CN107290745A - 一种电离层探测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电离层探测方法及系统，其中，方法包括：使用USRP发射设定频率的电磁波和接收电离层反射的电磁波，并记录发射和接收的电磁波信息；USRP通过千兆网口与计算机通信，计算机根据发射和接收的电磁波信息计算设定电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度；改变USRP发射的电磁波频率，获取不同电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度及电离层电子径向速度并绘制电离层分布图。有益效果：USRP通过千兆网口与计算机通信，USRP实现电磁波的收发及初步的信号处理，计算机进行较为复杂的信号处理和相关探测目标的计算，利用USRP和已编程的计算机即可实现电离层探测，成本低廉，灵活、便利、开放程度高，易于维护。

Description

一种电离层探测方法及系统
技术领域
本发明涉及雷达探测领域，尤其是涉及一种电离层探测方法及系统。
背景技术
电离层探测雷达是对电离层进行探测的重要工具，传统电离层探测雷达中对信号的处理都是依赖硬件实现的，虽然可以精确地测量出电离层的相关数据，但是其价格一般很高，硬件升级和维护很不方便，需要变更探测需求时，往往因为探测硬件固化而不够灵活。利用传统的电离层探测雷达研究、探测电离层，成本太高，且不够灵活、不够开放、不够方便。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种电离层探测方法及系统，解决现有技术中的上述技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种电离层探测方法，包括：
S1、使用USRP发射设定频率的电磁波，并记录发射的电磁波的信息为第一电磁波信息；
S2、使用USRP接收经电离层反射的电磁波，获取接收的电磁波的信息为第二电磁波信息；
S3、USRP通过千兆网口与计算机通信，计算机根据第一电磁波信息、第二电磁波信息计算设定电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度；
S4、通过计算机向USRP发送指令，改变USRP发射的电磁波频率，再次执行步骤S1-S3，获取不同电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度及电离层电子径向速度并绘制电离层分布图。
本发明还提供一种电离层探测系统，包括：
发射模块：使用USRP发射设定频率的电磁波，并记录发射的电磁波的信息为第一电磁波信息；
接收模块：使用USRP接收经电离层反射的电磁波，获取接收的电磁波的信息为第二电磁波信息；
计算模块：USRP通过千兆网口与计算机通信，计算机根据第一电磁波信息、第二电磁波信息计算设定电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度；
循环计算与绘图模块：通过计算机向USRP发送指令，改变USRP发射的电磁波频率，再次执行发射模块、接收模块、计算模块的操作，获取不同电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度及电离层电子径向速度并绘制电离层分布图。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：USRP通过千兆网口与计算机通信，USRP实现电磁波的收发及初步的信号处理，计算机进行较为复杂的信号处理和电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度的计算，利用USRP和已编程的计算机即可实现电离层探测，成本低廉，灵活、便利、开放程度高，易于维护。
附图说明
图1是本发明提供的一种电离层探测方法流程图；
图2是本发明提供的一种电离层探测系统结构框图。
附图中：1、电离层探测系统，11、发射模块，12、接收模块，13、计算模块，14、循环计算与绘图模块。
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，以下结合附图及实施例，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。
USRP全称是通用软件无线电外围设备，实现了射频信号发射和接收。它由一个母板和不同的子板组成。本发明的实施例中，母板包含4个12bit/64M模/数转换器(ADC)、4个14bit/128M数/模转换器(DAC)、一个可重复编程的FPGA芯片。每个USRP母板上可安装四个子板，其中两个用于接收，另外两个用于发射。通过连接不同的子板，USRP可以处理不同频段的信号。
