CN114062781B - 一种多道多普勒反射计系统及实现方法 - Google Patents

一种多道多普勒反射计系统及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多道多普勒反射计系统，包括将IQ端口为中频调制输入、LO端口为高频载波输入及RF端口为多峰调制信号输出来对其反接的多峰频率产生发射和接收模块；采用常规调制器、YIG滤波器及六倍频器获取单频参考信号的一次降频模块；对其输出进行放大、多路功分、窄带带通滤波以获取参考和诊断信号的多通道信号提取模块；对各路诊断通道的信号放大、衰减器衰减匹配功率来驱动二次混频IQ解调器的IQ解调器驱动功率匹配模块；对IQ信号进行放大、低通滤波，最后进入后端数据采集子系统。本发明通过采用新形式多频率源完成多通道多普勒反射计系统设计，仅使用一个高频合成源，具有成本低廉、工作频率灵活可调及方案可扩展性强的特点。

Description

一种多道多普勒反射计系统及实现方法
技术领域
本发明涉及聚变等离子体诊断技术领域，具体来说，涉及一种多道多普勒反射计系统及实现方法。
背景技术
因多普勒反射计具有高时间、空间及波数分辨率及成本低等特点，是目前磁约束聚变中应用最广泛的测量湍流和等离子体旋转的工具，在国内外很多装置上都有建设。早期受限于技术，多普勒反射计都做成了单道系统；但之后随着技术发展，窗口紧张等问题，为了提升窗口的集成度和利用率，多道系统逐渐成为多普勒反射计的发展趋势。
在本发明前，国际上已有的多道方案有梳妆谱发生器(2009，一个新颖的多通道梳状频多普勒背向散射系统，审查科学-仪器083507(81)，皮布尔斯等人)、多路信号合成以及压控振荡器(VCO)调制(2009，一种多通道、频率调制的可调频多普勒背向散射仪系统，科学仪器评论083507(80)，希勒斯海姆等人)三种方案，其中，梳妆谱发生器和压控振荡器VCO调制方案均最先由美国人提出并实现，多路信号合成方案则几乎同时在成都的HL-2A(2016，HL-2A托卡马克新型多通道正交多普勒背向散射反射仪，科学仪器评论113501(87),石中兵等人)和合肥的EAST(2016，实验先进超导托卡马克装置上的多通道极向相关反射计，科学仪器评论11E707(87),屈浩等人)装置上出现。其中，梳妆谱发生器方案直接通过梳妆谱发生器产生输入频率的连续多阶高次谐频，并通过滤波放大倍频等获得有效测量频段内的多峰。
同时，中国科学技术大学微波反射计组提出了一种基于双边带调制器和倍频器的多频微波源方案(2018，一种新型可调的可用于微波反射计系统的多模微波系统，科学仪器评论093501(89),王明远等人)，利用该多频产生方案可在只利用一个合成源的条件下，实现多频率通道同时测量，利用该方案产生的多频率峰可以根据实验需求通过调节双边带调制器的输入载波频率调节，在聚变等离子不同磁场、密度分布以及不同目标观测区域下进行灵活调节匹配测量。
现有多道系统中，梳妆谱发生器方案产生的多道频率固定，且频率间隔过大；压控振荡器VCO调制方案对VCO要求很高，国内没有该硬件技术，面领着国外技术封锁；多路信号合成则利用多个合成源倍频并直接合束成本较高。因此，需要一种在较低成本下实现测量频率连续灵活可调的多通道多普勒反射计系统。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种多道多普勒反射计系统及实现方法，能够克服现有技术方法的上述不足。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种多道多普勒反射计系统，包括多峰频率产生发射和接收模块、一次降频模块、多通道信号提取模块、IQ解调器驱动功率匹配模块、IQ信号调整模块，其中，
所述多峰频率产生发射和接收模块，采用了常规宽带IQ混频器和移相器的组合，通过将常规宽带IQ混频器的IQ端口为中频调制f1输入、LO端口为高频f0载波输入及RF端口为多峰调制信号输出来对其反接，并串联六倍频器，产生多峰信号，通过独立的圆喇叭天线发射和接收信号，在发射和接收喇叭间使用分束片实现微波信号在空间上的收发分离；
