear polarization. Radio Sci. 2004, vol. 39, RS3001. DOI: 10.1029/2001RS002523.Rapp M., Strelnikova I., Latteck R., et al. Polar mesosphere summer echoes (PMSE) studied at Bragg wavelength of 2.8 m, 67 cm, and 16 cm // J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2008. V. 70. P. 947-961. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.11.005.Strelnikov B., Rapp M., Strelnikova I., et al. Small-scale structures in neutrals and charged aerosol particles as observed during the ECOMA/MASS rocket campaign. Ann. Geophys. 2009, vol. 27, pp. 1449-1456. DOI: 10.5194/angeo-27-1449-2009.Romejko V.A., Dalin P.A., Pertsev N.N. Forty years of noctilucent cloud observations near Moscow: Database and simple statistics // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, N D8. P. PMR 10-1-10-6. DOI: 10.1029/2002JD002364.Strelnikova I., Rapp M. Studies of polar mesosphere summer echoes with the EISCAT VHF and UHF radars: Information contained in the spectral shape. Adv. Space Res. 2010, vol. 45, pp. 247-259. DOI: 10.1016/j.asr.2009.09.007.Sato K., Tsutsumi M., Sato T., et al. Program of the Antarctic Syowa MST/IS radar (PANSY) // J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2014. V. 118. P. 2-15. DOI: 10.1016/j.jastp.2013.08.022.Tereshchenko V.A., Tereshchenko V.D., Chernyakov S.M. Winter polar stratospheric clouds at high latitudes in 2010. Vestnik MGTU [Bulletin of Moscow State Technical University]. 2010, vol. 13, no. 4/2, pp. 1052-1059. (In Russian).Shpynev B.G. Incoherent scatter Faraday rotation measurements on a radar with single linear polarization // Radio Sci. 2004. V. 39. RS3001. DOI: 10.1029/2001RS002523.Tereshchenko V.D., Tereshchenko V.A., Kovalevich T.V. Seasonal variations of polar mesospheric echo of medium radio waves. Proc. 20th National Conference on Radio Wave Propagation. Nizhny Novgorod, July 2-4, 2002. Nizhny Novgorod: NIRFI, 2002, pp. 135-136. (In Russian).Strelnikov B., Rapp M., Strelnikova I., et al. Small-scale structures in neutrals and charged aerosol particles as observed during the ECOMA/MASS rocket campaign // Ann. Geophys. 2009. V. 27. P. 1449-1456. DOI: 10.5194/angeo-27-1449-2009.Von Zahn U., Bremer J. Simultaneous and common-volume observations of noctilucent clouds and polar mesosphere summer echoes. Geophys. Res. Lett. 1999, vol. 26, no. 11, pp. 1521-1524.Strelnikova I., Rapp M. Studies of polar mesosphere summer echoes with the EISCAT VHF and UHF radars: Information contained in the spectral shape // Adv. Space Res. 2010. V. 45. P. 247-259. DOI: 10.1016/j.asr.2009.09.007.Watkins B.J., Philbrick C.R., Balsley B.B. Turbulence energy dissipation rates and inner scale sizes from rocket and radar data. J. Geophys. Res. 1988, vol. 93, no. D6, pp. 7009-7014.Von Zahn U., Bremer J. Simultaneous and common-volume observations of noctilucent clouds and polar mesosphere summer echoes // Geophys. Res. Lett. 1999. V. 26, N 11. P. 1521-1524.Zeller O., Zecha M., Bremer J., et al. Mean characteristics of mesosphere winter echoes at mid- and high latitudes. J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2006, vol. 68, pp. 1087-1104. DOI: 10.1016/j.jastp.2006.02.015.Watkins B.J., Philbrick C.R., Balsley B.B. Turbulence energy dissipation rates and inner scale sizes from rocket and radar data // J. Geophys. Res. 1988. V. 93, N D6. P. 7009-7014.Zherebtsov G.A., Zavorin A.V., Medvedev A.V., et al. The Irkutsk Incoherent Scatter Radar. Radiotekhnika i electronika [J. of Communications Technology and Electronics]. 2002, vol. 47, no. 11, pp. 1339-1345. (In Russian).Zeller O., Zecha M., Bremer J., et al. Mean characteristics of mesosphere winter echoes at mid- and high latitudes // J. Atm. and Solar-Terr. Phys. 2006. V. 68. P. 1087-1104. DOI: 10.1016/j.jastp.2006.02.015.Zherebtsov G.A., Potekhin A.P., Kurkin V.I., et al. Radiophysical and optical instruments of the National Heliogeophysical Complex of RAS. Radiowave Propagation. Proc. XXIII National Scientific Conference. Yoshkar-Ola, May 23-26, 2011. Yoshkar-Ola: MarGTU, 2011, vol. 1, pp. 47-54. (In Russian).Zrnic D. Estimation of spectral moments for weather echoes // IEEE Trans. Geoscience Electronics. 1979. V. GE-17, N 4. P. 113-128. DOI: 10.1109/TGE.1979.294638.Zrnic D. Estimation of spectral moments for weather echoes. IEEE Trans. Geoscience Electronics. 1979, vol. GE-17, no. 4, pp. 113-128. DOI: 10.1109/TGE.1979.294638.