数字电离层测高仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种数字电离层测高仪，其进行电离层探测和数据接收处理，其中，数字下变频处理单元包括数字混频器、积分抽取滤波器、补偿滤波器和可编程滤波器，由数模转换器量化后的信号和频率合成单元所产生的正弦本地振荡器信号、余弦本地振荡器信号输入到数字混频器中，数字混频器的输出信号输入到积分抽取滤波器中，积分抽取滤波器对混频后的信号进行预定倍数的抽取和低通滤波处理，补偿滤波器对积分抽取滤波器的输出信号进行幅度补偿，并由可编程滤波器进一步做抽取滤波处理。从而有效消除了模拟下变频所带来的I、Q通道不平衡的影响。
【专利说明】数字电离层测高仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间电离层无线电探测【技术领域】，尤其涉及一种基于软件无线电思想的电离层测高仪。
【背景技术】
[0002]电离层垂直探测是用高频无线电波从地面对电离层进行日常观测的技术。这种技术使用的探测设备称为电离层测高仪(或称为垂测仪)。它垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，在同一地点接收这些脉冲的电离层反射信号，测量出电波往返的传递时延，从而获得反射高度与频率的关系曲线。这种曲线称为频高图或垂测电离图。
[0003]这种探测方法是美国G.布赖特和M.A.图夫二人于1925年发明的，至今仍是电离层探测的最基本的手段。
[0004]电离层垂直探测要实现电波调制、编码、发射、接收和分析计算，由于现代电离层测高仪使用了大量高速数字电路和数字信号处理技术，又经常被称为电离层数字测高仪。随着空间环境实时监测和预报的需要和现代网络通信技术的发展，实现电离层测高仪的数字化、自动化和网络化已成为现代电离层探测的发展趋势和方向。
[0005]电离层测高仪实质上是一台短波脉冲雷达，通常由发射机、接收机、天线、频率合
成器、显示记录器、程序控制器等组成。其工作频率可在整个短波波段的频率范围(0.5~
30兆赫)内连续改变。电离层测高仪在进行探测时，发射机的高频脉冲振荡通过天线垂直
向上辐射，不计碰撞和地磁场的影响，根据阿普顿-哈特里公式(公式1.D，电离层介质的
折射指数η为电离层反射最重要的参数，f为发射频率(兆赫)，对应于电离层中某一高度
的电子密度值NOiT3)各有一个&值。利用测高仪对电离层某层进行探测时，将发射机频率
f由低值逐渐增高，当f = fN时，η = O,电波就从与N相对应的高度反射回来。如果该层最
大电子密度值为Nm，则从该层反射的电波最高频率fN即为该层的临界频率。如果f>fN，电
波将穿过该层入射到更高的电离层次。当f的值足够高而使电波能穿过最高的层次时，这
个频率即为整个电离层的穿透频率。
【权利要求】
1.一种数字电离层测高仪，其进行电离层探测和数据接收处理，其特征在于，包括: 天线系统，其具备发射天线和接收天线，所述发射天线和所述接收天线中的每一个均采用两个相互正交的Delta天线； 控制信号产生单元，其根据配置参数生成相应的控制时序； 发射组件，其与所述发射天线相连，该发射组件所包含的频率合成单元在所述控制时序的控制下产生相位编码调制信号，该相位编码调制信号被放大后馈送到所述发射天线，并由所述发射天线向电离层发送； 接收组件，其与所述发射天线相连，所述接收组件对所述接收天线从电离层接收到的回波信号进行数字化和下变频处理；和 脉冲压缩处理及显控终端，其对来自接收组件的信号进行脉冲压缩处理及数据显示， 所述接收组件包括数模转换器和数字下变频处理单元， 所述数模转换器对来自接收天线的信号直接进行量化， 所述数字下变频处理单元包括数字混频器、积分抽取滤波器、补偿滤波器和可编程滤波器，由所述数模转换器量化后的信号和所述频率合成单元所产生的正弦本地振荡器信号、余弦本地振荡器信号输入到所述数字混频器中，所述数字混频器的输出信号输入到所述积分抽取滤波器中，所述积分抽取滤波器对混频后的信号进行预定倍数的抽取和低通滤波处理，所述补偿滤波器对所述积分抽取滤波器的输出信号进行幅度补偿，并由所述可编程滤波器进一步做抽取滤波处理。
2.根据权利要求1所述的数字 电离层测高仪，其特征在于， 所述控制信号产生单元在数字电离层测高仪的I个脉冲重复周期内并行地执行以下操作: a)4次码型变换，其中选用的调制码型为16位互补码，包括A码和B码，其中A码为I1-11111-1-1111-11-1-1，B 码为-1 -11 -1 -1-1-11-1111-11 -1-1 ; b)2次极化方式的转化，所述极化分别对应左旋圆极化和右旋圆极化； c)4次信号发射和4次数据采集过程，其中I次信号发射和数据采集过程对应I次码型变换。
3.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪，其特征在于， 所述频率合成单元由FPGA来实现，并产生IMHz至26MHz的正弦本地振荡器、余弦本地振荡器信号，其频率和初始相位根据控制参数进行实时调整。
4.根据权利要求3所述的数字电离层测高仪，其特征在于， 所述频率合成单元产生的信号一路作为发射脉冲的载波信号，另一路送入所述接收组件作为所述数字下变频处理单元的本地振荡器信号。
5.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪，其特征在于， 所述发射组件还包括编码信号产生单元和相位调制器，该编码信号产生单元产生16位的互补码，在所述相位调制器中利用该互补码对所述频率合成单元产生的载波信号进行相位调制。
6.根据权利要求5所述的数字电离层测高仪，其特征在于， 所述互补码的单个码元的时间宽度Ts = 33.33 μ S，带宽为30ΚΗζ，对应高度分辨率为5km，发射信号持续时间为16位码元的时间宽度，即T = 533.33 μ S。
7.根据权利要求5或6所述的数字电离层测高仪，其特征在于， 所述发射组件还包括数模转换器、低通滤波器、信号调理单元和双通道发射机， 数模转换器将由所述相位调制器调制后的载波信号转化为模拟信号后送入所述低通滤波器进行滤波，所述低通滤波器的输出信号经过所述信号调理单元放大后再由所述双通道发射机放大并输出， 所述双通道发射机包括两级放大器，其中前级为驱动放大器，第二级为功率放大器。
8.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪，其特征在于， 所述接收组件包括可调增益放大电路，该可调增益放大电路包括低噪声放大器和可调增益放大器，该可调增益放大器的增益调整范围为-12dB至32dB。
9.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪，其特征在于， 所述脉冲压缩处理及显控终端采用由相干积分实现的数字脉冲压缩处理方法， 所述脉冲压缩处理及显控终端的输入包括复包络输入信号和复制的参考波形。
10.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪，其特征在于， 所述发射天线和所述接收天线均采用平行双线结构，并且所述发射天线和所述接收天线以预定的高度和张角布置。
【文档编号】G01S13/08GK103698758SQ201310750550
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】方广有, 王顺, 张锋, 宫兆前, 陈紫微 申请人:中国科学院电子学研究所