所述一次降频模块，是通过采用常规调制器、YIG滤波器及六倍频器的方式获取随发射频率变化的单频降频参考信号，频率参考信号的频率按照参考频率的基本设计方法确定出；
所述多通道信号提取模块，在一次混频后，对其输出的多峰频谱进行放大、多路功分及窄带带通滤波，以获取各有效频率通道二次降频所需的两两匹配的参考和诊断信号；
所述IQ解调器驱动功率匹配模块，对多通道信息提取模块获得的各路诊断通道的信号进行放大、衰减器衰减匹配功率来驱动二次混频IQ解调器,并进行同频率多通道两两匹配二次IQ降频,以获取各频率通道低频IQ诊断信号；
所述IQ信号调整模块，对各频率通道IQ解调器输出端的IQ信号进行放大、低通滤波，最后，进入后端数据采集子系统。
另一方面，本发明还提供了一种采用上述所述的多道多普勒反射计的实现方法，包括以下步骤：
S1:首先，调试反接的常规宽带IQ混频器和移相器组合,获得上下边带抑制比可连续调节的双边带调制频谱,结合六倍频器产生高功率多频率峰发射信号；
S2:确定降频参考信号的工作频率，用降频参考信号对发射信号和等离子体返回信号进行一次降频，参考信号的频率按照参考频率基本设计方法确定，依据一次降频后的多峰频谱确定降频参考信号频率f＝nf0+Δf；
S3:降频参考频率确定后，识别并确定发射信号中的有效发射频率峰及一次降频后的多通道信号工作频率；
S4:对发射信号和等离子体返回信号进行一次降频得到的二次混频参考信号LO和诊断信号RF进行对称设计；对二次混频两路信号LO和RF将信号进行放大、多路功分及窄带带通滤波，即得出各诊断通道信号Δf+kf1及Δf+kf1+fD，所述各诊断通道信号再经放大或衰减匹配二次混频IQ解调器驱动功率，并进行同频率多通道两两匹配二次IQ降频，以获取各频率通道低频IQ诊断信号；
S5:IQ解调器输出端输出IQ信号，经放大、低通滤波进入后端数据采集子系统；
S6:最后，用独立的圆喇叭天线发射和接收信号完善多峰信号发射和接收模块，在发射和接收喇叭间使用分束片实现微波信号在空间上的收发分离，并测试完整系统是否正常运行。
进一步地，所述确定降频参考信号，是按照参考频率基本设计方法进行确定，参考频率的设计是用于区分直接混频Δf+kf1与高次混频nΔf+kf1(n、k＝0,±1，±2…)以识别出有效发射频率峰，只考虑一个f1周期，参考频率可表示为以降低间接混频、混频后f＞nf0+Δf和f＜nf0+Δf的镜像峰不重叠/>为据，参考频率确定为/>
进一步地，所述参考频率基本设计方法是以有效峰功率的均匀性和可辨识性为主要依据，把发射信号中有效频率峰设计在参考频率的同一侧，并使一次降频后频率落于2-8GHz间。
进一步地，所述参考频率设计为
本发明的有益效果：通过采用新形式多频率产生结构来完成多通道多普勒反射计系统的搭建，整个方案仅使用一个高频合成源，更具有成本低廉、频率灵活可调及方案可扩展性强的特点；通过本发明中的参考频率基本设计方法可有效识别发射信号中的有效频率峰，并使一次混频后多峰频谱较为干净(间接混频峰弱)，使该多道系统具有可用性；通过首次采用发射端的分束片，实现收发分离的方案，在降低了传统方案中定向耦合器耦合损失的同时，避免了发射端微波向接收端天线渗漏的问题，大大改善了系统信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的多道多普勒反射计系统的电子学结构示意图。
图2是根据本发明实施例所述的多道多普勒反射计实现方法的据参考频率设计方法得到的一次混频后多峰频谱示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
如图1所示，根据本发明实施例所述的多道多普勒反射计系统及实现方法，步骤包括：
