一种电离层探测方法及系统与流程

本发明涉及雷达探测领域，尤其是涉及一种电离层探测方法及系统。

背景技术：

电离层探测雷达是对电离层进行探测的重要工具，传统电离层探测雷达中对信号的处理都是依赖硬件实现的，虽然可以精确地测量出电离层的相关数据，但是其价格一般很高，硬件升级和维护很不方便，需要变更探测需求时，往往因为探测硬件固化而不够灵活。利用传统的电离层探测雷达研究、探测电离层，成本太高，且不够灵活、不够开放、不够方便。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种电离层探测方法及系统，解决现有技术中的上述技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种电离层探测方法，包括：

s1、使用usrp发射设定频率的电磁波，并记录发射的电磁波的信息为第一电磁波信息；

s2、使用usrp接收经电离层反射的电磁波，获取接收的电磁波的信息为第二电磁波信息；

s3、usrp通过千兆网口与计算机通信，计算机根据第一电磁波信息、第二电磁波信息计算设定电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度；

s4、通过计算机向usrp发送指令，改变usrp发射的电磁波频率，再次执行步骤s1-s3，获取不同电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度及电离层电子径向速度并绘制电离层分布图。

本发明还提供一种电离层探测系统，包括：

发射模块：使用usrp发射设定频率的电磁波，并记录发射的电磁波的信息为第一电磁波信息；

接收模块：使用usrp接收经电离层反射的电磁波，获取接收的电磁波的信息为第二电磁波信息；

计算模块：usrp通过千兆网口与计算机通信，计算机根据第一电磁波信息、第二电磁波信息计算设定电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度；

循环计算与绘图模块：通过计算机向usrp发送指令，改变usrp发射的电磁波频率，再次执行发射模块、接收模块、计算模块的操作，获取不同电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度及电离层电子径向速度并绘制电离层分布图。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：usrp通过千兆网口与计算机通信，usrp实现电磁波的收发及初步的信号处理，计算机进行较为复杂的信号处理和电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度的计算，利用usrp和已编程的计算机即可实现电离层探测，成本低廉，灵活、便利、开放程度高，易于维护。

附图说明

图1是本发明提供的一种电离层探测方法流程图；

图2是本发明提供的一种电离层探测系统结构框图。

附图中：1、电离层探测系统，11、发射模块，12、接收模块，13、计算模块，14、循环计算与绘图模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

usrp全称是通用软件无线电外围设备，实现了射频信号发射和接收。它由一个母板和不同的子板组成。本发明的实施例中，母板包含4个12bit/64m模/数转换器(adc)、4个14bit/128m数/模转换器(dac)、一个可重复编程的fpga芯片。每个usrp母板上可安装四个子板，其中两个用于接收，另外两个用于发射。通过连接不同的子板，usrp可以处理不同频段的信号。

本发明的实施例中，将usrp和计算机通过千兆网口连接，usrp通过千兆网口与计算机通信，usrp中的fpga进行信号的上下变频、抽样和内插等数字信号简单操作，usrp发射或者接收的电磁波信号经过fpga处理后传递给计算机，计算机进行fft处理、调制解调等较为复杂的数字信号处理，且计算机负责计算需要探测的电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度，并绘制电离层分布图。

本发明的实施例中，与usrp连接的计算机上的软件模块编程通过gnuradio平台实现，通过对软件模块的编程实现对usrp的控制、计算机上的信号处理以及相关的计算任务。gnu是一个由fsf(freesoftwarefoundation)提供支持的开放源代码著名项目。gnuradio运行于linux系统，其软件代码完全公开，其设计的核心思想是：基带信号处理过程由通用处理器而不是dsp(dsp芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片)实现；基带信号通过千兆网口与射频前端usrp相连，由usrp上的fpga实现数字上下变频(duc/ddc)，然后通过adc/dac芯片与射频子板连接；覆盖不同频段的射频子板将模拟信号变换为射频进行信号收与发。gnuradio提供了一个信号处理模块的库，并且有个机制可以把单个的处理模块连接在一起形成一个系统。编程者通过建立一个流向图(flowgraph)就可以快速搭建一个无线电通信系统。gnuradio的编程实现主要基于python脚本语言和c++语言。c++语言被用于编写各种信号处理模块，具有较高的执行效率。gnuradio提供了超过100个现成的信号处理模块，并且编写新的处理模块也是非常容易。而软件图形化接口和信号处理模块的链接机制则是通过python脚本语言实现的。

