相连接。通过USB接口写入命令能够完成对各个DDS输出信号的波 形参数控制。各个DDS的输出经过功率放大，经过收发开关传输到各副天线竖直向上辐射 出去。
[0029] 参见图2,计算机的波形控制指令通过USB总线、USB接口电路传送至FPGA芯片， 在FPGA内部完成指令的解算和对DDS芯片的时序控制，通过USB总线可以直接控制DDS输 出各种所需要的雷达波形信号。DDS采用的是ADI公司的双通道DDS芯片，通过写入DDS芯 片内部相位控制字寄存器可以实时调整DDS输出的相位，DDS的输出经过滤波放大、功率放 大和收发开关之后通过折合偶极子天线垂直向上辐射出去。
[0030] 多通道雷达接收系统包括射频模拟前端、FPGA芯片、多通道高速A/D采样芯片。多 通道雷达接收系统的各个接收通道与多通道雷达发射系统的相应收发开关相互连接。多通 道接收系统采集得到的原始数据通过USB总线传输到计算机进行进一步的处理和分析。
[0031] 参见图3,针对本发明实施例的平拉折合偶极子天线阵列中三组天线，每组中两幅 天线分别接收到的回波信号经过相应的两路收发开关、前级滤波放大、混频、中频滤波之后 由多通道A/D采样，在FPGA内部完成数字下变频和通道数据打包再经由USB总线将原始数 据传输至计算机进行进一步的处理和分析。具体实施时，六路前级滤波放大、混频、中频滤 波所得信号可由一个多通道高速A/D采样芯片集中实现采集。
[0032] 具体实施时，多通道雷达发射系统的FPGA芯片和多通道雷达接收系统的FPGA芯 片可集成实现，FPGA芯片、DDS芯片、多通道高速A/D采样芯片的工作时钟CLK可由同一时 钟源提供，本领域技术人员可自行利用现有芯片/电路实现本发明系统结构。多通道雷达 系统通过USB总线来进行指令的控制与数据的传输。针对多通道雷达发射系统，在FPGA芯 片中根据计算机的波形控制指令完成对DDS芯片的时序控制，通过DDS芯片完成雷达发射 信号波形的直接产生，可以通过USB接口直接控制DDS芯片输出所需要的雷达信号波形。 DDS芯片的输出经滤波器、放大器连接功率放大器，功率放大器的输出经过收发开关连接到 各个偶极子天线。多通道雷达接收系统采用超外差的方式，经过混频（图3中f0为混频时 本振频率）和多通道A/D采样，在FPGA芯片内根据根据采样结果进行数字下变频，原始基 带数据经过USB总线传输至上位的计算机。
[0033] 平拉折合偶极子天线阵列包括六副折合偶极子天线，每两幅折合偶极子天线为一 组且在空间上相互正交架设，三组天线分别位于一个正三角形的顶点之上，根据对中频雷 达数据可信率的统计结果，正三角形的边长取185m为最佳。本发明进一步建议架设高度为 12m，具体实施时本领域技术人员可根据实际需要确定架设高度。上述平拉折合偶极子天线 分别与各个收发开关相互连接。
[0034] 参见图4,本发明实施例的平拉折合偶极子天线阵列由六副折合偶极子天线组成。 每两幅折合偶极子天线为一组且空间相互正交架设，三组天线分别位于一个边长为185m 的正三角形的顶点之上。并且，为兼顾中频频段和高频频段，本发明进一步建议每副折合偶 极子天线的总长为54. 9m，具体实施时本领域技术人员可根据实际需要确定总长取值。
[0035] 具体实施时，整个中间层-电离层综合探测系统可采取分时操作的方式，具有一 机多能的特点，可实施定频、扫频、跳频探测，即可以满足空分天线的探测模式、具备中频 雷达探测功能；且可满足电离层探测模式，实现电离层垂直探测。利用本发明提供的中间 层-电离层综合探测系统，可以在计算机上发出相应波形控制指令，并利用现有方法对采 集的相应数据进行分析探测，例如在中层大气风场观测的模式下固定频点I. 98MHz工作， 天线采用6发6收的方式工作，采集得到的原始数据应用全相关分析（FCA算法）得到大气 风场分布，应用微分吸收实验算法（DAE算法）得到D层电子密度分布；在电离层垂测模式 下采用2-20MHZ扫频探测，天线采用2发2收的方式工作（即一组天线发射、一组天线接 收），获取电离层频高图。表1是本发明实施例的中间层-电离层综合探测系统实验的主要 技术指标。
