數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法
2023-04-23 02:43:11 1
數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法
【專利摘要】本發明公開了一種數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法，根據電離層回波信號的極化特性，通過在數字電離層測高儀的接收通道上採用數字方法合成圓極化波的方式進行電離層回波信號中尋常波與非常波的分離。在進行下變頻處理時，當發射天線的發射信號為左旋圓極化波時，採用對一個接收天線接收到的信號做-90°相移後再與另一天線接收到的信號相加而分離出尋常波信號；當發射天線的發射信號為右旋圓極化波時，採用對一個接收天線接收到的信號做+90°相移後再與另一天線接收到的信號相加而分離出非常波信號。因此，與現有的系統相比，本發明的方法具有不受模擬移相器帶寬的限制和不需要模擬開關的不斷切換的特點。
【專利說明】數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及空間電離層無線電探測【技術領域】，尤其涉及一種數字電離層測高儀中的尋常波(以下稱作O波)與非常波(以下稱作X波)的分離方法。
【背景技術】
[0002]電離層垂直探測是用高頻無線電波從地面對電離層進行日常觀測的技術。這種技術使用的探測設備稱為電離層測高儀(或稱垂測儀)。它垂直向上發射頻率隨時間變化的無線電脈衝，在同一地點接收這些脈衝的電離層反射信號，測量出電波往返的傳遞時延，從而獲得反射高度與頻率的關係曲線。這種曲線稱為頻高圖或垂測電離圖。
[0003]根據電磁波在等離子體中傳播理論，電磁波通過電離層傳播時，由於地球磁場的作用電波會分裂為兩個圓極化波分量，一個為O波對應左旋波，一個為X波對應右旋波，它們會同時出現在電離層測高儀的接收時間窗口內，於是在頻高圖上出現兩個描跡。在對頻高圖進行自動度量時需要明確區分O波和X波分量，如ARTIST方法在採用解析函數逼近正常的E層描跡時只考慮O波信息，在採用雙曲線擬合F層描跡時要同時考慮O波和X波的信息等，因此如何對O波和X波進行自動分離成為對電離層頻高圖進行自動度量的關鍵問題。目前，對O波和X波進行分離的方法可以分為兩類，即採用圖像處理的方法分離和從探測原理上分離。採用圖像處理的分離方法對電離層測高儀自身硬體系統的要求較低，這類方法主要是通過圖像識別技術分別提取出頻高圖中O波和X波的描跡，但是後續圖像處理算法準確率並不高，存在一定的誤判率，需要一定的人工幹預。從探測原理上分離O波和X波需要分別發射不同旋向的圓極化信號，同時接收天線也要保持與發射天線相同的旋向，這對收、發天線和控制系統都提出了較高的要求，該類設備的典型代表就是美國的DPS-4數字式測高儀，該測高儀採用模擬90°相移器(2-32MHZ)和一系列模擬開關的組合的方式合成了寬帶範圍內的圓極化信號，從而完成了 2-30MHZ頻率範圍內O波與X波的分離接收，該方案在實現上採用的是模擬合成的方法，其最終的效果取決於模擬相移器的線性度和帶寬限制，另外該實現方案需要不斷地切換多個模擬開關設備。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種數字電離層測高儀中的O波與X波分離方法，該方法通過在數字域內引入±90°相移，實現了 1-30MHZ範圍內的圓極化信號合成，進而分離出回波信號中的O波與X波分量，由於圓極化波的合成完全是在數字域內完成，因此該方法從根本上消除了模擬移相器中相移與頻率之間的非線性問題，而且在整個過程中不需要模擬開關的連續切換。
[0005]本發明的數字電離層測高儀中的O波與X波分離方法，其特徵在於採用數位化處理方案，即根據電離層回波信號的極化特性通過在接收電路上採用數字方法合成圓極化波的方式實現了對電離層回波信號中O波與X波的有效分離。具體的處理步驟如下:
[0006]步驟1:準備數字電離層測高儀作為硬體平臺，該數字電離層測高儀包括控制信號產生單元、發射通道、接收通道和包括發射天線及接收天線的天線系統，所述發射天線和所述接收天線中的每一個均採用兩個相互正交的Delta天線；
[0007]步驟2:所述數字電離層測高儀上電後，將配置參數下載到內部參數RAM中；
[0008]步驟3:所述控制信號產生單元讀取所述內部參數RAM中的所述配置參數並產生相應的控制時序；
