CN104793204B - 一种中间层‑电离层综合探测系统 - Google Patents

一种中间层‑电离层综合探测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种中间层‑电离层综合探测系统，包括多通道雷达发射系统、多通道雷达接收系统和平拉折合偶极子天线阵列，平拉折合偶极子天线阵列包括六副折合偶极子天线，每两幅折合偶极子天线为一组且空间相互正交架设，三组天线分别位于一个正三角形的顶点之上；多通道雷达发射系统用于提供三组发射通道，包括FPGA芯片、三个DDS芯片，及六路依次连接的滤波器、放大器、功率放大器和收发开关；所述多通道雷达接收系统用于提供三组接收通道，包括FPGA芯片、多通道高速A/D采样芯片，及六路依次连接的前级滤波放大、混频、中频滤波。本发明利用同一天线阵实现支持实现中间层和电离层的综合探测，节约了成本、降低了空间要求。

Description

一种中间层-电离层综合探测系统
技术领域
本发明涉及一种兼顾中间层大气风场探测和电离层垂直探测的综合探测系统。
背景技术
距离地面60-100公里高度属于中间层和低热层，同时也是电离层D区和E区的下部，其特点是电子密度比较低，电子与中性大气成分之间的碰撞频率较高，电子与中性大气运动速度具有一致性。通过测量电子的运动速度，可以得到中性大气风场。中频雷达用于测量该区域大气风场和电子数密度，是重要的中高层大气地基探测设备之一。目前国际上已有30多部中频雷达投入使用。主要分布在北美，澳大利亚，日本，南极大陆等国家和地区。中频雷达的探测数据已运用于大气模型建立，大气动力学研究，航天工程气象保障等方面，具有重要的科研意义。
中间层之上至离地面约800公里高度是热层，热层的大气分子吸收了因太阳的短波辐射及磁场后其电子能量增加，当中一部份进行电离。这些电离过的离子与电子形成了电离层。包括E层(离地面100-120公里)、F1层(离地面170-230公里)、F2层(离地面200-500公里)(夜间融合为F层，约离地面300-500公里)三层。该区域存在着大量的自由电子，足以影响无线电波的传播。电离层垂测仪是探测电离层最常用的设备，通过电离图可以得到电离层的动态变化特性，从而实现对电离层物理和无线电波传播中的电离层效应等问题的研究。
但是，实际中常常同时对中间层探测和电离层探测都有需求，这样分别实现探测则太过复杂，成本高、效率低。
发明内容
鉴于中间层大气风场探测和电离层探测的特点，考虑到中频频段和高频频段相邻，拓宽天线频率范围，采用空分天线的形式和多通道雷达技术，本发明设计了一套兼顾大气中间层探测功能和电离层垂直探测功能的新型综合探测系统—MAI系统(中间层-电离层综合探测系统)。
本发明的技术方案提供一种中间层-电离层综合探测系统，包括多通道雷达发射系统、多通道雷达接收系统和平拉折合偶极子天线阵列，多通道雷达发射系统、多通道雷达接收系统分别连接到传输控制总线，所述传输控制总线连接计算机，
所述平拉折合偶极子天线阵列包括六副折合偶极子天线，每两幅折合偶极子天线为一组且在空间上相互正交架设，三组天线分别位于一个正三角形的顶点之上；
所述多通道雷达发射系统用于提供三组发射通道，包括连接到传输控制总线的FPGA芯片、分别连接到FPGA芯片的三个DDS芯片，及六路依次连接的滤波器、放大器、功率放大器和收发开关，雷达信号发射时，每个DDS芯片的两路输出分别经相应的滤波器、放大器、功率放大器后，经收发开关的切换连接到相应的两幅折合偶极子天线，其中一路输出被90°相移调整；
