CN103698758A

CN103698758A - 数字电离层测高仪

Info

Publication number: CN103698758A
Application number: CN201310750550.0A
Authority: CN
Inventors: 方广有; 王顺; 张锋; 宫兆前; 陈紫微
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-04-02

Abstract

本发明公开了一种数字电离层测高仪，其进行电离层探测和数据接收处理，其中，数字下变频处理单元包括数字混频器、积分抽取滤波器、补偿滤波器和可编程滤波器，由数模转换器量化后的信号和频率合成单元所产生的正弦本地振荡器信号、余弦本地振荡器信号输入到数字混频器中，数字混频器的输出信号输入到积分抽取滤波器中，积分抽取滤波器对混频后的信号进行预定倍数的抽取和低通滤波处理，补偿滤波器对积分抽取滤波器的输出信号进行幅度补偿，并由可编程滤波器进一步做抽取滤波处理。从而有效消除了模拟下变频所带来的I、Q通道不平衡的影响。

Description

数字电离层测高仪

技术领域

本发明涉及空间电离层无线电探测技术领域，尤其涉及一种基于软件无线电思想的电离层测高仪。

背景技术

电离层垂直探测是用高频无线电波从地面对电离层进行日常观测的技术。这种技术使用的探测设备称为电离层测高仪(或称为垂测仪)。它垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，在同一地点接收这些脉冲的电离层反射信号，测量出电波往返的传递时延，从而获得反射高度与频率的关系曲线。这种曲线称为频高图或垂测电离图。

这种探测方法是美国G.布赖特和M.A.图夫二人于1925年发明的，至今仍是电离层探测的最基本的手段。

电离层垂直探测要实现电波调制、编码、发射、接收和分析计算，由于现代电离层测高仪使用了大量高速数字电路和数字信号处理技术，又经常被称为电离层数字测高仪。随着空间环境实时监测和预报的需要和现代网络通信技术的发展，实现电离层测高仪的数字化、自动化和网络化已成为现代电离层探测的发展趋势和方向。

电离层测高仪实质上是一台短波脉冲雷达，通常由发射机、接收机、天线、频率合成器、显示记录器、程序控制器等组成。其工作频率可在整个短波波段的频率范围(0.5～30兆赫)内连续改变。电离层测高仪在进行探测时，发射机的高频脉冲振荡通过天线垂直向上辐射，不计碰撞和地磁场的影响，根据阿普顿-哈特里公式(公式1.1)，电离层介质的折射指数n为电离层反射最重要的参数，f为发射频率(兆赫)，对应于电离层中某一高度的电子密度值N(m^-3)各有一个f_N值。利用测高仪对电离层某层进行探测时，将发射机频率f由低值逐渐增高，当f＝f_N时，n＝0，电波就从与N相对应的高度反射回来。如果该层最大电子密度值为N_m，则从该层反射的电波最高频率f_N即为该层的临界频率。如果f>f_N，电波将穿过该层入射到更高的电离层次。当f的值足够高而使电波能穿过最高的层次时，这个频率即为整个电离层的穿透频率。

n^{2} = 1 - \frac{X}{1 - (\frac{{γ_{T}}^{2}}{2 (1 - x)}) μ \sqrt{{Y_{L}}^{2} + \frac{{γ_{T}}^{4}}{4 {(1 - x)}^{2}}}}

公式1.1

其中

X = \frac{{f_{N}}^{2}}{f^{2}} = \frac{N_{e} e^{2}}{4 π {&Element;}_{0} m f^{2}} = \frac{80.6}{f^{2}} N_{e}

Y = \frac{f_{H}}{f} = \frac{f_{H}}{f} = \frac{μ_{0} H_{0} | e |}{m 2 π} \frac{2}{f}

Y_{L} = \frac{f_{H}}{f} \cos θ = \frac{μ_{0} H_{0} | e |}{m 2 π} \frac{1}{f} \cos θ

Y_{T} = \frac{f_{H}}{f} \sin θ = \frac{μ_{0} H_{0} | e |}{m 2 π} \frac{1}{f} \sin θ

