CN106597405B - 一种基于多载波信号形式的电离层探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多载波信号形式的电离层探测方法及系统，该方法包括如下步骤：（1）在发射端通过构造线性调频多载波信号的基带数据，利用正交上变频技术产生连续扫频的高频模拟射频信号，经功率放大通过天线辐射到空间传播；（2）在接收端通过宽带接收机、高速采样、数字下变频、抽取滤波产生零中频基带数据，对各子带匹配滤波，获取各子带回波数据，或者对各子带联合带宽进行匹配滤波，获取联合带宽下的回波数据。本发明所公开的基于多载波信号形式的电离层探测方法及系统，具有以下优势：提高电离层探测系统的实时性，缩短探测工作周期，以便能在电离层不稳定状态更准确获得最佳使用频率；提高电离层探测带宽，用以提高电离层探测系统的距离分辨率，获取电离层更精细结构，更真实反映电离层结构状态。

Description

一种基于多载波信号形式的电离层探测方法及系统

技术领域

本发明涉及电离层探测领域，尤其涉及一种基于多载波信号形式的电离层探测方法及系统。

背景技术

电离层作为无线电波传播介质，存在日、季节和年份的随机变化。电离层的结构在不同空间尺度和时间尺度上会发生很大的变化，这将在很大程度上影响其作为无线电传播媒质的属性。对于给定频率和极化特性的电磁波来说，信道空间媒质的电磁特性、几何结构和时间变化是该电磁波的传播环境与边界条件，这决定了电磁波的传播机制和传播模式及其变化特性。在特定时间和场合实现对电离层快速实时的多信道探测是很有必要的。

电离层探测手段主要有底层探测，太空飞行器顶测和地空之间的各种穿测，其中底层探测主要有垂直探测、斜向探测、返回散射探测。从探测信号的信号波形看可分为连续波和脉冲波两种。脉冲波又分为单脉冲波和压缩脉冲波。压缩脉冲波包含Chirp脉冲，相位编码脉冲和串脉冲等种类。这也是目前电离层探测常用波形体制。如武汉大学WIOBSS斜向返回探测雷达、美国麻萨诸塞州罗尔大学大气中心Digisonde系列电离层数字测高仪、英国DERA研制的IRIS电离层斜向探测系统和DAMSON电离层斜向探测系统、国际著名的SuperDARN和美国、俄国、法国和中国的超视距雷达中的电离层探测系统。

现有的电离层探测系统或装置普遍采用单载波的串行方式进行扫频或定频探测，即在某一时刻只对一个频率信道进行探测，完成后再改变探测信号和接收机的频率，开始下一个频率信道的探测。为了对抗电离层信道的衰落，或者获取电离层信道的多普勒信息，还需在一个频率上重复探测多次，完成一次扫频探测需要几分钟，甚至更长的时间。如果要获得不同带宽信道的探测，还要更换探测信号的带宽参数，再重新进行探测。

现有装置的探测方法明显的不足之处是完成一次周期探测需要花费的时间较长，并且一个周期仅能对一种带宽信道实施探测，不适合需要实时快速实现多信道多段频段探测的应用环境。具体的说，完成一次全频段探测的工作周期长，不完全满足全时段实时电离层探测的需求，当电离层处于不稳定状态时无法及时获取电离层测量参数；此外，一个探测周期仅能对一种带宽短波信道进行探测，为获取不同带宽短波信道的探测，需分时多周期探测，需要更多的时间。为了尽可能缩短探测周期，通常采取减少每个探测频率的驻留脉冲个数或缩短脉冲重复周期，然而这样的做法在应用中经常受到一定条件的限制，会对探测距离、探测数据的稳健性产生影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种能够加快实时探测速度，具备同时多带宽探测能力的基于多载波信号形式的电离层探测方法及系统。

本发明采用如下技术方案：

一种基于多载波信号形式的电离层探测方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

(1)在发射端通过构造线性调频多载波信号的基带数据，利用正交上变频技术产生连续扫频的高频模拟射频信号，经功率放大通过天线辐射到空间传播；

(2)在接收端通过宽带接收机、高速采样、数字下变频、抽取滤波产生零中频基带数据，对各子带匹配滤波，获取各子带回波数据，或者对各子带联合带宽进行匹配滤波，获取联合带宽下的回波数据。

进一步的，发射端和接收端通过授时同步装置实现时间同步。

进一步的，在步骤(1)中，高频模拟射频信号的频率为3-30MHz。

进一步的，多载波信号通用表达式可表示为：

式中，M为载波个数，c_m为频率编码，u_m(t)为子载波信号包络，f_m为载频频率，其一般满足f_m＝f₀+{c_m}Δf，Δf为子载波间隔，f₀为载频频率，由于同时发射，一般采用顺序编码即可，即f_m＝f₀+mΔf，若调制信号是线性调频信号，这样的多载波信号称之为频分多载波线性调频信号，表示为：