所述多通道雷达接收系统用于提供三组接收通道，包括连接到传输控制总线的FPGA芯片、连接FPGA芯片的多通道高速A/D采样芯片，及六路依次连接的前级滤波放大、混频、中频滤波，各前级滤波放大分别连接多通道雷达发射系统中的相应收发开关，六幅折合偶极子天线分别接收到的回波信号经过相应收发开关切换后，经前级滤波放大、混频、中频滤波输入多通道高速A/D采样芯片。
而且，所述传输控制总线采用USB总线，FPGA芯片经USB接口芯片连接到传输控制总线。
而且，通过USB总线进行指令的控制与数据的传输，
所述多通道雷达发射系统中，在FPGA芯片中根据计算机的波形控制指令完成对DDS芯片的时序控制，通过DDS芯片完成雷达发射信号波形的直接产生，DDS芯片的输出经滤波器、放大器连接功率放大器，功率放大器的输出经过收发开关连接到各个折合偶极子天线；
所述多通道雷达接收系统中，在FPGA芯片中根据多通道高速A/D采样芯片所得采样结果完成数字下变频和通道数据打包，再经由USB总线将原始数据传输至计算机。
而且，对于中间层大气探测采用六发六收模式，通过定频探测实现中层大气风场探测能力，采用全相关分析算法获取大气风场数据，采用微分吸收实验算法获取低电离层的电子密度数据；对于电离层探测采用两发两收模式，通过扫频探测实现电离室垂直探测，获取电离层频高图。
而且，中间层大气探测和电离层探测分别独立开展，或采样分时操作方式依次连续自动观测。
而且，正三角形的边长取185米。
本发明包括多通道雷达发射系统、多通道雷达接收系统和天线阵列，利用同一天线阵列，支持通过设置不同的发射波形参数，应用相应的数字信号处理的算法，通过分时操作的方式可以实现中间层和电离层的综合探测。利用本发明提供的中间层-电离层综合探测系统，可以对于中间层大气探测采用六发六收模式，支持通过定频探测实现中层大气风场探测能力，采用全相关分析的算法获取大气风场数据，采用微分吸收实验的算法获取低电离层的电子密度数据。对于电离层探测采用两发两收模式，通过扫频探测实现电离室垂直探测，获取电离层频高图。两种探测模式既可以分别独立开展探测，也可以通过分时操作方式依次连续自动观测，是一种适于推广使用的中间层-电离层综合探测系统，节约了成本、降低了空间要求。
附图说明
图1是本发明实施例的总体系统框图；
图2是本发明实施例的多通道雷达发射系统框图；
图3是本发明实施例的多通道雷达接收系统框图；
图4是本发明实施例的天线阵示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明技术方案进行具体描述。
本发明提供的一种中间层-电离层综合探测系统，是一种用于中间层和电离层综合探测的系统，包括平拉折合偶极子天线阵列和多通道雷达系统，所述多通道雷达系统包括多通道雷达发射系统和多通道雷达接收系统。
参见图1，本发明实施例的中间层-电离层综合探测系统包括多通道雷达发射系统，多通道雷达接收系统和平拉折合偶极子天线阵列组成。整个综合探测系统采用USB总线作为传输控制总线，整体架构表现为USB+FPGA的形式。多通道雷达发射系统、多通道雷达接收系统分别连接到传输控制总线。具体实施时，可以在本系统集成提供计算机和时钟源，也可以利用探测站点已有的计算机和时钟源，传输控制总线连接计算机，时钟源分别连接多通道雷达发射系统和多通道雷达接收系统。
多通道雷达发射系统提供的发射通道分为三组，每组发射通道的输出连接一组折合偶极子天线阵。接收通道与收发开关相连接。多通道雷达接收系统提供相应的三组接收通道，包括射频模拟前端(有六路前级滤波放大、混频、中频滤波)，多通道A/D采样和数据传输部分构成。各个接收通道的原始数据经过USB总线传输至计算机。