Z = \frac{V_{e}}{w}

f_N_等离子体频率 f_发射频率即电波频率

N_e_电子的数密度 e_电子电荷

m_电子质量 ∈₀_自由空间介电常数

θ_地磁场与波法线夹角 H₀_地磁场强度

f_H_磁旋频率 μ₀_自由空间磁导率

V_e_电子的有效碰撞频率

目前广泛应用的电离层测高仪设备主要有澳大利亚的IPS-71、加拿大的CADI、意大利的AIS-INGV、美国的DPS-4以及国内中电集团电子22所研制的测高仪系统等。CADI测高仪系统发射通道采用数字频率合成技术(DDS)实时产生发射波形，接收机采用两次模拟下变频的实现结构，下变频输出的模拟I、Q信号分别通过两个独立的ADC进行采样量化，量化后的数字信号送入上位机进行处理，该实现结构中模拟下变频处理容易造成I、Q两个通道的幅度和相位不平衡，从而影响最终的处理结果。AIS-INGV虽称为数字式电离层测高仪，但其在接收机设计上仍采用了超外差结构和多次模拟变频的实现方式，在对I、Q信号进行量化时与CADI相同，仍采用两个独立的ADC通道实现。DPS-4为数字化的电离层测高仪系统，其设计上采用了数字上、下变频芯片来实现波形合成和数字下变频功能，如采用的GC5016和AD9857芯片等，该设计消除了模拟下变频中I、Q通道不平衡的现象，但由于数字下变频芯片输出数据位宽有限，因此输出I、Q信号的动态范围就受到限制。如果能在采用数字化方案的同时提高下变频处理时输出信号的动态范围，将会改善数字式电离层测高仪的探测效果。

发明内容

本发明提供一种能在采用数字化方案的同时提高下变频处理时输出信号的动态范围的数字电离层测高仪(即，下文所述的“CAS-DIS(Chinese Academy of Sciences，Digital Ionosonde)数字电离层测高仪”)。

本发明的数字电离层测高仪，其进行电离层探测和数据接收处理，其特征在于，包括：

天线系统，其具备发射天线和接收天线，所述发射天线和所述接收天线中的每一个均采用两个相互正交的Delta天线；

控制信号产生单元，其根据配置参数生成相应的控制时序；

发射组件，其与所述发射天线相连，该发射组件所包含的频率合成单元在所述控制时序的控制下产生相位编码调制信号，该相位编码调制信号被放大后馈送到所述发射天线，并由所述发射天线向电离层发送；

接收组件，其与所述发射天线相连，所述接收组件对所述接收天线从电离层接收到的回波信号进行数字化和下变频处理；和

脉冲压缩处理及显控终端，其对来自接收组件的信号进行脉冲压缩处理及数据显示，

所述接收组件包括数模转换器和数字下变频处理单元，

所述数模转换器对来自接收天线的信号直接进行量化，

所述数字下变频处理单元包括数字混频器、积分抽取滤波器、补偿滤波器和可编程滤波器，由所述数模转换器量化后的信号和所述频率合成单元所产生的正弦本地振荡器信号、余弦本地振荡器信号输入到所述数字混频器中，所述数字混频器的输出信号输入到所述积分抽取滤波器中，所述积分抽取滤波器对混频后的信号进行预定倍数的抽取和低通滤波处理，所述补偿滤波器对所述积分抽取滤波器的输出信号进行幅度补偿，并由所述可编程滤波器进一步做抽取滤波处理。

发明的效果

(1)本发明中采用了射频直接采样数字化的实现方案。与现有电离层测高仪相比本发明的CAS-DIS数字测高仪采用ADC对射频信号直接进行量化(图1(14)所示)，对量化后的数字信号进行数字下变频处理(图1(15)所示)，得到相互正交的I、Q分量信号，从而有效消除了模拟下变频所带来的I、Q通道不平衡的影响。

(2)本发明中数字下变频功能采用FPGA实现。无论是CADI系统还是DPS系统或AIS-INGV系统，它们在数字下变频的实现上都是采用现有的数字下变频器件，由于该类型的芯片输出数据位宽有限，因此I、Q输出的动态范围受到限制，本发明通过采用FPGA逻辑实现数字下变频的功能，其输出数据位宽可以根据需要进行调整，因此有效提高了接收机的动态范围。