首先，常规宽带IQ混频器通过将IQ端口为中频调制输入、LO端口为高频载波输入、RF端口为多峰调制信号输出来对其反接，并串联六倍频器，产生多峰信号，并通过在IQ端口的其中一路中加入一可控移相器调节IQ输入相位差进而获得功率较为平均的多频率发射信号，多频信号产生后经一定向耦合器分为主发射信号和系统内部参考信号，主发射信号产生后接一放大器提高系统信噪比并在后端设置一隔离器保护前端有源倍频器、放大器等免遭等离子体发射的高能微波损害，系统内部参考信号则会作为参考RF信号和一次降频参考信号LO进行混频得到二次混频的驱动LO信号，另一路一次降频参考信号LO则会和系统接收外部返回的测量信号RF进行混频得到二次混频RF信号，系统终端微波发射和接收采用分束片实现空间上的收发分离以减弱未进入等离子体的信号从接收端进入系统对系统的干扰，接收端也设有一低通滤波器避免外部高能电子回旋辐射进入系统损坏后端有源微波器件。
所述宽频IQ解调器通过将IQ输出端反接虽可实现双边带调制，但相比正规双边带调制器性能会较差。在转化损失过高时，需要添加放大器，但同时电路中串扰信号会得以放大，并经调制器、混频器等非线性器件进一步放大而增强发射信号中的杂峰强度，此时需要添加隔离器以降低不同支路间信号的相互串扰。
一次降频时的降频参考信号LO是采用常规调制器、YIG滤波器及六倍频器的方式获得随发射频率6f0+kf1变化的单频参考信号6f0±Δf，其中±通过窄带YIG有源滤波器选择性得滤出调制器输出信号中的上边带峰或下边带峰实现，其中Δf按照参考频率的基本设计方法确定，并依据内部参考路一次降频后信号的频谱确定一次降频的LO参考频率，识别出发射信号中的有效频率峰，确定一次混频后各通道工作频率。
所述参考频率的基本设计方法，其基本原理为：
对于发射信号其中ω0是载波角频率，ω1调制角频率，n为双边带调制器后的倍频器阶数，本方案实施方式中n＝6。在不考虑参考路中信号串扰的情况下，可表示为…nf0-kf1…nf0-f1,nf0,nf0+f1…nf0+kf1…，且有效频率峰为连续的数个峰。与固定参考频率nf0+Δf混频后，会产生一系列的Δf+kf1(直接混频产生，可推出发射频率)、nΔf+kf1(直接混频峰间二次、三次乃至更高阶间接混频，不能推出发射频率信息)及(因晶振基频fm非线性放大而产生)，降频参考频率设计只考虑直接混频Δf+kf1和间接混频nΔf+kf1。
因发射频率以f1为间隔，只考虑一个周期f1内的混频，为了减小杂峰，有(p＞m,且均为小整数)，同时，一次降频后发射信号中f＞nf0+Δf和f＜nf0+Δf的频率峰混频后的频率峰不能重叠/>最后为使直接混频峰和间接混频峰可区分/>数值推导和实际测试表明/>或/>时多峰频谱最优，有/>
然后以一次混频后的多峰频谱为对象，以最好的主峰功率均匀性、主峰可辨识性/频谱干净性为判断依据，确定一次降频参考频率中最后一个未知量q，最后确定的随发射频率变化的一次降频参考频率为经验性地，选择参考频率使得有效发射信号频率峰落于参考频率同一侧(高频侧或低频侧)，即降频后有效峰频率介于2-8GHz间，可在获得较低混频器转化损失下获得较干净的频谱。降频参考信号确定后，即根据一次混频后的多峰频谱确定一次混频后各通道工作频率。
如图2所示，图2即为本申请方案在所述参考频率基本设计方法下f0＝15GHz时的典型一次混频后多峰频谱，参考频率设计为
时的一次混频后多峰频谱，确定一次降频后多通道信号工作频率的频率为3.25、4.25、5.25、6.25和7.25GHz,对应发射信号中的有效频率峰为f＝6*f0+Δf+fpeak＝6*f0+(-1/0/1/2/3)GHz。
然后，对来自于发射信号和等离子体返回信号进行一次降频得到的二次混频参考信号LO和诊断信号RF进行对称设计,对二次混频两路信号LO和RF分别进行放大、多路功分、窄带带通滤波以获取各诊断通道信号。
接着，各诊断通道信号再经放大、衰减等匹配二次混频IQ解调器LO驱动功率，并进行同频率多通道两两匹配二次IQ降频，以获取各频率通道低频IQ诊断信号。