本发明的实施例中，将USRP和计算机通过千兆网口连接，USRP通过千兆网口与计算机通信，USRP中的FPGA进行信号的上下变频、抽样和内插等数字信号简单操作，USRP发射或者接收的电磁波信号经过FPGA处理后传递给计算机，计算机进行FFT处理、调制解调等较为复杂的数字信号处理，且计算机负责计算需要探测的电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度，并绘制电离层分布图。
本发明的实施例中，与USRP连接的计算机上的软件模块编程通过GNU Radio平台实现，通过对软件模块的编程实现对USRP的控制、计算机上的信号处理以及相关的计算任务。GNU是一个由FSF(Free Software Foundation)提供支持的开放源代码著名项目。GNURadio运行于Linux系统，其软件代码完全公开，其设计的核心思想是：基带信号处理过程由通用处理器而不是DSP(DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片)实现；基带信号通过千兆网口与射频前端USRP相连，由USRP上的FPGA实现数字上下变频(DUC/DDC)，然后通过ADC/DAC芯片与射频子板连接；覆盖不同频段的射频子板将模拟信号变换为射频进行信号收与发。GNU Radio提供了一个信号处理模块的库，并且有个机制可以把单个的处理模块连接在一起形成一个系统。编程者通过建立一个流向图(flow graph)就可以快速搭建一个无线电通信系统。GNU Radio的编程实现主要基于Python脚本语言和C++语言。C++语言被用于编写各种信号处理模块，具有较高的执行效率。GNU Radio提供了超过100个现成的信号处理模块，并且编写新的处理模块也是非常容易。而软件图形化接口和信号处理模块的链接机制则是通过Python脚本语言实现的。
本发明提供了一种电离层探测方法，包括：
S1、使用USRP发射设定频率的电磁波，并记录发射的电磁波的信息为第一电磁波信息；
S2、使用USRP接收经电离层反射的电磁波，获取接收的电磁波的信息为第二电磁波信息；
S3、USRP通过千兆网口与计算机通信，计算机根据第一电磁波信息、第二电磁波信息计算设定电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度；
S4、通过计算机向USRP发送指令，改变USRP发射的电磁波频率，再次执行步骤S1-S3，获取不同电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度及电离层电子径向速度并绘制电离层分布图。
本发明所述的电离层探测方法，步骤S1中：
第一电磁波信息包括：发射电磁波的时间t1、发射的电磁波的频率f1。
本发明所述的电离层探测方法，步骤S2中：
第二电磁波信息包括：接收到经电离层反射的电磁波的时间t2、接收的经电离层反射的电磁波的频率f2。
本发明所述的电离层探测方法，步骤S3中：
根据计算电离层高度，其中，R表示电离层高度，C表示电磁波传播速度(光速)，t0表示发射电磁波与接收到反射的电磁波之间的时间间隔，t0＝t2-t1；
根据计算电离层电子密度，其中，Ne表示电离层电子密度；
根据计算电离层电子径向速度，其中，Vr表示电离层电子径向速度，fd表示多普勒频移，fd＝f1-f2。
本发明所述的电离层探测方法，步骤S4中：
由于不同频率电磁波对于电离层的穿透作用不同，所以不同发射频率电磁波在电离层的不同高度被反射，由公式计算出的电离层高度是该频率电磁波的电离层反射高度，改变电磁波的发射频率，则可以测量该区域电离层的区域范围，并且可将电磁波发射频率和电磁波发射频率对应的电离层高度输入MATLAB中，以电磁波发射频率、电离层高度分别为x、y轴绘制电离层分布图。
本发明还提供一种电离层探测系统1，包括：
发射模块11：使用USRP发射设定频率的电磁波，并记录发射的电磁波的信息为第一电磁波信息；
接收模块12：使用USRP接收经电离层反射的电磁波，获取接收的电磁波的信息为第二电磁波信息；
计算模块13：USRP通过千兆网口与计算机通信，计算机根据第一电磁波信息、第二电磁波信息计算设定电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度；
循环计算与绘图模块14：通过计算机向USRP发送指令，改变USRP发射的电磁波频率，再次执行发射模块11、接收模块12、计算模块的操作13，获取不同电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度及电离层电子径向速度并绘制电离层分布图。
本发明所述的电离层探测系统1，发射模块11中：
第一电磁波信息包括：发射电磁波的时间t1、发射的电磁波的频率f1。
本发明所述的电离层探测系统1，接收模块12中：
第二电磁波信息包括：接收到经电离层反射的电磁波的时间t2、接收的经电离层反射的电磁波的频率f2。
