高频多普勒和到达角探测系统的设计和实现.pdfVIP

高频多普勒与到达角探测系统的设计与实现 宁百齐袁志刚袁洪刘立波万卫星 (中国科学院武汉物理与数学研究所武汉市430071) 摘要：测量电离层反射回波的高频多普勒频移和到达角等参数来观测和研究电离层的变化及运 动，是～种经济有效的手段。本文将介绍我们新近研制的一套高额多普勒与到达角探测分析系统， 它由微型计算机、数据采集器、具有高稳定度频率源的HF程控接收机以及天线阵等构成。这套 系统的特点为接收频率、采样参数及．【作方式等均可由计算机控钭．井能实时地进行数据分析． 获得电离层反射回波高频多普勒频移和到达角，对空间环境进行实时监铡。同时，该系统兼有存 储原始数据的功能，可根据需要进行脱机分折，满足对电离层开展观测研究的不同要求． 关键词：电离层，高频多普勒频移，到达角 l引言 电离层反射回波的高频多普勒观测技术开始于五十年代末，并于六十年代初期逐步完善。一 一九六零年利用声图仪分析得到三维高频多普勒频移图m嘲．随麓电离层研究的需要和技术的发 展，高频多普勒观测技术、记录和分析方法得到进一步完善。啻lI如，高频多普勒实时观测显示和 采集系统，误差倍增频率计探测法，Dp吨7地球物理数据采集和处理系统等【．1。另一方面-出 现了多普勒台阵，用于测量电离层扰动的水平相速度．在台阵的布局上．有～点发射多点接收垆1 和多点发射一点接收№j--种方式。在八十年代初，在我国大陆中国科学院武汉屯离层观象台建立 了第一个由_三站组成的高频多普勒观测台阵，开展电离层观测研究，己在我国电离层扰动地区特 性、电离层瞬变特性、电离层不均匀结构、高频电波多普勒频移以及群时延的变化特性等方面取 得了～系列重要的研究成果17心㈨，积累了大量的宝贵资料。实验表明：高频多普勒观铡虽然相 对简易，探测频率少，但由于它也具有探测灵敏度高、时间延续性好和系统费用低等突出特点， 仍然是电离层环境观测，特别是电离层扰动探测的～种有效手段， 我们原有的高频多普勒台阵系统设计于八十年代初．采用的是经典的慢速模拟磁带记录，快 速机城倍频，声图分析方法1101。虽然经过改造能进行实时显示打印．对模拟磁带用计算机脱机采 集分析处理，但整个模拟体系已变得落后．系统也已老化陈旧，同时不具备探测电波到达角的功 能。为了使这项观测[作得以继续．满足科研工作的需要，我们开展了研制新一代高频多普勒和 到达角探测系统的一J：作。本文是这项工作的总结．文中首先将介绍系统的设计方案及[作原理， 然后介绍高频多普勒与到达角参量提取的分析方法以及系统的性能指标，最后给出初步的观测结 果。 、 ＼ 2高频多普勒与到达角探测系统的原理 i 计算机系统 …●●一^一一-●一’一一●-一’一●●●●-一一…-●一●_一-一--●一一一_o一一-一●一●一-一●一一一●-一●一●-一一一● 图1高频多普勒与到达角探测系统 如图1所示，高频多普勒与到达角探测系统有两个部分组成：高频接收机系统和进行数据采 集分析处理的计算机系统。其中高频接收机系统利用无线阵接收电离层反射回波．并转化为5KHz 的中频信号输出．接收天线阵由三个磁偶极子环形天线组成，用以接收来波信号。从三个天线接 收的信号共用同一个接收信道。通过电子天线开关依次与接收机循环接通，接收的信号然后与直 接数字频率台成器(DDS)提供的频率信号混频．经过中放1、中放2以及低放滤波等一系列混 频、放大、滤波以后输出5KHz的中频信号。计算机系统则实现以F功能：它将5KHz的中频信 号进行采样，通过数字滤波、多通道谱分析等信号处理以后提取信号的多普勒频移和到达角。分 析结果～方面实时地显示，用于空间环境扰动的实时监测；另一方面存储数字化的原始数据，进 行脱机进一步分析。计算机系统同时还完成对天线开关、rI作频率和采样参数等的控制。 2．1 高颇多普勒接收机系绕 本系统的高频多普勒接收机崩32．OMHz的恒温晶振作为频率源，采．L}J二次淄频、高中频方案， 利用DDS数字直接频率合成提供接收机各级混频的频率。其t要性能指标为： (I)接收信号范围：1．0MHz-30．0MHz； (2)接收灵敏度：2uV(10dBS／N)； x105： (3)信号