[0036] 表I:MAI系统技术指标
[0037]
【主权项】
1. 一种中间层-电离层综合探测系统，其特征在于：包括多通道雷达发射系统、多通道 雷达接收系统和平拉折合偶极子天线阵列，多通道雷达发射系统、多通道雷达接收系统分 别连接到传输控制总线，所述传输控制总线连接计算机， 所述平拉折合偶极子天线阵列包括六副折合偶极子天线，每两幅折合偶极子天线为一 组且在空间上相互正交架设，三组天线分别位于一个正三角形的顶点之上； 所述多通道雷达发射系统用于提供三组发射通道，包括连接到传输控制总线的FPGA芯片、分别连接到FPGA芯片的三个DDS芯片，及六路依次连接的滤波器、放大器、功率放 大器和收发开关，雷达信号发射时，每个DDS芯片的两路输出分别经相应的滤波器、放大 器、功率放大器后，经收发开关的切换连接到相应的两幅折合偶极子天线，其中一路输出被 90°相移调整； 所述多通道雷达接收系统用于提供三组接收通道，包括连接到传输控制总线的FPGA芯片、连接FPGA芯片的多通道高速A/D采样芯片，及六路依次连接的前级滤波放大、混频、 中频滤波，各前级滤波放大分别连接多通道雷达发射系统中的相应收发开关，六幅折合偶 极子天线分别接收到的回波信号经过相应收发开关切换后，经前级滤波放大、混频、中频滤 波输入多通道高速A/D采样芯片。
2. 根据权利要求1所述中间层-电离层综合探测系统，其特征在于：所述传输控制总 线采用USB总线，FPGA芯片经USB接口芯片连接到传输控制总线。
3. 根据权利要求2所述中间层-电离层综合探测系统，其特征在于：通过USB总线进 行指令的控制与数据的传输， 所述多通道雷达发射系统中，在FPGA芯片中根据计算机的波形控制指令完成对DDS芯片的时序控制，通过DDS芯片完成雷达发射信号波形的直接产生，DDS芯片的输出经滤 波器、放大器连接功率放大器，功率放大器的输出经过收发开关连接到各个折合偶极子天 线； 所述多通道雷达接收系统中，在FPGA芯片中根据多通道高速A/D采样芯片所得采样结 果完成数字下变频和通道数据打包，再经由USB总线将原始数据传输至计算机。
4. 根据权利要求3所述中间层-电离层综合探测系统，其特征在于：对于中间层大气 探测采用六发六收模式，通过定频探测实现中层大气风场探测能力，采用全相关分析算法 获取大气风场数据，采用微分吸收实验算法获取低电离层的电子密度数据；对于电离层探 测采用两发两收模式，通过扫频探测实现电离室垂直探测，获取电离层频高图。
5. 根据权利要求4所述中间层-电离层综合探测系统，其特征在于：中间层大气探测 和电离层探测分别独立开展，或采样分时操作方式依次连续自动观测。
6. 根据权利要求1或2或3或4或5所述中间层-电离层综合探测系统，其特征在于： 正三角形的边长取185米。
【专利摘要】本发明提供一种中间层-电离层综合探测系统，包括多通道雷达发射系统、多通道雷达接收系统和平拉折合偶极子天线阵列，平拉折合偶极子天线阵列包括六副折合偶极子天线，每两幅折合偶极子天线为一组且空间相互正交架设，三组天线分别位于一个正三角形的顶点之上；多通道雷达发射系统用于提供三组发射通道，包括FPGA芯片、三个DDS芯片，及六路依次连接的滤波器、放大器、功率放大器和收发开关；所述多通道雷达接收系统用于提供三组接收通道，包括FPGA芯片、多通道高速A/D采样芯片，及六路依次连接的前级滤波放大、混频、中频滤波。本发明利用同一天线阵实现支持实现中间层和电离层的综合探测，节约了成本、降低了空间要求。
【IPC分类】G01S13-95, G01S13-88
【公开号】CN104793204
【申请号】CN201510188943
【发明人】崔啸, 杨国斌, 姜春华, 朱鹏, 潘凌云
【申请人】武汉大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月21日