最后，IQ解调器输出端输出IQ信号，经放大、低通滤波进入后端数据采集子系统。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过采用新形式多频率产生结构来完成多通道多普勒反射计系统的搭建，整个方案仅使用一个高频合成源，更具有成本低廉、频率灵活可调及方案可扩展性强的特点；通过本发明中的参考频率基本设计方法可有效识别发射信号中的有效频率峰，并使一次混频后多峰频谱较为干净(间接混频峰弱)，使该多道系统具有可用性；通过首次采用发射端的分束片，实现收发分离的方案，在降低了传统方案中定向耦合器耦合损失的同时，避免了发射端微波向接收端天线渗漏的问题，大大改善了系统信噪比。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种多道多普勒反射计的实现方法，其特征在于，应用于多道多普勒反射计系统，包括多峰频率产生发射和接收模块、一次降频模块、多通道信号提取模块、IQ解调器驱动功率匹配模块、IQ信号调整模块，其中，
所述多峰频率产生发射和接收模块，采用了常规宽带IQ混频器和移相器的组合，通过将常规宽带IQ混频器的IQ端口为中频调制f1输入、LO端口为高频f0载波输入及RF端口为多峰调制信号输出来对其反接，并串联六倍频器，产生多峰信号，通过独立的圆喇叭天线发射和接收信号，在发射和接收喇叭间使用分束片实现微波信号在空间上的收发分离；
所述一次降频模块，是通过采用常规调制器、YIG滤波器及六倍频器的方式获取随发射频率变化的单频降频参考信号，频率参考信号的频率按照参考频率的基本设计方法确定出；
所述多通道信号提取模块，在一次混频后，对其输出的多峰频谱进行放大、多路功分及窄带带通滤波，以获取各有效频率通道二次降频所需的两两匹配的参考和诊断信号；
所述IQ解调器驱动功率匹配模块，对多通道信息提取模块获得的各路诊断通道的信号进行放大、衰减器衰减匹配功率来驱动二次混频IQ解调器,并进行同频率多通道两两匹配二次IQ降频,以获取各频率通道低频IQ诊断信号；
所述IQ信号调整模块，对各频率通道IQ解调器输出端的IQ信号进行放大、低通滤波，最后，进入后端数据采集子系统；
S1:首先，调试反接的常规宽带IQ混频器和移相器组合,获得上下边带抑制比可连续调节的双边带调制频谱,结合六倍频器产生高功率多频率峰发射信号；
S2:确定降频参考信号的工作频率，用降频参考信号对发射信号和等离子体返回信号进行一次降频，参考信号的频率按照参考频率基本设计方法确定，依据一次降频后的多峰频谱确定降频参考信号频率f＝nf0+Δf；
S3:降频参考频率确定后，识别并确定发射信号中的有效发射频率峰及一次降频后的多通道信号工作频率；
S4:对发射信号和等离子体返回信号进行一次降频得到的二次混频参考信号LO和诊断信号RF进行对称设计；对二次混频两路信号LO和RF将信号进行放大、多路功分及窄带带通滤波，即得出各诊断通道信号Δf+kf1及Δf+kf1+fD，所述各诊断通道信号再经放大或衰减匹配二次混频IQ解调器驱动功率，并进行同频率多通道两两匹配二次IQ降频，以获取各频率通道低频IQ诊断信号；
S5:IQ解调器输出端输出IQ信号，经放大、低通滤波进入后端数据采集子系统；
S6:最后，用独立的圆喇叭天线发射和接收信号完善多峰信号发射和接收模块，在发射和接收喇叭间使用分束片实现微波信号在空间上的收发分离，并测试完整系统是否正常运行；
所述确定降频参考信号，是按照参考频率基本设计方法进行确定，参考频率的设计是用于区分直接混频Δf+kf1与高次混频nΔf+kf1,n、k＝0,±1±2...以识别出有效发射频率峰，只考虑一个f1周期，参考频率可表示为以降低间接混频、混频后f＞nf0+Δf和f＜nf0+Δf的镜像峰不重叠/>为据，参考频率确定为/>
所述参考频率基本设计方法是以有效峰功率的均匀性和可辨识性为依据，把发射信号中有效频率峰设计在参考频率的同一侧，并使一次降频后频率落于2-8GHz间；
所述参考频率设计为
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