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文丨怪兽乱蹦跶

【引子】

超等双极光雷达汇注当今是由三十多个高频雷达组成的，把两个半球从中纬度到极地那片区域齐给笼罩了。其主要职责便是给电离层等离子体轮回画个图，给出太阳风和近地空间等离子体环境互相作用的相关信息。决定雷达数据质地的一个主要要素便是信噪比。

【超等双极光雷达汇注】

超等双极光雷达汇注是个有三十多个高频雷达的群众汇注，其职责频率在 8 到 20 兆赫，是为了筹议北半球与南半球的高纬度电离层等离子体环流。雷达能检测到来自十米级电子密度结构的反向散射，这些结构可作为 EB 电离层等离子体在 E 区和 F 区高度漂移的跟踪物。

雷达会定时去检测那些来自电离层折射的、雷达信号照到地球名义所产生的大地散射回波，还有高度好像在 90 到 100 千米的流星等离子体轨迹的反向散射。

雷达回波能给出一些紧迫信息，是对于被太阳步履以及大气能源学股东的高层大气物理过程的，像高纬度地区的群众等离子体环流、亚暴、磁流体能源波还有重力波的时空构造啥的。

SuperDARN 数据容易被噪声过问，得把这些影响精准地量化出来，这么才气去评估数据质地，也能准确估算测量瑕玷。在圭臬的 SuperDARN 数据分析软件里，便是阿谁叫雷达软件用具包的，其中有个叫 FITACF 的包分两步来干这些事儿，包含数据事先筛选和瑕玷盘算推算。

在预选的时候，这个软件包会把不合适物理酷好数据的那一组有训戒圭臬的纪录从进一步分析里去掉。有些预选的纪律用上了对噪声水平的盘算推算估算值。要对通过预选的数据作念测量瑕玷估算。噪声估算还被用来信服频频被作为数据质地方针的信噪比。

因为雷达里面电子电路里的热噪声水平跟外部源所产生的热噪声水平比起来频频没啥大不了的，HF 无线电噪声属于戒指 SuperDARN 数据居品性量的主要要素当中的一个。

在 SuperDARN 的职责频率那处，无线电噪声是从当然和东谈主为方面来的。主要的当然噪声起源便是大气噪声，这是由中低地舆纬度上的闪电步履弄出来的，还通过电离层和地表不休“反射”，在地球驾御传开来。

大气噪声有着日夜和季节的变化，这是受电离层传播条款以及闪电步履群众散播所抑止的，而这些变化能用 SuperDARN 雷达去不雅测到。

SuperDARN 频率那一块儿的东谈主为噪声有来自别的无线电安设的信号，还有隔邻电子和电气开辟弄出来的无线电辐射。这东谈主为噪声对于雷达站点的位置超越有针对性，况且可能是某些 SuperDARN 雷达的主要噪声起首。

虽说大气 HF 噪声对收到的反向散射质地有不好的影响，可它也含有跟电离层条款相关的有用信息呢。近来在借助 SuperDARN 雷达的配景噪声测量去监测由空间天气事件激勉的电离层无线电波衰减上有了发达。

【SuperDARN联想与运行】

SuperDARN 是那种职责在 8 到 20MHz 频率段的频率捷变相控阵雷达。每一个雷达齐装了个由 16 个对数周期或者双端折叠偶极天线组成的线性阵列，这些天线用电子的神志来定相，从而弄出场地角相比窄的主瓣。对大渊博雷达来说，主瓣相接在 16 个固定的场地角标的指引，中断绝 3.24°，就有了好像 52°的总场地角视线。

渊博 SuperDARN 雷达还装了那种就由四个元件组成的无源援手插手仪天线阵呢，在主 16 元件阵列好像往前和往后 100 米的地方。主阵列跟插手仪阵列收到信号之间的相位差是用来测收到信号的垂直到达角的。

在圭臬操作模式时，雷达在 180 公里到好像 3500 至 4000 公里的阿谁组的范围内，以 45 公里这么的步长顺着每个波束标的去进行采样，沿着波束能造成 70 到 110 个距离单位。

要终了画图电离层等离子体环流所要的范围跨度与数据采样率，雷达就辐照一串七个或者八个断毫不匀的脉冲，从而产生一连串相接的、断绝均匀的时期滞后，时时断绝在 0 到 35 到 40 毫秒，给每个距离门弄出个复值自协方差函数。

为了让统计波动的幅度变小，ACF 要在每个光束方进取的 3.5 或者 7 秒这段时期里取平均，通盘 FoV 的圆善扫描要在 1 或者 2 分钟内弄完。主阵列和插手仪阵列之间的交叉协方差函数亦然用雷同的观念去盘算推算，并用换取的形状存起来。虽说这些数据能靠往日三十年搞出来的很多技巧去向理。

【噪声级揣度】

领先的噪声水平是由 10 个最弱范围的平均反向散射滞后零功率来信服的，可没给啥进一步的诠释或者情理。虽说 FITACF 从有了之后就履历了大改，不外最新的默许版块 FITACF2.5 知道，本色上圈套今平均噪声水平是按在给定积分断绝那段时期里不雅察到的滞后零功率的 10 个最低值来估算的。

噪声功率水谢却雷达辐照机制不关键，通盘距离门的均值跟圭臬差齐雷同。那 10 个有最低滞后零功率值的距离门里来自反向散射复返的孝顺能忽略不计，便是说，它们的 ACF 隧谈是由噪声来界定的。这 10 个距离门的滞后零功率平均值便是对噪声功率的准确揣度。