式中，T为发射脉冲宽度，f₀为载频频率，μ＝B/T为子带线性调频系数，B为信号带宽，多载波带宽B_syn＝B+(M-1)Δf。

进一步的，对频分多载波线性调频信号而言，要满足正交条件，即

表明，各子带可以独立分离，由于不同频率经过电离层的折射和反射，各子带的传输路径有差异，故接收端接收到的信号为此信号各子带信号延时后的和信号，即为：

式中，α_i为各子带衰减幅度因子，τ_i为各子带信号从发射接收的单程或双程延迟，用s_m(t)(m＝1，2…M)分别与x(t)进行匹配滤波来恢复每一个发射信号分量，得到：

式中，c_m代表了信号的自相关输出，求和项代表了所有可能的互相关输出。

一种基于多载波信号形式的电离层探测系统，使用上述的方法，其改进之处在于，所述的探测系统包括发射端和接收端，所述的发射端包括依次电连接在一起的数字上变频单元、数模转换单元、功率放大单元、发射天线，多载波数字基带信号经数字上变频单元输入发射端后，依次经数模转换单元和功率放大单元处理后所得的多载波探测信号经发射天线辐射到空间传播；所述的接收端包括依次电连接在一起的接收天线、多信道宽带接收机、模数转换单元、数字下变频单元、子带处理和合成处理单元，接收天线接收的多载波探测信号依次经多信道宽带接收机、模数转换单元、数字下变频单元处理后所得的多载波数字基带信号输入子带处理和合成处理单元。

本发明的有益效果在于：

本发明所公开的基于多载波信号形式的电离层探测方法及系统，具有以下优势：

(1)提高电离层探测系统的实时性，缩短探测工作周期，以便能在电离层不稳定状态更准确获得最佳使用频率；

(2)提高电离层探测带宽，用以提高电离层探测系统的距离分辨率，获取电离层更精细结构，更真实反映电离层结构状态；

(3)同时多种带宽探测，增强系统应用的灵活性和功能扩展，比如快速选取适用工作频率和带宽。

附图说明

图1是本发明所公开的基于多载波电离层探测示意图；

图2是本发明所公开的侧向返回散射探测试验平台布局；

图3a是本发明所公开的多载波信号的频域图；

图3b是本发明所公开的多载波信号的时频图；

图4是本发明实施例1所公开的子带1形成的侧向返回散射扫频图；

图5是本发明实施例1所公开的子带1，2组合形成的侧向返回散射扫频图；

图6是本发明实施例1所公开的子带1，2，3组合形成的侧向返回散射扫频图；

图7是本发明实施例1所公开的子带1，2，3，4组合形成的侧向返回散射扫频图；

图8是本发明实施例1所公开的10.428MHz不同子带组合形成的脉压图；

图9是选取图8中能量较强的斜测F层信号进行局部放大得到的脉压图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的技术方案是在同一时间(脉冲周期)内，同时发射多个载频的调制信号，通过在接收端对回波信号采取不同处理方法来获取不同带宽下的扫频电离图。通过增加每个子载波的带宽和载波数能够提高单位时间内探测频率的数目，从而提高探测速率，缩短探测周期；

(1)多载波信号描述

多载波信号通用表达式可表示为：

式中，M为载波个数，c_m为频率编码，u_m(t)子载波信号包络，f_m为载频频率，其一般满足f_m＝f₀+{c_m}Δf，Δf为子载波间隔，f₀为载频频率。由于同时发射，一般采用顺序编码即可，即f_m＝f₀+mΔf。

若调制信号是线性调频信号，这样的多载波信号称之为频分多载波线性调频FD-MC LFM信号，表示为：

式中，T为发射脉冲宽度，f₀为载频频率，μ＝B/T为子带线性调频系数，B为信号带宽，多载波带宽B_syn＝B+(M-1)Δf。

而对FD-MC LFM信号而言，要满足正交条件，即

表明，各子带可以独立分离。由于不同频率经过电离层的折射和反射，各子带的传输路径有差异，故接收端接收到的信号为此信号各子带信号延时后的和信号，即为：

式中，α_i为各子带衰减幅度因子，τ_i为各子带信号从发射接收的单程或双程延迟，用s_m(t)(m＝1，2…M)分别与x(t)进行匹配滤波来恢复每一个发射信号分量，得到：