本发明所述的电离层探测系统1，计算模块13中：
根据计算电离层高度，其中，R表示电离层高度，C表示电磁波传播速度，t0表示发射电磁波与接收到反射的电磁波之间的时间间隔，t0＝t2-t1；
根据计算电离层电子密度，其中，Ne表示电离层电子密度；
根据计算电离层电子径向速度，其中，Vr表示电离层电子径向速度，fd表示多普勒频移，fd＝f1-f2。
本发明所述的电离层探测系统1，循环计算与绘图模块14中：
获取不同电磁波发射频率下的电离层高度后，将电磁波发射频率和电磁波发射频率对应的电离层高度输入MATLAB中，从而绘制电离层分布图。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：USRP通过千兆网口与计算机通信，USRP实现电磁波的收发及初步的信号处理，计算机进行较为复杂的信号处理和电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度的计算，利用USRP和已编程的计算机即可实现电离层探测，成本低廉，灵活、便利、开放程度高，易于维护。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电离层探测方法，其特征在于，包括步骤：
S1、使用USRP发射设定频率的电磁波，并记录发射的电磁波的信息为第一电磁波信息；
S2、使用所述USRP接收经电离层反射的电磁波，获取接收的电磁波的信息为第二电磁波信息；
S3、所述USRP通过千兆网口与计算机通信，所述计算机根据所述第一电磁波信息、所述第二电磁波信息计算设定电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度；
S4、通过所述计算机向所述USRP发送指令，改变所述USRP发射的电磁波频率，再次执行步骤S1-S3，获取不同电磁波发射频率下的所述电离层高度、所述电离层电子密度及所述电离层电子径向速度并绘制电离层分布图。
2.如权利要求1所述的电离层探测方法，其特征在于，步骤S1中：
所述第一电磁波信息包括：发射电磁波的时间t1、发射的电磁波的频率f1。
3.如权利要求2所述的电离层探测方法，其特征在于，步骤S2中：
所述第二电磁波信息包括：接收到经电离层反射的电磁波的时间t2、接收的经电离层反射的电磁波的频率f2。
4.如权利要求3所述的电离层探测方法，其特征在于，步骤S3中：
根据计算所述电离层高度，其中，R表示电离层高度，C表示电磁波传播速度，t0表示发射电磁波与接收到反射的电磁波之间的时间间隔，t0＝t2-t1；
根据计算所述电离层电子密度，其中，Ne表示电离层电子密度；
根据计算所述电离层电子径向速度，其中，Vr表示电离层电子径向速度，fd表示多普勒频移，fd＝f1-f2。
5.如权利要求1所述的电离层探测方法，其特征在于，步骤S4中：
获取不同电磁波发射频率下的所述电离层高度后，将电磁波发射频率和电磁波发射频率对应的所述电离层高度输入MATLAB中，从而绘制电离层分布图。
6.一种电离层探测系统，其特征在于，包括：
发射模块：使用所述USRP发射设定频率的电磁波，并记录发射的电磁波的信息为所述第一电磁波信息；
接收模块：使用所述USRP接收经电离层反射的电磁波，获取接收的电磁波的信息为所述第二电磁波信息；
计算模块：USRP通过千兆网口与计算机通信，计算机根据所述第一电磁波信息、所述第二电磁波信息计算设定电磁波发射频率下的所述电离层高度、所述电离层电子密度、所述电离层电子径向速度；
循环计算与绘图模块：通过所述计算机向所述USRP发送指令，改变所述USRP发射的电磁波频率，再次执行发射模块、接收模块、计算模块的操作，获取不同电磁波发射频率下的所述电离层高度、所述电离层电子密度及所述电离层电子径向速度并绘制电离层分布图。
7.如权利要求6所述的电离层探测系统，其特征在于，发射模块中：
所述第一电磁波信息包括：发射电磁波的时间t1、发射的电磁波的频率f1。
8.如权利要求7所述的电离层探测系统，其特征在于，接收模块中：
所述第二电磁波信息包括：接收到经电离层反射的电磁波的时间t2、接收的经电离层反射的电磁波的频率f2。
9.如权利要求8所述的电离层探测系统，其特征在于，计算模块中：
根据计算所述电离层高度，其中，R表示电离层高度，C表示电磁波传播速度，t0表示发射电磁波与接收到反射的电磁波之间的时间间隔，t0＝t2-t1；
根据计算所述电离层电子密度，其中，Ne表示电离层电子密度；
根据计算所述电离层电子径向速度，其中，Vr表示电离层电子径向速度，fd表示多普勒频移，fd＝f1-f2。
10.如权利要求6所述的电离层探测系统，其特征在于，循环计算与绘图模块中：
获取不同电磁波发射频率下的所述电离层高度后，将电磁波发射频率和电磁波发射频率对应的所述电离层高度输入MATLAB中，从而绘制所述电离层分布图。
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