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软件无线电在电离层测高仪中的应用研究

林晨  
【摘要】: 电离层物理是以探测为基础的实验科学,对电离层的探测研究在该学科中一直占有重要地位,电离层科学的发展历史表明:新的探测手段和探测方法总是不断地推动电离层物理研究的发展,而电离层物理研究的需要也不断对电离层探测提出新的要求。在电离层探测近八十年的发展历史中,电离层的无线电波探测一直占据重要地位。新的无线电技术、微电子技术和计算机技术的发展有力地推动了各种电离层无线电探测手段的发展,为电离层的探测研究做出了重要贡献。 在电离层无线电波探测中,地面电离层垂直探测一直是非常重要的常规手段,在电离层监测中至今仍发挥着重要作用。目前,世界上有近200个这样的常规观测台站在连续24小时不间断的工作。随着新技术的发展,电离层垂直探测也从早期的手动式发展到自动式,从模拟式发展到数字式。上世纪九十年代开始,又发展了小型化和具有网络功能的数字测高仪。 进入新世纪以来,人类的空间活动日益频繁,对包括电离层在内的空间天气的变化越来越重视,对电离层天气的监测手段也提出了新的要求。作为电离层探测的基本手段—电离层测高仪技术也需要不断发展和完善。正是在这种背景下,我们借助武汉电离层观象台多年来使用电离层测高仪的丰富经验,提出了构建新型软件化电离层数字测高仪系统的设想。这种新型的探测系统具有技术先进、性能更好、功能强大、结构简便、操作灵活等特点,并能根据不同科学研究目的通过改变软件来完成新探测模式的开发。本文将软件无线电思想和电离层垂直探测技术相结合,完成了硬件结构总体方案的设计,并研制了系统接收部分的数据采集与预处理平台,调试通过了平台所能完成的功能,为新型软件化电离层数字测高仪探测系统的实现奠定了基础。 本文所做的工作主要有: 1)由于软件无线电技术是在二十世纪九十年代才兴起的,可以说是一门很新的学科。本文从概念的提出、研究现状、硬件实现和理论基础几个方面对软件无线电作了较为全面的介绍,并将其贯穿到整个新型软件化电离层数字测高仪探测系统的研制过程之中。 2)通过对现代电离层数字测高仪技术发展的研究,并结合软件无线电和现代电离层数字测高仪技术,本文提出了新型软件化电离层数字测高仪探测系统的设计思想,分析了软件无线电技术应用于电离层探测系统中的可行性,为系统方案提供了理论依据。 3)设计了系统接收部分数字化数据采集与预处理平台。该平台由高速信号采集、数字下变频、高速数据传输接口和通用计算机构成,作为核心的高速信号采集和数字下变频部分使用了性能非常强的元器件(AD6644、GC4016等),数据传输则采用了高速PCI总线。通过实验调试,验证了平台的中频带通采样功能,确定了信号的输入范围,检验了数据率抽取、滤波器设置等功能。即使在采样速率很高的情况下,通过选取不同的抽样率,不仅可以保证数据采集的连续性和实时性,还能够实现从窄带到宽带的多种带宽模式的采样。此外,该平台的工作模式灵活多样,不仅能够很好地对连续信号、脉冲信号进行采样,而且对于调幅、调频等调制信号,采样结果也能很好地还原出原始信号。该平台也能很好地完成数据的实时处理,如对调制信号采样后的实时调解和保存等。 本文的工作只是在基于软件无线电技术的数据采集和预处理上进行了一定的摸索,后续工作的开展还有大量的问题等待解决。希望我们的工作能够为新型软件化电离层数字测高仪探测系统的研制以及软件无线电技术在电离层电波探测中的应用奠定下一定的基础。


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