多通道雷达发射系统主要包括FPGA芯片、直接频率合成器DDS芯片、功率放大器和收发开关。具体实施时，可设置用于连接传输控制总线的USB接口芯片，FPGA芯片经USB接口芯片连接到USB接口芯片，DDS芯片连接到FPGA芯片上。实施例中，每组发射通道中有1个DDS芯片，三个DDS芯片分别连接到FPGA芯片，各DDS芯片的两路输出分别经依次连接的滤波器、放大器(放大DDS芯片的输出信号)、功率放大器、收发开关，连接到该组相应的两幅折合偶极子天线。DDS芯片提供激励源，其中一路输出经90°相移调整，用于产生左旋和右旋极化电磁波，具体实施时90°相移可由DDS内部相位偏置寄存器实现。
利用收发开关可实现切换，雷达信号发射时，雷达多通道雷达发射系统经收发开关切换与平拉折合偶极子天线阵列连通，雷达信号接收时，平拉折合偶极子天线阵列经收发开关切换连通多通道雷达接收系统。
多通道雷达发射系统在FPGA芯片内部完成对DDS芯片的时序控制，USB接口芯片通过USB总线与计算机相连接。通过USB接口写入命令能够完成对各个DDS输出信号的波形参数控制。各个DDS的输出经过功率放大，经过收发开关传输到各副天线竖直向上辐射出去。
参见图2，计算机的波形控制指令通过USB总线、USB接口电路传送至FPGA芯片，在FPGA内部完成指令的解算和对DDS芯片的时序控制，通过USB总线可以直接控制DDS输出各种所需要的雷达波形信号。DDS采用的是ADI公司的双通道DDS芯片，通过写入DDS芯片内部相位控制字寄存器可以实时调整DDS输出的相位，DDS的输出经过滤波放大、功率放大和收发开关之后通过折合偶极子天线垂直向上辐射出去。
多通道雷达接收系统包括射频模拟前端、FPGA芯片、多通道高速A/D采样芯片。多通道雷达接收系统的各个接收通道与多通道雷达发射系统的相应收发开关相互连接。多通道接收系统采集得到的原始数据通过USB总线传输到计算机进行进一步的处理和分析。
参见图3，针对本发明实施例的平拉折合偶极子天线阵列中三组天线，每组中两幅天线分别接收到的回波信号经过相应的两路收发开关、前级滤波放大、混频、中频滤波之后由多通道A/D采样，在FPGA内部完成数字下变频和通道数据打包再经由USB总线将原始数据传输至计算机进行进一步的处理和分析。具体实施时，六路前级滤波放大、混频、中频滤波所得信号可由一个多通道高速A/D采样芯片集中实现采集。
具体实施时，多通道雷达发射系统的FPGA芯片和多通道雷达接收系统的FPGA芯片可集成实现，FPGA芯片、DDS芯片、多通道高速A/D采样芯片的工作时钟CLK可由同一时钟源提供，本领域技术人员可自行利用现有芯片/电路实现本发明系统结构。多通道雷达系统通过USB总线来进行指令的控制与数据的传输。针对多通道雷达发射系统，在FPGA芯片中根据计算机的波形控制指令完成对DDS芯片的时序控制，通过DDS芯片完成雷达发射信号波形的直接产生，可以通过USB接口直接控制DDS芯片输出所需要的雷达信号波形。DDS芯片的输出经滤波器、放大器连接功率放大器，功率放大器的输出经过收发开关连接到各个偶极子天线。多通道雷达接收系统采用超外差的方式，经过混频(图3中f0为混频时本振频率)和多通道A/D采样，在FPGA芯片内根据根据采样结果进行数字下变频，原始基带数据经过USB总线传输至上位的计算机。
平拉折合偶极子天线阵列包括六副折合偶极子天线，每两幅折合偶极子天线为一组且在空间上相互正交架设，三组天线分别位于一个正三角形的顶点之上，根据对中频雷达数据可信率的统计结果，正三角形的边长取185m为最佳。本发明进一步建议架设高度为12m，具体实施时本领域技术人员可根据实际需要确定架设高度。上述平拉折合偶极子天线分别与各个收发开关相互连接。
参见图4，本发明实施例的平拉折合偶极子天线阵列由六副折合偶极子天线组成。每两幅折合偶极子天线为一组且空间相互正交架设，三组天线分别位于一个边长为185m的正三角形的顶点之上。并且，为兼顾中频频段和高频频段，本发明进一步建议每副折合偶极子天线的总长为54.9m，具体实施时本领域技术人员可根据实际需要确定总长取值。
