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电离层综合探测系统总体设计及其关键技术研究

杨国斌  
【摘要】:电离层作为信号反射、折射介质是随机参变信道,其特性随时空变化。随着微电子技术、高速信号处理技术、雷达技术和现代网络通信技术的迅猛发展,小型化、数字化、自动化和多功能化已成为电离层探测技术发展的必然趋势。从早期的模拟方式到数字方式,从单台单点探测走向多台组网大范围实时观测,且探测的自动化程度大幅度提高,获取的电离层特性参数也更加丰富、准确。利用网络通信技术进行电离层观测数据的传输与共享,可以实现对大范围电离层空间环境的实时监测与分析。 利用电离层垂直探测、返回散射探测、斜向探测和环境噪声监测等技术手段,可以实现对电离层和电波环境的综合诊断和频谱管理,对空间天气学研究和国防建设具有重大意义。鉴于传统的电离层探测设备大都只能实现单一探测方式,因此在同一个系统硬件操作平台上实现垂测、斜向返回探测、斜测和复杂电磁环境频谱监测多种功能,形成一个电离层-电磁环境综合探测系统,能够克服原来单一的电离层探测设备功能少、覆盖范围有限,获取探测参数少的劣势,实现全方位、多参数地获取电离层特性、高频信道传播特性和电磁环境特性。本文从构建多功能电离层探测系统需求出发,从系统探测原理和关键技术入手,设计了一套基于测试仪器总线的电离层综合探测系统。该系统集电离层垂测、斜测、斜向返回探测和频谱监测于一体,对于丰富我国空间环境探测、发展电离层探测技术、研究高频信道特性、监测复杂电磁环境具有重要工程应用价值。 本文的工作和研究成果主要有以下几个方面: 1、首次提出了电离层综合探测系统的概念。该系统一机多能,通过分时操作可实现电离层垂直探测、斜测、斜向返回探测和电磁环境频谱监测,具有探测功能多、体积重量小、发射功率低、探测距离远、多普勒分辨能力强等优点。 2、通过分析PXI总线在系统设计方面的优势,采用先进的虚拟仪器总线技术,在PXI总线的基础上构建了电离层综合探测系统。结合探测需求,分析了整机系统设计时需要考虑的一些关键问题,并依此设计了整机系统的技术指标参数。 3、依据系统的设计要求详细分析了系统接收通道的设计原则,结合成熟的短波接收机设计技术和经验,实现了射频接收前端各部分的设计,所研制的模拟接收模块经测试,指标完全符合系统设计的要求。 4、采用先进的数字电路设计技术研制了电离层综合探测系统的中频采集处理与控制模块。作为雷达系统的核心模块,它包含了雷达中频信号的数字化采集部分、雷达数据处理与时序主控制单元。特别是在控制和处理端,DSPFPGA的嵌入式硬件架构可以实现强大的时序控制和数据处理能力,系统具备较高的稳定性和可升级性。 5、搭建了基于PX工总线的GPS接收机模块的电离层综合探测系统斜测分系统;搭建了基于现有的高速射频采集模块的频谱监测硬件平台;设计了频谱监测的虚拟仪器程序架构。 6、对电离层综合探测系统进行了功能性探测实验。利用不同的收发天线,在不同时间地点条件下,对系统的电离层探测功能进行了实验验证。探测实验结果表明,本文所研制的综合探测系统完全可实现电离层垂测、斜测和斜向返回探测。


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