(3)本发明的CAS-DIS数字电离层测高仪中采用了16位互补码编码与数字脉冲压缩技术，并结合相干积分的方法来提高系统的信噪比，在相干积分次数为100次、闭环测试情况下可以获得55dB的信噪比。

(4)本发明的CAS-DIS数字电离层测高仪既可以用于垂测模式，也可以用于斜测模式，因此可以满足电离层探测的多种需要。

附图说明

图1为表示本发明的CAS-DIS数字电离层测高仪的组成框图；

图2为表示本发明的CAS-DIS数字电离层测高仪的控制时序图；

图3为表示本发明的DDS系统工作原理的示意图；

图4为表示本发明的DDC实现原理的框图；

图5为表示本发明的数字脉冲压缩处理的示意图；

图6为表示本发明的CIC、CIC+CFIR、CIC+CFIR+PFIR滤波器频率响应特性的曲线图；

图7为表示本发明的闭环测试下的基带I、Q信号的波形图；

图8为表示本发明的闭环测试下的脉冲压缩处理结果的波形图；

图9为表示本发明CAS-DIS数字电离层测高仪进行的垂测结果的曲线图；

图10为表示本发明CAS-DIS数字电离层测高仪在武汉-北京进行的斜向探测结果的曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实例仪旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1为表示本发明的CAS-DIS数字电离层测高仪的组成框图。本发明的CAS-DIS数字电离层测高仪如图1所示，主要包括控制信号产生单元1、发射通道2、接收通道3、天线系统4、脉冲压缩处理及显控终端5。

CAS-DIS数字电离层测高仪工作时序为上位机软件首先将配置参数通过PCI接口下载至FPGA内部参数RAM中，然后产生一个相应的复位信号，控制信号产生单元1检测到该复位信号后去读取配置参数并根据配置参数生成相应的控制时序。

发射通道2主要由频率合成单元(DDS)6、编码信号产生单元7、相位调制器8，DAC9、低通滤波器、双通道发射机10和信号放大及滤波等信号调理单元11组成。

接收通道3主要由可调增益放大电路12、抗混叠滤波器13、ADC14、数字下变频处理单元(DDC)15和数据缓存器(FIFO)16等部分组成。

天线系统4包含发射天线和接收天线，均采用Delta天线，天线从塔顶向两端斜向拉紧，塔顶处安装负载，两条水平回线连接馈电巴伦，天线高度分别为30米和18米，张角均为40°。

脉冲压缩处理及显控终端5，完成雷达脉冲的压缩处理及数据显示，其中脉冲压缩采用频率域实现方式，均在上位机软件中完成。

编码信号产生单元7产生16位的互补码，在相位调制器8中利用该互补码对DDS6产生的载波信号进行相位调制。其中，上述码的单个码元的时间宽度Ts=33.33μs，带宽为30KHz，对应高度分辨率为5km，发射信号持续时间为16位码元的时间宽度，即T=533.33μs。

DAC9将由相位调制器8调制后的载波信号转化为模拟信号后送入低通滤波器进行滤波，低通滤波器的输出信号经过信号调理单元11放大后幅度为1Vp-p，再由双通道发射机10将该信号放大至600W输出。该双通道发射机10包括两级放大器，其中前级为驱动放大器，该级将1Vp-p信号放大至50Vp-p；第二级为功率放大级，该级将驱动放大级输出的信号放大至500Vp-p。

可调增益放大电路12由低噪声放大器(LNA)和可调增益放大器组成。LNA的增益为16dB，可调增益放大器的增益调整范围为-12dB到32dB，从而保证了模拟接收信号在ADC的有效输入范围内。

