一種中間層-電離層綜合探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種兼顧中間層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)和電離層垂直探測(cè)的綜合探測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 距離地面60-100公里高度屬于中間層和低熱層，同時(shí)也是電離層D區(qū)和E區(qū)的下 部，其特點(diǎn)是電子密度比較低，電子與中性大氣成分之間的碰撞頻率較高，電子與中性大氣 運(yùn)動(dòng)速度具有一致性。通過測(cè)量電子的運(yùn)動(dòng)速度，可以得到中性大氣風(fēng)場(chǎng)。中頻雷達(dá)用于測(cè) 量該區(qū)域大氣風(fēng)場(chǎng)和電子數(shù)密度，是重要的中高層大氣地基探測(cè)設(shè)備之一。目前國際上已 有30多部中頻雷達(dá)投入使用。主要分布在北美，澳大利亞，日本，南極大陸等國家和地區(qū)。 中頻雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)已運(yùn)用于大氣模型建立，大氣動(dòng)力學(xué)研宄，航天工程氣象保障等方面， 具有重要的科研意義。
[0003] 中間層之上至離地面約800公里高度是熱層，熱層的大氣分子吸收了因太陽的短 波輻射及磁場(chǎng)后其電子能量增加，當(dāng)中一部份進(jìn)行電離。這些電離過的離子與電子形成了 電離層。包括E層（離地面100-120公里）、F1層（離地面170-230公里）、F2層（離地面 200-500公里）（夜間融合為F層，約離地面300-500公里）三層。該區(qū)域存在著大量的自 由電子，足以影響無線電波的傳播。電離層垂測(cè)儀是探測(cè)電離層最常用的設(shè)備，通過電離圖 可以得到電離層的動(dòng)態(tài)變化特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層物理和無線電波傳播中的電離層效應(yīng) 等問題的研宄。
[0004] 但是，實(shí)際中常常同時(shí)對(duì)中間層探測(cè)和電離層探測(cè)都有需求，這樣分別實(shí)現(xiàn)探測(cè) 則太過復(fù)雜，成本高、效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于中間層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)和電離層探測(cè)的特點(diǎn)，考慮到中頻頻段和高頻頻段相 鄰，拓寬天線頻率范圍，采用空分天線的形式和多通道雷達(dá)技術(shù)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套兼顧大 氣中間層探測(cè)功能和電離層垂直探測(cè)功能的新型綜合探測(cè)系統(tǒng)一MAI系統(tǒng)（中間層-電離 層綜合探測(cè)系統(tǒng)）。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種中間層-電離層綜合探測(cè)系統(tǒng)，包括多通道雷達(dá)發(fā)射 系統(tǒng)、多通道雷達(dá)接收系統(tǒng)和平拉折合偶極子天線陣列，多通道雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)、多通道雷達(dá) 接收系統(tǒng)分別連接到傳輸控制總線，所述傳輸控制總線連接計(jì)算機(jī)，
[0007] 所述平拉折合偶極子天線陣列包括六副折合偶極子天線，每兩幅折合偶極子天線 為一組且在空間上相互正交架設(shè)，三組天線分別位于一個(gè)正三角形的頂點(diǎn)之上；
[0008] 所述多通道雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)用于提供三組發(fā)射通道，包括連接到傳輸控制總線的 FPGA芯片、分別連接到FPGA芯片的三個(gè)DDS芯片，及六路依次連接的濾波器、放大器、功率 放大器和收發(fā)開關(guān)，雷達(dá)信號(hào)發(fā)射時(shí)，每個(gè)DDS芯片的兩路輸出分別經(jīng)相應(yīng)的濾波器、放大 器、功率放大器后，經(jīng)收發(fā)開關(guān)的切換連接到相應(yīng)的兩幅折合偶極子天線，其中一路輸出被 90°相移調(diào)整；
[0009] 所述多通道雷達(dá)接收系統(tǒng)用于提供三組接收通道，包括連接到傳輸控制總線的FPGA芯片、連接FPGA芯片的多通道高速A/D采樣芯片，及六路依次連接的前級(jí)濾波放大、混 頻、中頻濾波，各前級(jí)濾波放大分別連接多通道雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)中的相應(yīng)收發(fā)開關(guān)，六幅折合 偶極子天線分別接收到的回波信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)收發(fā)開關(guān)切換后，經(jīng)前級(jí)濾波放大、混頻、中頻 濾波輸入多通道高速A/D采樣芯片。
[0010] 而且，所述傳輸控制總線采用USB總線，F(xiàn)PGA芯片經(jīng)USB接口芯片連接到傳輸控 制總線。
[0011] 而且，通過USB總線進(jìn)行指令的控制與數(shù)據(jù)的傳輸，
[0012] 所述多通道雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)中，在FPGA芯片中根據(jù)計(jì)算機(jī)的波形控制指令完成對(duì)DDS芯片的時(shí)序控制，通過DDS芯片完成雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波形的直接產(chǎn)生，DDS芯片的輸出經(jīng) 濾波器、放大器連接功率放大器，功率放大器的輸出經(jīng)過收發(fā)開關(guān)連接到各個(gè)折合偶極子 天線；
[0013] 所述多通道雷達(dá)接收系統(tǒng)中，在FPGA芯片中根據(jù)多通道高速A/D采樣芯片所得采 樣結(jié)果完成數(shù)字下變頻和通道數(shù)據(jù)打包，再經(jīng)由USB總線將原始數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)。
[0014] 而且，對(duì)于中間層大氣探測(cè)采用六發(fā)六收模式，通過定頻探測(cè)實(shí)現(xiàn)中層大氣風(fēng)場(chǎng) 探測(cè)能力，采用全相關(guān)分析算法獲取大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用微分吸收實(shí)驗(yàn)算法獲取低電離層 的電子密度數(shù)據(jù)；對(duì)于電離層探測(cè)采用兩發(fā)兩收模式，通過掃頻探測(cè)實(shí)現(xiàn)電離室垂直探測(cè)， 獲取電離層頻高圖。