本发明提供了一种电离层探测方法，包括：

s1、使用usrp发射设定频率的电磁波，并记录发射的电磁波的信息为第一电磁波信息；

s2、使用usrp接收经电离层反射的电磁波，获取接收的电磁波的信息为第二电磁波信息；

s3、usrp通过千兆网口与计算机通信，计算机根据第一电磁波信息、第二电磁波信息计算设定电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度；

s4、通过计算机向usrp发送指令，改变usrp发射的电磁波频率，再次执行步骤s1-s3，获取不同电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度及电离层电子径向速度并绘制电离层分布图。

本发明所述的电离层探测方法，步骤s1中：

第一电磁波信息包括：发射电磁波的时间t1、发射的电磁波的频率f1。

本发明所述的电离层探测方法，步骤s2中：

第二电磁波信息包括：接收到经电离层反射的电磁波的时间t2、接收的经电离层反射的电磁波的频率f2。

本发明所述的电离层探测方法，步骤s3中：

根据计算电离层高度，其中，r表示电离层高度，c表示电磁波传播速度(光速)，t0表示发射电磁波与接收到反射的电磁波之间的时间间隔，t0＝t2-t1；

根据计算电离层电子密度，其中，ne表示电离层电子密度；

根据计算电离层电子径向速度，其中，vr表示电离层电子径向速度，fd表示多普勒频移，fd＝f1-f2。

本发明所述的电离层探测方法，步骤s4中：

由于不同频率电磁波对于电离层的穿透作用不同，所以不同发射频率电磁波在电离层的不同高度被反射，由公式计算出的电离层高度是该频率电磁波的电离层反射高度，改变电磁波的发射频率，则可以测量该区域电离层的区域范围，并且可将电磁波发射频率和电磁波发射频率对应的电离层高度输入matlab中，以电磁波发射频率、电离层高度分别为x、y轴绘制电离层分布图。

本发明还提供一种电离层探测系统1，包括：

发射模块11：使用usrp发射设定频率的电磁波，并记录发射的电磁波的信息为第一电磁波信息；

接收模块12：使用usrp接收经电离层反射的电磁波，获取接收的电磁波的信息为第二电磁波信息；

计算模块13：usrp通过千兆网口与计算机通信，计算机根据第一电磁波信息、第二电磁波信息计算设定电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度；

循环计算与绘图模块14：通过计算机向usrp发送指令，改变usrp发射的电磁波频率，再次执行发射模块11、接收模块12、计算模块的操作13，获取不同电磁波发射频率下的电离层高度、电离层电子密度及电离层电子径向速度并绘制电离层分布图。

本发明所述的电离层探测系统1，发射模块11中：

第一电磁波信息包括：发射电磁波的时间t1、发射的电磁波的频率f1。

本发明所述的电离层探测系统1，接收模块12中：

第二电磁波信息包括：接收到经电离层反射的电磁波的时间t2、接收的经电离层反射的电磁波的频率f2。

本发明所述的电离层探测系统1，计算模块13中：

根据计算电离层高度，其中，r表示电离层高度，c表示电磁波传播速度，t0表示发射电磁波与接收到反射的电磁波之间的时间间隔，t0＝t2-t1；

根据计算电离层电子密度，其中，ne表示电离层电子密度；

根据计算电离层电子径向速度，其中，vr表示电离层电子径向速度，fd表示多普勒频移，fd＝f1-f2。

本发明所述的电离层探测系统1，循环计算与绘图模块14中：

获取不同电磁波发射频率下的电离层高度后，将电磁波发射频率和电磁波发射频率对应的电离层高度输入matlab中，从而绘制电离层分布图。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：usrp通过千兆网口与计算机通信，usrp实现电磁波的收发及初步的信号处理，计算机进行较为复杂的信号处理和电离层高度、电离层电子密度、电离层电子径向速度的计算，利用usrp和已编程的计算机即可实现电离层探测，成本低廉，灵活、便利、开放程度高，易于维护。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。