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电离层斜向和斜向返回探测系统关键技术研究

石书祝  
【摘要】:随着电子技术、数字信号处理技术、雷达技术和现代网络通信技术的迅猛发展,电离层探测已从早期的模拟化探测设备转变到数字化探测设备,从单台单点探测走向多台组网大范围探测,且探测的自动化程度大幅度提高,所获取的电离层特性参数也更加丰富、准确。网络通信技术的应用,又实现了电离层探测数据远距离的传输与共享。小型化、数字化、自动化和网络化已成为电离层探测技术发展的必然趋势。 武汉大学自行研制的电离层斜向返回探测系统(Wuhan Ionospheric Oblique Backscattering Sounding System, WIOBSS),采用伪随机编码、脉冲压缩和相干频谱积累等技术,能以200~500W的发射功率实现半径1200km范围内的电离层斜向返回探测,也可用几十瓦的功率实现电离层垂直探测。更为重要的是,WIOBSS在获取频率-群时延距离-回波幅度电离图的同时,还可实时获取多普勒信息,且分辨率较高。在整体结构设计上,WIOBSS依据软件化雷达设计思想,采用高性能的数字信号处理器,现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)等器件,保证了系统的开放性、通用性和功能可扩展性,提高了系统工作的可靠性,并最终设计成为体积小、重量轻、发射功率小、探测功能多、适合于车载移动使用的电离层探测系统。 本文针对第一代和第二代WIOBSS的不足,将软件无线电技术、面向仪器系统的外围部件互联总线的扩展(Peripheral component interconnect eXtensions for Instruments, PXI)总线技术、ADS (Advanced Design System)建模仿真技术应用于新一代的WIOBSS中,从而将WIOBSS设计成为高度灵活性、开放性和易升级性的车载式电离层斜向返回探测系统。同时,利用基于全球定位系统(Global Positioning System, GPS)的时间频率同步等手段,在WIOBSS基础之上设计并开发了一套电离层斜向探测系统,从而丰富了WIOBSS的探测功能。 本论文研究工作的主要贡献体现在以下几个方面: 1.为新一代WIOBSS设计并开发了一套基于软件无线电技术的数字化发射通道。该发射通道采用高性能的FPGA和数字上变频器搭建一个通用的硬件平台。在该平台上,尽量减少模拟器件部分,并通过可编程软件来实现大部分的功能。实际探测中,采用该发射通道的WIOBSS只需加载不同的软件就可以灵活地改变雷达的编码调制方式和探测体制,从而实现多种电离层探测模式。 2.设计并开发了一套新型电离层斜向探测系统—武汉电离层斜向探测系统(Wuhan Radio Ionospheric Oblique Sounding System, WRIOSS)。该系统在继承WIOBSS的探测体制基础之上,通过加入基于GPS的时间频率同步等技术来实现电离层斜向探测。相对于传统的电离层斜向探测系统,WRIOSS在进行斜向探测的同时还能进行斜向返回探测,从而使系统具备一机多能的特点。而且WRIOSS可以实时获得具有较高分辨率的斜向探测多普勒信息,从而为利用多普勒来研究沿探测路径电离层随时间的变化提供了条件。另外,WRIOSS还可实现两站之间的互发互收,从而为高频信道特性的研究开拓了新的手段。 3.提出并实现了一种新型的基于GPS的时间频率同步方法,以满足WRIOSS对时间频率同步的需求。该同步方法利用GPS接收机输出的秒脉冲信号校正高性能恒温晶振输出的时间和频率参考信号,以获得高稳定度和高准确度的1 0MHz频率信号作为WRIOSS发射端和接收端的参考频率,从而实现WRIOSS的频率同步。同时还将所获得的高精度秒脉冲信号用作WRIOSS的时间同步信号。在预定的探测时刻,单片机同步板卡利用该信号控制电离层斜向探测系统的发射端和接收端同时开始工作,从而实现WRIOSS的时间同步。与传统的时间频率同步方法相比,这种方法不但能够获得ns量级的时间同步精度和1E-12量级的频率同步精度,而且不管GPS是否处于锁定的状态,都能够为WRIOSS提供稳定可靠的时间频率同步信号,从而保证了WRIOSS的全天候探测性能。 4.为新一代WIOBSS设计并开发了一套PXI总线接口模块。该模块利用FPGA和专用接口芯片PCI9054搭建硬件平台,并实现了外围部件互联从模式和直接存储器访问块模式两种数据传输方式以满足WIOBSS中不同模块与主机通信的需求。另外,该模块利用DriverStudio开发接口驱动程序以实现WIOBSS中各模块的即插即用性能。实验结果表明,在不包括天线和功率放大器的情况下,采用该PXI总线接口模块的WIOBSS的尺寸约为177.8x431.8×457.2mm,适合于车载。另外,从实际探测结果中可以看出,采用PXI总线接口模块的WIOBSS清晰地获得了2200km范围内包含有电离层斜向返回探测信息和电离层垂直探测信息的扫频电离图和多普勒电离图。 5.提出了一种新颖的基于ADS的WIOBSS硬件平台建模仿真方法,并将其应用于WIOBSS发射通道的建模仿真当中。与其它仿真方法相比,这种仿真方法所得到的仿真结果更加贴近实际测试结果,因此可用于指导实际的WIOBSS硬件结构设计。


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