电离层高频多普勒接收机的设计与实现

发布时间：2020-06-10 22:58

【摘要】：测量电离层高频反射回波的多普勒频移是研究电离层扰动和不规则结构的重要方法之一。本文围绕这一方向开展工作,研制了新一代的高频多普勒接收机,对由中国科学院国家授时中心短波授时台发出的10MHz BPM信号进行不间断连续观测,并对所记录的数据进行实时分析处理,实现了高频多普勒接收机对电离层扰动和不规则体现象的实验探测和结果分析。首先,本文系统地介绍了新研制的高频多普勒接收机的硬件设计。这套系统的硬件部分由具有高稳定度的HF程控接收机、高速采集卡、PC机以及天线组成。本系统具备了短波通信接收机的所有功能,同时还具有频率稳定度高、接收频带窄等特点。此外,本系统还采用了PCIe总线的高速采集系统直接对二次混频输出的中频信号进行采样,不仅降低了系统复杂度,而且大大提升了系统精度,能够获得更高精度的电离层多普勒频移信息。其次,本文介绍了高频多普勒接收机的软件设计。系统的软件分为分析处理显示系统和实时数据采集系统两套,在特定情况下需要脱机分析时常会使用分析处理显示系统,对电离层进行常规观测时则使用实时数据采集系统。实时数据采集系统上位机由DAQmx、LabVIEW和MATLAB联合编程,将DAQmx出色的数据采集能力、LabVIEW出色的界面编程能力和MATLAB出色的数学运算能力结合起来,系统中将DAQmx采集到的数据交给MATLAB处理并实时以散点图的方式显示在LabVIEW的前面板上。程序具有灵活的配置,且能将电离层多普勒频移以文本和图片两种方式保存下来,可以用于对电离层长时间监测记录。再次,将新研制的高频多普勒接收机系统安装在武汉地区,对BPM信号进行连续监测,通过将实测的原始信号在时域和频域进行分析处理运算,结果完全符合BPM信号特性,表明高频多普勒接收机的硬件和软件设计合理,系统工作稳定可靠,研制是成功的。通过数据积累,并结合安装在同地点的电离层数字测高仪PDI-2的垂测数据进行比对研究,发现了一些电离层扰动的典型事件,包括电离层日变化特性、中小尺度TID、大尺度TID和电离层不规则体现象等。最后,利用高频多普勒接收机的观测数据,较为系统地研究了电离层不规则体现象。推导了电离层不规则体运动的多普勒表达式,演算了电离层不规则体反射模型,仿真出该模型下电离层反射回波的多普勒谱特性,结合高频多普勒接收机的实测数据,表明两者一致性较好,经Es层反射的回波信号的多普勒谱在白天通常呈光滑平直曲线,夜间不规则体的回波信号的多普勒谱则多呈现斜描迹或直描迹状,这种谱结构反映了Es或扩展F层中的电子云团的漂移运动。总之,本文系统地介绍了新研制的高频多普勒接收机的软硬件设计,采用了PCIe总线技术的高频采集系统,降低了系统复杂度,提升了系统精度,利用LabVIEW、MATLAB和DAQmx联合编程使得上位机功能更加完善。利用实测数据对武汉地区上空电离层扰动现象进行了个例研究,分析了电离层不规则体的运动情况。实验结果表明:新研制的高频多普勒接收机运行稳定可靠,能够用于电离层空间环境的长期连续监测,对电离层扰动和电离层不规则体的观测研究具有重要意义。
【图文】：

电离层,分层结构,电子密度

高度范围大约在 60-80 公里，的日变化，一般只会在白天出现，大约在减小，，夜间减小到可以忽略。上，高度大约在 80-140 公里，主要的离子在 103-105/m3，电子密度的变化主要受太阳密度也会变得很低，E 层趋于消失。此外，的薄层结构，称为偶发 E 层（Es 层），是一层顶部，高度大约在 140-500 公里，主要离约在 105-106/m3，夜间电子密度也会降低划分为 F1 层、F2 层、F3 层。其中 F1 层一电子密度比较大，相比其他的层，能反射频、纬度以及太阳活动变化明显，常有扩展 F这种现象一般出现在赤道及低纬地区，通常

谱图,频高图,武汉,台站

图 1.2 武汉台站观测到的频高图1.2.2 电离层高频多普勒探测多普勒效应指的是物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面时，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高，在运动的波源后面，会产生相反的效应。将频率变高的情况称为蓝移，频移变低称为红移，波源的速度越高，所产生的效应也就越大，根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源寻着观测方向运动的速度。将多普勒效应应用在电离层，测量电离层反射回波的高频多普勒频移来观测电离层的变化及运动，是一种经济有效的手段。电离层高频多普勒探测方式有两种：一种是利用斜测仪将发射机和接收机放在不同的地点，采用自发自收的方式探测，可以得到扫频电离图和定频群距离-多普勒谱图[6]；另一种是利用接收机接收已知信号，通常会将授时台发射的授时信号（如中国的 BPM 信号，日本的 JJY 信号等）作为已知信号，这种方式下系统搭建较为简单，成本相对较低，是一种经济有效的电离层探测手段[7]。
【学位授予单位】：中南民族大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN851

【参考文献】