低功率電離層垂直探測

辛國亮　海阿靜

摘 要：常規(guī)電離層垂直探測使用脈沖調(diào)制或者脈沖編碼技術(shù)，發(fā)射功率高達(dá)數(shù)千瓦或者數(shù)百瓦。該文介紹了一種低功率（數(shù)十瓦）電離層垂直探測的技術(shù)，該文首先簡要介紹了線性調(diào)頻（Chirp）信號的特點(diǎn)和脈沖壓縮技術(shù)原理；其次，該文詳細(xì)描述了基于線性調(diào)頻信號體制的電離層垂直探測設(shè)備，闡述了該設(shè)備的系統(tǒng)組成框圖和信號處理流程；最后，該文詳細(xì)闡述了利用該設(shè)備進(jìn)行的10W低功率準(zhǔn)垂測探測試驗(yàn)，并通過與當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)準(zhǔn)垂測電離圖的比較，證明該試驗(yàn)取得了良好的探測效果。

關(guān)鍵詞：低功率電離層垂直探測 線性調(diào)頻信號 脈沖壓縮 電離圖

中圖分類號：TH76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0083-03

常規(guī)電離層垂直探測一般采用大功率脈沖調(diào)制技術(shù)，發(fā)射峰值功率高達(dá)數(shù)千瓦，即使采用脈沖編碼、相干積累等信號處理技術(shù)，以增加處理增益，獲得高的輸出信噪比，所需要的發(fā)射峰值功率也得數(shù)百瓦。目前國內(nèi)外技術(shù)成熟和使用范圍廣的電離層垂直探測設(shè)備典型代表是中國電波傳播研究所的TYC-1和美國的DPS-4D，發(fā)射功率分別為5kW和300W。該文旨在介紹使用另一種特殊的發(fā)射信號—線性調(diào)頻（Chirp）信號來進(jìn)行電離層垂直探測，Chirp信號是一種通過線性頻率調(diào)制獲得大時(shí)寬帶寬積的信號，它同時(shí)具備高的距離分辨率和大的作用距離。通過chirp信號的脈沖壓縮技術(shù)獲取高處理增益，以數(shù)瓦的發(fā)射功率探測電離層，獲取與脈沖調(diào)制技術(shù)數(shù)千瓦發(fā)射功率相當(dāng)?shù)奶綔y效果。

1 技術(shù)原理

1.1 線性調(diào)頻（Chirp）信號特點(diǎn)

Chirp信號頻譜是“門”型頻譜結(jié)構(gòu)，形狀見圖2。

1.2 脈沖壓縮技術(shù)

雷達(dá)的距離分辨率可以通過使用短的脈沖來顯著改善，但同時(shí)會減少發(fā)射平均功率。利用脈沖壓縮技術(shù)可以改善這一矛盾，使我們在獲得長脈沖發(fā)射平均功率的同時(shí)，得到與短脈沖相對應(yīng)的距離分辨率。

Chirp信號通過匹配濾波器接收實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，其匹配濾波器的時(shí)域脈沖響應(yīng)與發(fā)射波形相匹配，使接收信號經(jīng)歷不同的頻率延遲響應(yīng)，保證脈沖壓縮輸出信號比發(fā)射信號幅度包絡(luò)更高、脈沖寬度更窄。

2 探測過程

2.1 設(shè)備組成及工作流程

為了抑制發(fā)射信號的直達(dá)波干擾，防止數(shù)字接收機(jī)阻塞，我們將chirp信號收發(fā)設(shè)備分置兩地，通過外部時(shí)序同步電路進(jìn)行收發(fā)同步。系統(tǒng)整體設(shè)備組成框圖見圖4。