本发明的收发天线采用平行双线结构并选择适当的天线高度和张角从而有效改善天线系统的电压驻波比和增益。

图2为表示本发明的CAS-DIS数字电离层测高仪的控制时序图。CAS-DIS数字电离层测高仪通过控制信号产生单元1产生整套设备的时序，如图2所示，其中脉冲重复频率(PRF)为20Hz，对应脉冲重复周期(PRI)为50ms，其中40ms作为信号发射和数据采集时间，10ms用于数据传输时间。为了实现对O波、X波的分离以便于对电离层频高图进行自动度量处理，在一次PRI内该设备需要完成以下工作模式的转换：

a)4次码型变换：CAS-DIS数字电离层测高仪采用相位编码调制技术，设计中选用的调制码型为16位互补码，包括A码和B码，A码为(1 1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1)，B码为(-1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1-1 1 -1 -1)，每次码型变换的持续时间为10ms。

b)2次极化方式转化：分别对应左旋圆极化和右旋圆极化。

c)4次信号发射和4次数据采集过程：对应每一个码型变换都有一次信号发射和接收的过程，其中发射信号时间窗口为600μs，其中有效发射信号时宽为533.33μs；接收信号时间窗口为6ms，对应探测虚高为900km。

图3为表示DDS系统工作原理的示意图。

DDS模块6产生1-26MHz的正、余弦信号，其频率和初始相位可根据控制参数实时调整。DDS产生的正、余弦信号一路作为发射脉冲的载波信号，另一路则作为接收通道数字下变频单元(DDC)的本振信号。在CAS-DIS数字电离层测高仪中，DDS采用FPGA内部的逻辑资源实现，其时钟频率为f_clk＝60MHz，频率分辨率

虚假抑制S＝82dB，相位累加器(PACC)17位宽为28比特，输出数据的位宽为14位。

图4为表示DDC实现原理的框图，采用三级滤波抽取完成信号降采样，其DDC中滤波器的频率响应曲线如图6所示，CIC、CIC+CFIR和CIC+CFIR+PFIR滤波器的频率响应曲线已在图中标明，其中图6中横坐标表示滤波器输入频率(MHz)，纵坐标表示滤波器响应幅度(dB)。

数字下变频(DDC)模块15包括数字混频器(M1，M2)18、积分抽取滤波器(CIC)19、补偿滤波器(CFIR)20和可编程滤波器(PFIR)21等。数字混频器M1、M2的输入信号为ADC量化后的信号和DDS所产生的正、余弦本振信号，M1、M2的工作时钟为60MHz；混频器的输出信号分别进入两组积分抽取滤波器CIC19中，CIC19对混频后的信号进行10倍的抽取和低通滤波处理，对应输出数据率为6MHz；为避免CIC抽取后造成有效信号带宽内信号幅度的衰减，需要CIC输出信号进行幅度补偿，同时进一步做抽取滤波器处理(PFIR)，本发明中PFIR的抽取倍数为8，对应输出数据率为750KHz；为了进一步降低数据率，DDC的最后一级采用了128阶的可编程滤波器进行低通滤波，该级的抽取倍数为5，输出数据率为150KHz。

图5为表示数字脉冲压缩处理的示意图，此处理方法由上位机软件完成，为提高处理增益，采用相干积分来实现，其实现方法采用频率域脉冲压缩方法22，输入包括复包络输入信号和复制的参考波形。图7和图8分别为经过数字下变频后的基带I、Q波形和脉冲压缩处理后的结果(相干积分次数为100次，积分增益为20dB)，其中图7中横坐标表示采样数据点，纵坐标表示信号功率(dBm)，图8中横坐标表示采样数据点，纵坐标表示信号功率(dBm)。图8中可以看出，在相干积分次数为100次的情况下采用16位互补码编码的CAS-DIS系统脉冲压缩处理之后可以获得优于55dB的信噪比。

为对本发明的CAS-DIS数字电离层测高仪性能进行测试，2013年4月项目组在武汉和北京两地进行了垂直和斜向探测试验。实验时分别在武汉电离层探测标校实验场和北京中科院电子所各放置一台本发明的CAS-DIS数字电离层测高仪设备，其中武汉的设备既包括发射机，又包括接收机，该设备工作于垂直探测模式下；位于北京的CAS-DIS数字电离层测高仪设备不包括发射机，只有接收机作为斜向接收，两台设备之间通过GPS同步。

图9给出了CAS-DIS数字电离层测高仪在垂测模式下一天中观测到的电离层频高图(每隔4小时一幅图)，图中浅色的描迹为O波，深色描迹为X波，右上角为观测时间(UTC)，其中图9的各图中横坐标表示扫频频率(MHz)，纵坐标表示探测虚高(Km)。从垂测频高图中可以看出，起测频率在白天和夜晚时间均可以达到1.5MHz，如图9(c)和图9(f)；F2层截止频率变化较大，白天可达到10MHz以上，如图9(c)，夜晚在5MHz，如图9(f)。另外，从图中可以看出无论是在白天或夜晚时段，O波和X波的描迹区分都比较明显，且F层的多次回波及其扩展现象均可以被观测到。