[0015] 而且，中間層大氣探測(cè)和電離層探測(cè)分別獨(dú)立開展，或采樣分時(shí)操作方式依次連 續(xù)自動(dòng)觀測(cè)。
[0016] 而且，正三角形的邊長取185米。
[0017] 本發(fā)明包括多通道雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)、多通道雷達(dá)接收系統(tǒng)和天線陣列，利用同一天 線陣列，支持通過設(shè)置不同的發(fā)射波形參數(shù)，應(yīng)用相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理的算法，通過分時(shí)操 作的方式可以實(shí)現(xiàn)中間層和電離層的綜合探測(cè)。利用本發(fā)明提供的中間層_電離層綜合探 測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)于中間層大氣探測(cè)采用六發(fā)六收模式，支持通過定頻探測(cè)實(shí)現(xiàn)中層大氣風(fēng) 場(chǎng)探測(cè)能力，采用全相關(guān)分析的算法獲取大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用微分吸收實(shí)驗(yàn)的算法獲取低 電離層的電子密度數(shù)據(jù)。對(duì)于電離層探測(cè)采用兩發(fā)兩收模式，通過掃頻探測(cè)實(shí)現(xiàn)電離室垂 直探測(cè)，獲取電離層頻高圖。兩種探測(cè)模式既可以分別獨(dú)立開展探測(cè)，也可以通過分時(shí)操作 方式依次連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)，是一種適于推廣使用的中間層-電離層綜合探測(cè)系統(tǒng)，節(jié)約了成 本、降低了空間要求。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的總體系統(tǒng)框圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的多通道雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)框圖；
[0020] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的多通道雷達(dá)接收系統(tǒng)框圖；
[0021] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的天線陣示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行具體描述。
[0023] 本發(fā)明提供的一種中間層-電離層綜合探測(cè)系統(tǒng)，是一種用于中間層和電離層綜 合探測(cè)的系統(tǒng)，包括平拉折合偶極子天線陣列和多通道雷達(dá)系統(tǒng)，所述多通道雷達(dá)系統(tǒng)包 括多通道雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)和多通道雷達(dá)接收系統(tǒng)。
[0024] 參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例的中間層-電離層綜合探測(cè)系統(tǒng)包括多通道雷達(dá)發(fā)射系 統(tǒng)，多通道雷達(dá)接收系統(tǒng)和平拉折合偶極子天線陣列組成。整個(gè)綜合探測(cè)系統(tǒng)采用USB總 線作為傳輸控制總線，整體架構(gòu)表現(xiàn)為USB+FPGA的形式。多通道雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)、多通道雷 達(dá)接收系統(tǒng)分別連接到傳輸控制總線。具體實(shí)施時(shí)，可以在本系統(tǒng)集成提供計(jì)算機(jī)和時(shí)鐘 源，也可以利用探測(cè)站點(diǎn)已有的計(jì)算機(jī)和時(shí)鐘源，傳輸控制總線連接計(jì)算機(jī)，時(shí)鐘源分別連 接多通道雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)和多通道雷達(dá)接收系統(tǒng)。
[0025] 多通道雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)提供的發(fā)射通道分為三組，每組發(fā)射通道的輸出連接一組折 合偶極子天線陣。接收通道與收發(fā)開關(guān)相連接。多通道雷達(dá)接收系統(tǒng)提供相應(yīng)的三組接收 通道，包括射頻模擬前端（有六路前級(jí)濾波放大、混頻、中頻濾波），多通道A/D采樣和數(shù)據(jù) 傳輸部分構(gòu)成。各個(gè)接收通道的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過USB總線傳輸至計(jì)算機(jī)。
[0026] 多通道雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)主要包括FPGA芯片、直接頻率合成器DDS芯片、功率放大器 和收發(fā)開關(guān)。具體實(shí)施時(shí)，可設(shè)置用于連接傳輸控制總線的USB接口芯片，F(xiàn)PGA芯片經(jīng)USB 接口芯片連接到USB接口芯片，DDS芯片連接到FPGA芯片上。實(shí)施例中，每組發(fā)射通道中 有1個(gè)DDS芯片，三個(gè)DDS芯片分別連接到FPGA芯片，各DDS芯片的兩路輸出分別經(jīng)依次 連接的濾波器、放大器（放大DDS芯片的輸出信號(hào)）、功率放大器、收發(fā)開關(guān)，連接到該組相 應(yīng)的兩幅折合偶極子天線。DDS芯片提供激勵(lì)源，其中一路輸出經(jīng)90°相移調(diào)整，用于產(chǎn)生 左旋和右旋極化電磁波，具體實(shí)施時(shí)90°相移可由DDS內(nèi)部相位偏置寄存器實(shí)現(xiàn)。
[0027] 利用收發(fā)開關(guān)可實(shí)現(xiàn)切換，雷達(dá)信號(hào)發(fā)射時(shí)，雷達(dá)多通道雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)經(jīng)收發(fā)開 關(guān)切換與平拉折合偶極子天線陣列連通，雷達(dá)信號(hào)接收時(shí)，平拉折合偶極子天線陣列經(jīng)收 發(fā)開關(guān)切換連通多通道雷達(dá)接收系統(tǒng)。
[0028] 多通道雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)在FPGA芯片內(nèi)部完成對(duì)DDS芯片的時(shí)序控制，USB接口芯片 通過USB總線與計(jì)算機(jī)