具体实施时，整个中间层-电离层综合探测系统可采取分时操作的方式，具有一机多能的特点，可实施定频、扫频、跳频探测，即可以满足空分天线的探测模式、具备中频雷达探测功能；且可满足电离层探测模式，实现电离层垂直探测。利用本发明提供的中间层-电离层综合探测系统，可以在计算机上发出相应波形控制指令，并利用现有方法对采集的相应数据进行分析探测，例如在中层大气风场观测的模式下固定频点1.98MHz工作，天线采用6发6收的方式工作，采集得到的原始数据应用全相关分析(FCA算法)得到大气风场分布，应用微分吸收实验算法(DAE算法)得到D层电子密度分布；在电离层垂测模式下采用2-20MHz扫频探测，天线采用2发2收的方式工作(即一组天线发射、一组天线接收)，获取电离层频高图。表1是本发明实施例的中间层-电离层综合探测系统实验的主要技术指标。
表1：MAI系统技术指标
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种中间层-电离层综合探测系统，其特征在于：用于兼顾中间层大气风场探测和电离层垂直探测，包括多通道雷达发射系统、多通道雷达接收系统和平拉折合偶极子天线阵列，多通道雷达发射系统、多通道雷达接收系统分别连接到传输控制总线，所述传输控制总线连接计算机，
所述平拉折合偶极子天线阵列包括六副折合偶极子天线，每两幅折合偶极子天线为一组且在空间上相互正交架设，三组天线分别位于一个正三角形的顶点之上；
所述多通道雷达发射系统用于提供三组发射通道，包括连接到传输控制总线的FPGA芯片、分别连接到FPGA芯片的三个DDS芯片，及六路依次连接的滤波器、放大器、功率放大器和收发开关，雷达信号发射时，每个DDS芯片的两路输出分别经相应的滤波器、放大器、功率放大器后，经收发开关的切换连接到相应的两幅折合偶极子天线，其中一路输出被90°相移调整；
所述多通道雷达接收系统用于提供三组接收通道，包括连接到传输控制总线的FPGA芯片、连接FPGA芯片的多通道高速A/D采样芯片，及六路依次连接的前级滤波放大、混频、中频滤波，各前级滤波放大分别连接多通道雷达发射系统中的相应收发开关，六幅折合偶极子天线分别接收到的回波信号经过相应收发开关切换后，经前级滤波放大、混频、中频滤波输入多通道高速A/D采样芯片；
对于中间层大气探测采用六发六收模式，通过定频探测实现中层大气风场探测能力，采用全相关分析算法获取大气风场数据，采用微分吸收实验算法获取低电离层的电子密度数据；对于电离层探测采用两发两收模式，通过扫频探测实现电离室垂直探测，获取电离层频高图；
中间层大气探测和电离层探测分别独立开展，或采样分时操作方式依次连续自动观测。
2.根据权利要求1所述中间层-电离层综合探测系统，其特征在于：所述传输控制总线采用USB总线，FPGA芯片经USB接口芯片连接到传输控制总线。
3.根据权利要求2所述中间层-电离层综合探测系统，其特征在于：通过USB总线进行指令的控制与数据的传输，
所述多通道雷达发射系统中，在FPGA芯片中根据计算机的波形控制指令完成对DDS芯片的时序控制，通过DDS芯片完成雷达发射信号波形的直接产生，DDS芯片的输出经滤波器、放大器连接功率放大器，功率放大器的输出经过收发开关连接到各个折合偶极子天线；
所述多通道雷达接收系统中，在FPGA芯片中根据多通道高速A/D采样芯片所得采样结果完成数字下变频和通道数据打包，再经由USB总线将原始数据传输至计算机。
4.根据权利要求1或2或3所述中间层-电离层综合探测系统，其特征在于：正三角形的边长取185米。
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