數字電離層測高儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種數字電離層測高儀，其進行電離層探測和數據接收處理，其中，數字下變頻處理單元包括數字混頻器、積分抽取濾波器、補償濾波器和可編程濾波器，由數模轉換器量化后的信號和頻率合成單元所產生的正弦本地振蕩器信號、余弦本地振蕩器信號輸入到數字混頻器中，數字混頻器的輸出信號輸入到積分抽取濾波器中，積分抽取濾波器對混頻后的信號進行預定倍數的抽取和低通濾波處理，補償濾波器對積分抽取濾波器的輸出信號進行幅度補償，并由可編程濾波器進一步做抽取濾波處理。從而有效消除了模擬下變頻所帶來的I、Q通道不平衡的影響。
【專利說明】數字電離層測高儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及空間電離層無線電探測【技術領域】，尤其涉及一種基于軟件無線電思想的電離層測高儀。
【背景技術】
[0002]電離層垂直探測是用高頻無線電波從地面對電離層進行日常觀測的技術。這種技術使用的探測設備稱為電離層測高儀(或稱為垂測儀)。它垂直向上發射頻率隨時間變化的無線電脈沖，在同一地點接收這些脈沖的電離層反射信號，測量出電波往返的傳遞時延，從而獲得反射高度與頻率的關系曲線。這種曲線稱為頻高圖或垂測電離圖。
[0003]這種探測方法是美國G.布賴特和M.A.圖夫二人于1925年發明的，至今仍是電離層探測的最基本的手段。
[0004]電離層垂直探測要實現電波調制、編碼、發射、接收和分析計算，由于現代電離層測高儀使用了大量高速數字電路和數字信號處理技術，又經常被稱為電離層數字測高儀。隨著空間環境實時監測和預報的需要和現代網絡通信技術的發展，實現電離層測高儀的數字化、自動化和網絡化已成為現代電離層探測的發展趨勢和方向。
[0005]電離層測高儀實質上是一臺短波脈沖雷達，通常由發射機、接收機、天線、頻率合
成器、顯示記錄器、程序控制器等組成。其工作頻率可在整個短波波段的頻率范圍(0.5~
30兆赫)內連續改變。電離層測高儀在進行探測時，發射機的高頻脈沖振蕩通過天線垂直
向上輻射，不計碰撞和地磁場的影響，根據阿普頓-哈特里公式(公式1.D，電離層介質的
折射指數η為電離層反射最重要的參數，f為發射頻率(兆赫)，對應于電離層中某一高度
的電子密度值NOiT3)各有一個&值。利用測高儀對電離層某層進行探測時，將發射機頻率
f由低值逐漸增高，當f = fN時，η = O,電波就從與N相對應的高度反射回來。如果該層最
大電子密度值為Nm，則從該層反射的電波最高頻率fN即為該層的臨界頻率。如果f>fN，電
波將穿過該層入射到更高的電離層次。當f的值足夠高而使電波能穿過最高的層次時，這
個頻率即為整個電離層的穿透頻率。
【權利要求】
1.一種數字電離層測高儀，其進行電離層探測和數據接收處理，其特征在于，包括: 天線系統，其具備發射天線和接收天線，所述發射天線和所述接收天線中的每一個均采用兩個相互正交的Delta天線； 控制信號產生單元，其根據配置參數生成相應的控制時序； 發射組件，其與所述發射天線相連，該發射組件所包含的頻率合成單元在所述控制時序的控制下產生相位編碼調制信號，該相位編碼調制信號被放大后饋送到所述發射天線，并由所述發射天線向電離層發送； 接收組件，其與所述發射天線相連，所述接收組件對所述接收天線從電離層接收到的回波信號進行數字化和下變頻處理；和 脈沖壓縮處理及顯控終端，其對來自接收組件的信號進行脈沖壓縮處理及數據顯示， 