地球空间环境包括中性和电离状态的地球高层大气、地球外部磁场及影响它们的太阳辐射,其与人类的生存与活动密切相关。地球空间环境涉及稀薄气体物理学,气体的导电性质,大气光化学,各种能量的粒子及其电磁辐射,以及磁化等离子体的行为。对于地球空间环境的探测研究和实际利用对于无线电通信、空间天气学、国防建设等等具有十分重要的意义。随着中国航天和空间技术的发展,对自主空间环境保障提出了日益迫切的需求,我国“十一五”中期投资建设了“子午工程”,其是是利用东经120度子午线附近,北起漠河、经北京、武汉,南至海南并延伸到南极中山站,以及东起上海、经武汉、成都、西至拉萨的沿北纬30度纬度线附近现有的15个监测台站,建成一个以链为主、链网结合的,运用地磁(电)、无线电、光学和探空火箭等多种手段,能够在地面持续运行的、综合性的、跨区域的大型空间环境观测网络。本文介绍的武汉 MST 雷达(Wuhan Mesosphere,Stratosphere,and Troposphere radar,Wuhan MST radar)和海南相干散射雷达(Hainan COherent Scatter Phased Array Radar,HCOPAR)都是隶属于子午工程的两部大型地基空间探测系统。武汉大学于2001年开始研制地基电离层探测系统。武汉电离层斜向返回探测系统(Wuhan Ionospheric Oblique Backscattering Sounding System,WIOBSS)的原型机于2003年研制成功。之前的WIOBSS系统都是单通道的电离层探测系统,本文在WIOBSS的基础上设计并实现了一部基于对数周期天线阵列的多通道电离层发射系统(Wuhan Ionospheric Backscattering Sounding System with the Addition of an Antenna Array,WIOBSS-AA),WIOBSS-AA 是 WIOBSS 系列中最新的设备。在2015年,该系统成功的进行了超宽区域电离层探测实验。本文的工作主要包括以下三个部分:1、应用天线仿真软件详细分析了三部雷达系统的天线阵列天线系统是雷达的核心和灵魂。本文应用专业的电磁仿真软件Computer Simulation Technology MICROWAVE STUDIO(CST MWS)设计分析了电离层斜向返回探测系统对数周期天线阵列、武汉MST雷达八木天线阵列和海南VHF电离层相干散射雷达系统天线阵列的辐射波瓣特性参数;分析了各个雷达系统天线阵列波束扫描的特性参数。WIOBSS-AA是一个应用相控阵技术的多通道无线电系统。该系统由5副对数周期天线构成。天线阵列形成了五个不同方向上的波束,分别为345°、330°、315°、300°和285°(逆时针方向),可以探测雷达西北方位的区域。武汉MST雷达是一个包含576个八木天线单元的有源相控阵雷达,工作频率为53.8MHz。三单元的八木天线放置在边长为96m的正方形区域,形成口径面积为9216 m2。这种天线布局形成五个对称的雷达波束,天顶、东、西、南和北波束,波束宽度为3.2°,最大定向性增益为34.8dB,总峰值功率为172kW。倾斜波束的倾斜角度为0-20°可调,调节步进为1°。整个天线阵列形成的雷达口径为 3.2×108 Wm2。HCOPAR是一个峰值功率为54kW,采用巴克码的的相干散射雷达。其天线阵列收发一体,包含18×4个五单元八木天线。天线阵列放置在长100m,宽20 m的矩形区域内,覆盖面积为2000 m2。这种天线阵列可以在方位角上形成-22.5°到22.5°,步进为7.5°的7个波束。2、介绍并分析了三部雷达系统的硬件平台WIOBSS-AA是一个多通道的发射系统,该系统主要由发射分系统,接收分系统,和时频同步单元组成。系统工作在高频段。通过上位机软件控制系统参数可以灵活的配置。武汉MST雷达系统工作在甚高频段,其主机主要由全固态发射系统、数字接收系统、波束控制系统、信号处理系统、数据处理及产品生成系统、用户终端等组成。海南VHF电离层相干散射雷达系统同样工作在甚高频段,其采用了分布式有源相控阵结构,包含72个有源数字收发单元。收发单元由收发组件和前端数字单元构成。各个收发单元通过以太网连接到网络交换机,主控计算机可以直接访问控制收发单元,各单元通过时钟同步系统相参性的工作。3、基于三部雷达系统平台,开展了探测实验并进行了应用研究。基于电离层斜向返回探测系统,应用相控阵和伪随机调相技术,开展了超宽区域的电离层探测研究。WIOBSS-AA应用斜向返回探测技术来监测位于发射站点西北方位的电离层。在超宽区域电离层的探测实验中,WIOBSS-AA周期性的发射相位调制脉冲信号,在发射脉冲信号的间隙来接收回波信号。应用相控阵天线技术,WIOBSS-AA实现了对数周期天线阵列合成波束的电扫描,来获取不同方位角度上的电离层斜向返回探测回波信息,提取斜向返回探测扫频电离图的前沿数据,应用电离层斜向返回探测的反演算法即可以得到各个探测方向上的电离层电子密度沿探测路径分布的信息。再利用二维插值算法即可绘制出整个探测扇形区域范围内电离层的状态信息。基于武汉MST雷达系统,应用多普勒波束扫描,开展了对流层、平流层和中间层的大气风场探测实验。武汉MST雷达属于采用阵列天线技术的风廓线雷达,通过有源相控阵技术,形成了东、西、南、北、天顶五个方向的雷达波束,雷达系统接收这五个方向的大气湍流散射信号,通过合并各个波束方位上的信号可以得到对流层、平流层和中间层风场的分布信息。HCOPAR有两个基本的观测模式,第一个是固定波束模式,第二个是波束扫描模式。以固定波束模式对电离层E层和F层的不均匀体进行连续性的观测,可以得到高时间分辨率的探测数据。在波束扫描模式中,根据不同方向的雷达信号平均功率谱,可以绘制出电离层不规则体的纬向漂移的行为特征。4、结合台湾中坜电离层天线阵列的经验,提出海南VHF雷达的改造升级方案。我国台湾中坜电离层甚高频相干散射雷达包含三个一致的天线阵列、发射机和接收机模块。其天线阵列由三座32副八木天线阵列构成品字形的等腰三角形,这种不共轴天线阵列的结构可以应用干涉法来反演电离层场向不均匀体的三维空间结构,结合中坜电离层天线阵列的经验,提出了 HCOPAR的升级改造方案。