式中，c_m代表了信号的自相关输出，求和项代表了所有可能的互相关输出。不同的T，μ(或子带带宽)及信号间频率间隔Δf将影响FD-LFM MC信号的正交性。

根据此信号的互模糊函数特性，设计的信号波形应满足各子带带宽小于或等于各子带间隔，这样通过匹配滤波可独立分离各子带信号。

(2)系统构成

基于多载波电离层探测系统主要由发射部分和接收部分构成，收发通过授时同步装置实现时间同步，图1为基于多载波电离层探测示意图。在发射端通过构造线性调频多载波(FD-MCLFM)信号的基带数据，利用正交上变频技术产生连续扫频的高频模拟射频信号(3—30MHz)，经功率放大通过天线辐射到空间传播；在接收端通过宽带接收机、高速采样、数字下变频、抽取滤波产生零中频基带数据，对各子带匹配滤波，获取各子带回波数据，或者对各子带联合带宽进行匹配滤波，获取联合带宽下的回波数据。通过调整载波数和子带带宽，可以实现更大带宽的合成带宽，如载波数为8，每个子带带宽为40KHz，可实现320KHz带宽的电离层探测(前提是接收机带宽大于320KHz)。

本电离层探测方法由一套侧向返回散射探测系统验证。该侧向返回散射探测系统收发设备分置两地，相距600km左右，两站设备通过授时同步装置实现时间同步。发射站天线主波束3dB宽度约30度，方向为正东。接收站由16根6米鞭组成的线阵组成，法线方向指向正东。图2为侧向返回散射探测试验平台布局。探测信号为多载波，调制信号均为LFM信号，子载波数为4个，子带带宽为10kHz，子载频频率间隔等于子带带宽，时宽为8ms。图3为多载波信号的频域图和时频图。

实施例1，本实施例公开了一种基于多载波信号形式的电离层探测方法，包括如下步骤：

1)根据上述公式(1)生成多载波信号，按照设定时序进行发射。

2)收发同步进行采集，得到接收信号。

3)不同子带组合与接收数据进行匹配滤波，得到各子带组合的探测结果。

图4，图5，图6，图7为不同子带组合形成的侧向返回散射扫频图，其中图4由子带1，即10kHz带宽形成的侧向返回散射扫频图，图5由子带1，2组合，即20kHz带宽形成的侧向返回散射扫频图，图6由子带1，2，3组合，即30kHz带宽形成的侧向返回散射扫频图，图7由子带1，2，3，4组合，即40kHz带宽形成的侧向返回散射扫频图。对比图4，5，6，7可知，增加带宽可以提高探测的距离分辨率，获取电离层更精细结构，同时引入更多的外部干扰。为了评估不同子带组合形成返回散射电路图的不同效果，选取某一没有干扰的频点进行分析。图8为10.428MHz不同子带组合形成的脉压图，可以看到斜测E层信号，F层信号以及侧向返回散射信号。选取能量较强的斜测F层信号进行局部放大得到图9，由该图知，增加带宽可以提高探测的距离分辨率。

此外，本实施例还公开了一种基于多载波信号形式的电离层探测系统，使用上述的方法，所述的探测系统包括发射端和接收端，所述的发射端包括依次电连接在一起的数字上变频单元、数模转换单元、功率放大单元、发射天线，多载波数字基带信号经数字上变频单元输入发射端后，依次经数模转换单元和功率放大单元处理后所得的多载波探测信号经发射天线辐射到空间传播；所述的接收端包括依次电连接在一起的接收天线、多信道宽带接收机、模数转换单元、数字下变频单元、子带处理和合成处理单元，接收天线接收的多载波探测信号依次经多信道宽带接收机、模数转换单元、数字下变频单元处理后所得的多载波数字基带信号输入子带处理和合成处理单元。

Claims (1)

1.一种基于多载波信号形式的电离层探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在发射端通过构造线性调频多载波信号的基带数据，利用正交上变频技术产生连续扫频的高频模拟射频信号，经功率放大通过天线辐射到空间传播；

(2)在接收端通过宽带接收机、高速采样、数字下变频、抽取滤波产生零中频基带数据，对各子带匹配滤波，获取各子带回波数据，或者对各子带联合带宽进行匹配滤波，获取联合带宽下的回波数据；

其中，多载波信号通用表达式可表示为：

式中，M为载波个数，c_m为频率编码，u_m(t)为子载波信号包络，f_m为载频频率，满足f_m＝f₀+{c_m}Δf，Δf为子载波间隔，f₀为载频频率，由于同时发射，采用顺序编码即可，即f_m＝f₀+mΔf，若调制信号是线性调频信号，这样的多载波信号称之为频分多载波线性调频信号，表示为：

式中，T为发射脉冲宽度，f₀为载频频率，μ＝B/T为子带线性调频系数，B为信号带宽，多载波带宽B_syn＝B+(M-1)Δf；

对频分多载波线性调频信号而言，要满足正交条件，即

表明，各子带可以独立分离，由于不同频率经过电离层的折射和反射，各子带的传输路径有差异，故接收端接收到的信号为此信号各子带信号延时后的和信号，即为：

式中，α_i为各子带衰减幅度因子，τ_i为各子带信号从发射接收的单程或双程延迟，用s_m(t)，m＝1，2…M，分别与y(t)进行匹配滤波来恢复每一个发射信号分量，得到：

式中，c_m代表了信号的自相关输出，求和项代表了所有可能的互相关输出。