波形產(chǎn)生器直接生成工作頻率的線性掃頻chirp信號，經(jīng)過功放進(jìn)行信號放大后，通過三角形發(fā)射天線垂直向上輻射。接收天線采用寬帶折合陣子天線，接收信號通過數(shù)字接收機(jī)，先進(jìn)行高速A/D采樣；然后將采樣數(shù)據(jù)經(jīng)NCO完成數(shù)字下變頻到基帶，并產(chǎn)生I/O兩路數(shù)字信號；數(shù)字信號再經(jīng)過CIC抽樣濾波器進(jìn)行數(shù)字抽取和濾波。最后交由信號處理器進(jìn)行脈沖壓縮和加窗旁瓣抑制等處理，最終處理結(jié)果以圖形形式顯示出來。收發(fā)兩端通過GPS時(shí)序控制電路進(jìn)行收發(fā)同步，保證發(fā)射、采集同步精確到微妙級別。

2.2 信號處理流程

將不同高度采集的基帶信號分別與發(fā)射相參信號進(jìn)行脈沖壓縮處理，就可以得到不同高度的電離層回波信號，從而可以推斷電離層的特性參數(shù)。

3 探測結(jié)果

實(shí)際探測實(shí)驗(yàn)中收發(fā)兩地直線間距15km，發(fā)射信號帶寬為50kHz，掃頻速率為100kHz/s，發(fā)射信號功率為10W。發(fā)射載頻采取單頻點(diǎn)形式，試驗(yàn)中分別使用了典型值3MHz、5MHz、7MHz、9MHz。為對比試驗(yàn)效果，我們采取同地的采用5kw發(fā)射功率的電離層垂直探測儀獲取的電離圖作為對比標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果如下：

圖7為3MHz收發(fā)數(shù)據(jù)處理后的圖形結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為虛高值，單位km，縱坐標(biāo)為處理后的歸一化幅度值（以下圖形結(jié)果等同）。從圖7中很容易看到該頻率值在120km處有最強(qiáng)的回波信號。對比圖8同地同時(shí)間的準(zhǔn)垂測電離圖，可知該回波信號為E層回波信號。

圖9為5MHz收發(fā)數(shù)據(jù)處理后的圖形結(jié)果，從圖形中很容易得到該頻率值在272km處有最強(qiáng)的回波信號。對比圖10同地同時(shí)間的垂測電離圖，可知該回波信號為F層回波信號。

圖11為7MHz收發(fā)數(shù)據(jù)處理后的圖形結(jié)果，從圖形中很容易得到該頻率值在292km處有最強(qiáng)的回波信號1，在300km處有次強(qiáng)的回波信號2，在580km處有較弱的回波信號3。對比圖12的同地同時(shí)間的垂測電離圖，結(jié)合電離層理論知識，可知回波信號3為F層二次回波信號，回波信號1和2為一次F層回波，且已開始體現(xiàn)出O、X波分離的跡象。

圖13為9MHz收發(fā)數(shù)據(jù)處理后的圖形結(jié)果，從圖中很容易得到該頻率值的三個(gè)回波信號距離分別為：340km處回波信號1， 410km處的回波信號2， 675km處的回波信號3。對比圖14同地同時(shí)間的垂測電離圖，可知回波信號3為F層二次回波信號，回波信號1和2為分離明顯的F層O、X波。

選取四個(gè)頻點(diǎn)，分別能夠表征來自電離層E層、F層的回波及其二次回波現(xiàn)象，并能從細(xì)節(jié)上體現(xiàn)由于地磁場引起的極兩種極化波。從每個(gè)單頻點(diǎn)的收發(fā)處理數(shù)據(jù)結(jié)果上分析，每個(gè)頻點(diǎn)的回波信號非常好的與當(dāng)?shù)赝瑫r(shí)間的垂測電離圖回波位置一致。

4 結(jié)語

通過該試驗(yàn)得出結(jié)論：利用線性調(diào)頻信號，只需10W的發(fā)射功率，即可獲得5kW脈沖功率的準(zhǔn)垂測探測效果。

發(fā)射功率的大大降低，一方面可以降低功耗，減少設(shè)備體積，便于小型化；另一方面，還可以減少探測設(shè)備對周圍環(huán)境的電磁輻射干擾。充分利用該體制電離層垂直探測設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，該探測設(shè)備可作為星載設(shè)備用于天基觀測，實(shí)現(xiàn)“天—地”互補(bǔ)觀測，大大增強(qiáng)我國的電離層觀測能力。

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