中频雷达用于探测大气的中层和低热层(MLT)区域,是该区域风场及电子密度数据的重要来源。目前国际上已有三十多部中频雷达投入使用,主要分布在北美、澳大利亚、日本和南极大陆等国家和地区。中频雷达的探测数据已经成功应用于大气模型建立、大气动力学研究、航天工程气象保障等方面。武汉中频雷达是我国独立研制的首部中频雷达。雷达采用全固态发射机、直接数字式接收机、Y形倒V天线阵。可在远程控制下进行连续观测,能够实时提供60-100km高度范围的水平风场和电子密度数据。该雷达建成后不仅能为我国MLT区域的研究提供数据,也能为我国中高层大气观测设备的研制积累经验。本论文涉及武汉中频雷达研制的设计方案和关键技术研究。主要研究成果体现如下：(一)依据武汉中频雷达设计要求,提出了武汉中频雷达的总体设计方案、关键技术指标以及主要分系统方案。通过对中频雷达的技术特点和国外研究成果的详尽分析,结合中频雷达数据处理分析的结果,本论文为武汉中频雷达设计了更为合理和灵活的工作参数。该设计方案可根据雷达实际的回波特征和环境特征灵活调整雷达的运行参数。这种方案可有效降低设计风险,保证探测质量。本论文对数据处理分系统的设计采用了混合编程的思路——雷达数据处理算法和雷达软件在不同的平台上进行开发。这种方案既可以利用已经成熟的雷达软件系统来保证系统稳定性,又可以利用新兴的科学工程软件加快算法开发,从而保证雷达在较长时期内具有先进性。本论文对雷达硬件系统的设计主要考虑了灵活性和可靠性的要求。为了满足工作参数在线调整的要求,方案中使用了较多的数字设备,如采用直接数字式雷达接收机方案和可编程DDS激励源方案。为满足长期连续运行对可靠性的要求,方案不仅使用了全固态发射机和全分布式功率合成方案,而且加入了更多的机内测试设备(BITE)和现场可更换单元(LRU)(二)武汉中频雷达天线阵的设计与参数分析。武汉中频雷达天线阵设计为Y形倒V天线阵。本论文对该天线阵的设计主要涉及到三角尺度效应、天线阵方向图、天线阻抗、天线间耦合度、天线极化等因素。三角尺度效应的分析主要从两个方面进行：(1)天线阵尺度、互相关曲线最大值校正误差与FCA风场计算误差三者间的关系；(2)天线阵尺度对数据采信率的影响。分析结果表明：提高数据采信率需要天线阵尺度小于衍射图尺度；在满足天线阵尺度小于衍射图尺度的条件下,选择较大的天线阵尺度将有助于提高测风精度；当天线阵尺度为190m时,超过95%的实例满足衍射图尺度大于天线阵尺度的条件。因此,推荐武汉MF雷达天线阵尺度选择190m。对天线阵方向图、天线阻抗和天线间耦合度的分析基于FEKO仿真计算结果。分析结果表明：Y形倒V天线阵的主天线塔和小天线塔高度越高,天线增益越高。但主天线塔和小天线塔高度差不能过大,过大会导致天线阵的垂直波瓣分裂。天线振子的长度会影响天线阻抗的虚部。最终天线阵推荐设计参数为：主天线塔高度20m,小天线塔高度6m,天线振子长度L设为略小于λ/2。Y形倒V天线阵的平均耦合度为-22.2945dB,耦合情况并不严重。Y形倒V天线阵与传统的三角形天线阵和Y形平拉天线阵的对比分析结果表明：本论文设计的武汉中频雷达Y形倒V天线阵不仅可以满足探测需求,具有增益高、波瓣窄、耦合度低等特点,而且架设和维护方便,可大大节省工程造价。(三)武汉中频雷达探测大气风场算法研究。武汉中频雷达采用空分天线(SA)模式测量大气风场,算法采用FCA算法和SCA算法。本论文首先通过Holdsworth散射模型深入分析了FCA算法时间-空间相关函数在不同条件下的变化,随后在时间-空间相关函数假设的基础上分析了视在速度和真实速度的关系。分析结果表明：风场速度、随机扰动强度和散射体分布都会改变时间-空间相关函数的分布,而随机扰动和散射体不等轴分布是造成视在速度不等于真实速度的重要原因。本论文分析了数据长度、信噪比和天线阵尺度对FCA算法的影响,并依据分析结论推荐武汉中频雷达数据长度为512,信噪比阈值为-3dB。(四)武汉中频雷达电子密度反演算法研究。武汉中频雷达设计为使用圆极化波代替椭圆极化波进行O波和X波试验,所以本论文对由此产生的DAE计算误差进行了深入分析和仿真计算。分析结果表明：圆极化波代替椭圆极化波会导致O波和X波混叠。而混叠的结果会造成70km以上电子密度估计值明显增大。本论文提出通过修正回波幅度比的方法解决DAE计算误差的问题,并通过仿真计算验证了该方法的有效性。(五)本论文对武汉中频雷达FCA、SCA和DAE算法组件进行了验证计算。对照数据为国外同类型雷达探测数据和对应组件的计算结果。对比结果表明：武汉中频雷达算法组件有效、可靠,可满足雷达探测数据处理要求。