所述接收組件包括數模轉換器和數字下變頻處理單元， 所述數模轉換器對來自接收天線的信號直接進行量化， 所述數字下變頻處理單元包括數字混頻器、積分抽取濾波器、補償濾波器和可編程濾波器，由所述數模轉換器量化后的信號和所述頻率合成單元所產生的正弦本地振蕩器信號、余弦本地振蕩器信號輸入到所述數字混頻器中，所述數字混頻器的輸出信號輸入到所述積分抽取濾波器中，所述積分抽取濾波器對混頻后的信號進行預定倍數的抽取和低通濾波處理，所述補償濾波器對所述積分抽取濾波器的輸出信號進行幅度補償，并由所述可編程濾波器進一步做抽取濾波處理。
2.根據權利要求1所述的數字 電離層測高儀，其特征在于， 所述控制信號產生單元在數字電離層測高儀的I個脈沖重復周期內并行地執行以下操作: a)4次碼型變換，其中選用的調制碼型為16位互補碼，包括A碼和B碼，其中A碼為I1-11111-1-1111-11-1-1，B 碼為-1 -11 -1 -1-1-11-1111-11 -1-1 ; b)2次極化方式的轉化，所述極化分別對應左旋圓極化和右旋圓極化； c)4次信號發射和4次數據采集過程，其中I次信號發射和數據采集過程對應I次碼型變換。
3.根據權利要求1所述的數字電離層測高儀，其特征在于， 所述頻率合成單元由FPGA來實現，并產生IMHz至26MHz的正弦本地振蕩器、余弦本地振蕩器信號，其頻率和初始相位根據控制參數進行實時調整。
4.根據權利要求3所述的數字電離層測高儀，其特征在于， 所述頻率合成單元產生的信號一路作為發射脈沖的載波信號，另一路送入所述接收組件作為所述數字下變頻處理單元的本地振蕩器信號。
5.根據權利要求1所述的數字電離層測高儀，其特征在于， 所述發射組件還包括編碼信號產生單元和相位調制器，該編碼信號產生單元產生16位的互補碼，在所述相位調制器中利用該互補碼對所述頻率合成單元產生的載波信號進行相位調制。
6.根據權利要求5所述的數字電離層測高儀，其特征在于， 所述互補碼的單個碼元的時間寬度Ts = 33.33 μ S，帶寬為30ΚΗζ，對應高度分辨率為5km，發射信號持續時間為16位碼元的時間寬度，即T = 533.33 μ S。
7.根據權利要求5或6所述的數字電離層測高儀，其特征在于， 所述發射組件還包括數模轉換器、低通濾波器、信號調理單元和雙通道發射機， 數模轉換器將由所述相位調制器調制后的載波信號轉化為模擬信號后送入所述低通濾波器進行濾波，所述低通濾波器的輸出信號經過所述信號調理單元放大后再由所述雙通道發射機放大并輸出， 所述雙通道發射機包括兩級放大器，其中前級為驅動放大器，第二級為功率放大器。
8.根據權利要求1所述的數字電離層測高儀，其特征在于， 所述接收組件包括可調增益放大電路，該可調增益放大電路包括低噪聲放大器和可調增益放大器，該可調增益放大器的增益調整范圍為-12dB至32dB。
9.根據權利要求1所述的數字電離層測高儀，其特征在于， 所述脈沖壓縮處理及顯控終端采用由相干積分實現的數字脈沖壓縮處理方法， 所述脈沖壓縮處理及顯控終端的輸入包括復包絡輸入信號和復制的參考波形。
10.根據權利要求1所述的數字電離層測高儀，其特征在于， 所述發射天線和所述接收天線均采用平行雙線結構，并且所述發射天線和所述接收天線以預定的高度和張角布置。
【文檔編號】G01S13/08GK103698758SQ201310750550
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】方廣有, 王順, 張鋒, 宮兆前, 陳紫微 申請人:中國科學院電子學研究所