一个 SuperDARN 脉冲序传记统的辐照和罗致周期是 0.1 秒，针对 3 秒这种典型的积分时期，平均序列的数目 Na 差未几是 30。

在通盘距离门里，滞后零功率就唯有噪声。雷达辐照的时候，就唯有噪声的距离门数目比距离门总和要少，因为有一些是包含彰着的反向散射重量的。在这情形下，10 个最低的滞后零功率值能代表总噪声散播里更大的那部分，能弄出更大的 p10 值，耕作更小的校阅因子 Q。

经管这个问题的一个保守观念便是用上校阅因子 Q all 的最大可能值，这种情况出当今通盘距离门齐仅仅有噪声的时候。

虽说把 Q all 用到有反向散射的本色数据上会让噪声水平被高估，可这种高估远比给 10 个最低滞后零功率值作念平均所带来的低估要小得多。这是基于卡方和高斯模子的依存性。变量值是从 2014 年 4 月 15 日到 19 日 SAS 数据集结相接距离门的阿谁子集赢得到的。

【雷达运行及过问影响】

数据集结噪声的散播差未几是高斯散播，圭臬差跟成正比。SuperDARN操作模式的联想还有特定站点的技巧问题会彰着让噪声散播阵势发生篡改，对噪声级揣度的准确性有影响。

噪声功率的 PDF 是高斯阵势的，在 Na 不小于 20 时适用，是以对渊博那种典型的 Na 不小于 30 的 SuperDARN 数据齐适用。SuperDARN 运行的头一个十年里，雷达频频按两分钟的扫描握续时期来运行，能给每波束好像 7 秒的积分周期，况且 Na 等于 70。好像在 2007 年的时候，圭臬扫描握续时期降到了一分钟，以此来擢升数据居品的采样率。

就那唯有 Na 等于 30 到 35 个脉冲序列能用于单个 ACF 作念平均的 16 波束雷达来说，积分周期齐降到好像 3.5 秒了。有些雷达当今用多达 24 个波束在运行呢，这就进一步让平均数目减到 25 了，这应该就会弄出更宽的噪声 PDF 还有更长的高功率“尾巴”来。

雷达抑止纪律联想里可能对噪声水平信服有影响的另一个方面，便是距离门的数目以及空间范围，这俩一块儿决定了雷达采样的组距离跨度。

雷达变成圭臬的 45 公里距离隔离率啦，距离门数已经那样，噪声功率猛地下跌了。出现这情况便是因为在远地方由噪声占主导的距离门相对数目大大增多了，当今能把噪声水平给正确揣度出来了。

在很大的组范围跨度那处进行采样，从而得到进取 10 个仅仅有噪声的范围门，这很紧迫。反向散射复返的范围能达到 1500 公里以至更多，得联想高空间隔离率模式去对比例更大的距离门采样。

SuperDARN 雷达用雷同的天线去传和收无线电信号。这就默示从罗致器出来的跟脉冲传输一致的那些样本没啥有用信息，因为罗致器通谈被“遮住”了，是为了不让传输信号把罗致器电子开辟弄坏。通盘的 FITACF 版块齐是靠排撤除在脉冲传输时测量的罗致器样本造成的 ACF 时期滞后，来经管这个“消隐”过程。

虽说这么的拒却让分析数据的量减少了，可已经能把模子函数跟剩下的非零滞后进行拟合，从而找回需要的回波性情。零滞后功率在雷达操作软件里有超越经管，为的是保证在通盘距离门那齐能得到可靠的揣度。

前两个脉冲被很大的时时断绝给分开了，这么能对差未几通盘距离门齐进行采样。进取了各自的最大范围后，为了减弱这影响，对于比 Rmax 还远的那些范围，这软件用了滞后零功率的替代值。而 Rmax 的值是由脉冲序列联想决定的，超越是到第一个距离门的时时断绝以登科一和第二个脉冲间的时时断绝。

北海谈东部那雷达的滞后零功率的距离门 66 还有 109 里的滞后零功率值，比好像 10 个 au 的标称噪声水平要低一个数目级还多呢。在这些距离门里测滞后零功率的时候，雷达罗致器被消隐了，不外没使用替代性的滞后零幂。

因为从消音罗致器样本算出的滞后零功率值比标称的噪声水平低很多，是以它们总是处在用来信服噪声水平的那 10 个最低滞后零功率值当中。

虽说这种“显豁”频率搜索能挺有用地正式来私用相接波模式的 HF 无线电辐照机的一直过问，可因为那 30 到 50 毫秒相比短的采样时期，它没法很好地幸免短时期的无线电辐照。

它能被认作是时期范围域里高功率的垂直“条纹”。很多“条纹”齐随着噪声水平擢升了，这就证明过问对通盘范围的滞后零功率齐有影响。

短期过问的影响巧合能在数据经管职责经过刚运转时，通过拿中值去替换平均 ACF 滞后时的平均值来缩小，毕竟中值对畸形值敏锐得多。但把中值用到没受过问影响的数据上得着重点，因为它会让圭臬差比用平均值得到的圭臬差高不少。

【回归】

圭臬的 SuperDARN 数据分析软件会系统性地把噪声水平低估差未几 40%呢。出现这种低估情况，是由于软件就只用总噪声散播的低功率尾部去判定噪声水平，致使被错当成有用反向散射回波的噪声数据量大大增多了。这么的欺压有可能对更高等的 SuperDARN 数据居品性量有影响。

不同雷达的噪声欺压进程能辞别大哥了。这给把多个雷达的数据整合成一个数据居品带来了贫寒。在扣问不同雷达之间反向散射出现情况时，对通盘雷达齐适用的 SNR 阈值超越关节，因为 SNR 常被用来挑拣有用的反向散射数据。

参考的文件：

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