图10为CAS-DIS数字电离层测高仪在武汉-北京斜向探测模式下一天中的探测结果，其中共给出了6幅电离图，观测时间与垂测系统相对应，分别为2013-04-1500:07:00(UTC)、2013-04-1504:07:00(UTC)、2013-04-1508:07:00(UTC)、2013-04-1512:07:00(UTC)、2013-04-1516:07:00(UTC)和2013-04-1520:07:00(UTC)，其中图10的各图中横坐标表示扫频频率(MHz)，纵坐标表示斜测传播时间(ms)。与垂直探测模式不同，电离层频高图在斜向探测模式下纵轴对应的不是电离层描迹对应的虚高，而是电波在发射、接收端的传播时间，单位为ms，图中可以看出，F层描迹对应的传播时间约为3.9ms。另外，从图10中还可以看出，斜向探测时电波是斜入射，由于等离子体的折射作用，使得最大反射频率明显增加，图10(a)中已经超过了系统设定的上限工作频率，即21MHz。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内。

Claims

1.一种数字电离层测高仪，其进行电离层探测和数据接收处理，其特征在于，包括：

控制信号产生单元，其根据配置参数生成相应的控制时序；

所述接收组件包括数模转换器和数字下变频处理单元，

所述数模转换器对来自接收天线的信号直接进行量化，

2.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪，其特征在于，

所述控制信号产生单元在数字电离层测高仪的1个脉冲重复周期内并行地执行以下操作：

a)4次码型变换，其中选用的调制码型为16位互补码，包括A码和B码，其中A码为1 1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1，B码为-1 -11 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1；

b)2次极化方式的转化，所述极化分别对应左旋圆极化和右旋圆极化；

c)4次信号发射和4次数据采集过程，其中1次信号发射和数据采集过程对应1次码型变换。

3.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪，其特征在于，

所述频率合成单元由FPGA来实现，并产生1MHz至26MHz的正弦本地振荡器、余弦本地振荡器信号，其频率和初始相位根据控制参数进行实时调整。

4.根据权利要求3所述的数字电离层测高仪，其特征在于，

所述频率合成单元产生的信号一路作为发射脉冲的载波信号，另一路送入所述接收组件作为所述数字下变频处理单元的本地振荡器信号。

5.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪，其特征在于，

所述发射组件还包括编码信号产生单元和相位调制器，该编码信号产生单元产生16位的互补码，在所述相位调制器中利用该互补码对所述频率合成单元产生的载波信号进行相位调制。

6.根据权利要求5所述的数字电离层测高仪，其特征在于，

所述互补码的单个码元的时间宽度Ts＝33.33μs，带宽为30KHz，对应高度分辨率为5km，发射信号持续时间为16位码元的时间宽度，即T＝533.33μs。

7.根据权利要求5或6所述的数字电离层测高仪，其特征在于，

所述发射组件还包括数模转换器、低通滤波器、信号调理单元和双通道发射机，

数模转换器将由所述相位调制器调制后的载波信号转化为模拟信号后送入所述低通滤波器进行滤波，所述低通滤波器的输出信号经过所述信号调理单元放大后再由所述双通道发射机放大并输出，

所述双通道发射机包括两级放大器，其中前级为驱动放大器，第二级为功率放大器。

8.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪，其特征在于，

所述接收组件包括可调增益放大电路，该可调增益放大电路包括低噪声放大器和可调增益放大器，该可调增益放大器的增益调整范围为-12dB至32dB。

9.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪，其特征在于，

所述脉冲压缩处理及显控终端采用由相干积分实现的数字脉冲压缩处理方法，

所述脉冲压缩处理及显控终端的输入包括复包络输入信号和复制的参考波形。

10.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪，其特征在于，

所述发射天线和所述接收天线均采用平行双线结构，并且所述发射天线和所述接收天线以预定的高度和张角布置。