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VHF频段雷电信号模拟器设计及试验

罗在华  
【摘要】:本论文研究的主要内容是设计实现协助武汉三维闪电定位探测网定位精度估计外场试验工作使用的VHF频段雷电信号模拟器,并完成相关的现场试验检测。具体是设计实现可用于无人机载设备或探空气球搭载设备完成指定测试试验工作的,结合武汉三维闪电定位探测网定位精度估计外场试验要求进行特定功能设计的,模拟VHF频段自然闪电辐射的电磁波特性的雷电信号模拟器。VHF频段雷电信号模拟器的硬件设计主要包括,基于FPGA的数字电路设计及甚高频模拟信号两级声表面波滤波电路设计、频率可调本振数模-模数信号混合处理电路设计、模拟信号大功率放大器设计等。具体涉及基于FPGA的软件无线电技术;雷电信号模拟器产生理论;数字锁相环技术;数字及模拟滤波器设计理论等多项理论技术。在VHF频段雷电信号模拟器的设计实现阶段,从涉及的芯片选型,到印制电路板布局布线等方面都做了细致考虑;采用基于Verilog语言编程的FPGA芯片对信号源的可控芯片进行统一配置;信号源工作状态进行查询、功能维护和程序升级等可通过RS232串口和ISP接口等多种手段实现;为了方便今后信号源功能扩展的需要,FPGA芯片内部预留了充足的片上资源;冗余硬件设计与可编程软件设计的结合增强了信号源的灵活性和可扩展性。本课题还设计实现了基于MATLAB计算机语言编程的计算机仿真试验模型,模拟计算利用探空气球携带信号源升空及降落过程的运动特性,仿真结果对后期现场试验有重要指导意义。在相关现场试验之前,对VHF频段雷电信号模拟器的信号波形、幅度频率特性、噪声系数及信号增益等参数指标进行了测试,测试结果显示本文设计的信号源实现了设计方案全部要求。VHF频段雷电信号模拟器在武汉三维闪电定位探测网开展的相关测向精度估计试验、时差精度估计试验及定位精度估计试验等多种类型的现场试验中发挥了重要作用,也充分验证了信号源设计方案的正确性和实用意义。


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