[0009]步驟4:所述發射通道中的直接數字頻率合成模塊在所述控制時序的控制下產生相位編碼調製信號並通過所述發射通道中的發射機放大後饋送到所述發射天線，並由所述發射天線向電離層發送；和
[0010]步驟5:所述接收天線接收來自電離層的回波信號並且送入所述接收通道進行數位化和下變頻處理，
[0011]在進行所述下變頻處理時，當所述發射天線的發射信號為左旋圓極化波時，採用對一個接收天線接收到的信號做-90°相移後再與另一天線接收到的信號相加而分離出尋常波信號；當所述發射天線的發射信號為右旋圓極化波時，採用對一個接收天線接收到的信號做+90°相移後再與另一天線接收到的信號相加而分離出非常波信號
[0012]發明的效果
[0013]本發明提出的電離層測高儀中的O波與X波分離的方法不同於採用圖像處理技術從電離圖中提取O波與X波描跡的方法，它是從探測原理上進行分離，並且由於該方法採用了數位化實現方式，與現有的系統相比具有不受模擬移相器帶寬的限制和不需要模擬開關的不斷切換的特點，對本發明所採用的電離層測高儀(以下稱作CAS-DIS(Chinese Academyof Sciences,Digital 1nosonde)電離層測高儀)進行的實測實驗觀測結果表明,本發明的方法能有效地分離出電離層測高儀回波中的O波與X波信號。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為表示本發明的方法使用的CAS-DIS電離層測高儀組成的示意圖；
[0015]圖2為表示通過本發明的方法對O波與X波進行分離的過程的控制時序圖；
[0016]圖3為表示通過本發明的方法進行的O波提取過程的示意圖；
[0017]圖4為表示通過本發明的方法進行的X波提取過程的示意圖；
[0018]圖5為表示本發明的方法的實測數據結果的圖。
【具體實施方式】
[0019]下面將結合附圖對本發明加以詳細說明，應指出的是，所描述的實例僅旨在便於對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0020]本發明是一種數字電離層測高儀中的O波與X波的數字分離方法，該方法從硬體上區分出電離層回波信號中的O波和X波分量，該方法採用中科院電子學研究所自主研發的CAS-DIS電離層測高儀作為硬體平臺，並進行實測實驗驗證了方法的有效性。
[0021]圖1為表示本發明的方法使用的CAS-DIS電離層測高儀組成的示意圖。該CAS-DIS電離層測高儀主要由控制信號產生單元、發射通道、接收通道、天線系統、數據處理單元和顯控終端等組成。天線系統包括發射天線和接收天線，該發射天線和接收天線都採用兩個相互正交的Delta天線。CAS-DIS電離層測高儀上電後，上位機軟體將配置參數通過PCI接口下載到FPGA內部參數RAM中，控制信號產生單元讀取RAM中的配置參數並產生相應的控制時序，發射通道中的直接數字頻率合成(DDS)模塊在時序控制下產生相位編碼調製信號並通過發射機放大後饋送到發射天線，接收天線採用兩個相互正交的Delta天線，將接收到的信號進行一系列處理得到頻高圖。
[0022]CAS-DIS電離層測高儀設計中採用了 16位互補碼的編碼方式。控制信號產生單元產生掃頻的相位編碼脈衝信號，掃頻範圍是IMHz?30MHz，16位互補碼包括A碼和B碼，其中 A 碼:(I 1-1 11 I 1-1-1 I I 1-1 1-1 -1)出碼:(-1-1 1-1-1-1-1 1-1 I I 1-11-1-1)。
[0023]控制信號產生單元主要由包括DDS單元、相位編碼產生單元、DAC、低通濾波器等單元組成。DDS單元產生1-30MHZ的正、餘弦信號，其頻率和初始相位可根據控制參數實時調整，DDS單元產生的信號一路作為發射脈衝的載波信號，另一路送入接收通道作為數字下變頻(DDC)的本地振蕩器信號。在本發明的系統設計中，DDS採用FPGA內部的邏輯資源實現，其時鐘頻率為felk = 60MHz,頻率解析度f = 0.25Hz，虛假抑制S = 82dB,相位累加器(PACC)位寬為28比特，輸出數據的位寬為14位。相位編碼產生單元產生16位的互補碼，該編碼對DDS單元產生的載波信號進行相位調製。當採用16位互補碼時，單個碼元的時間寬度Ts = 33.33 μ S，帶寬為30ΚΗζ，對應高度解析度為5km，該狀態下發射信號持續時間為16位碼元的時間寬度，即T = 533.33 μ S。
[0024]下面，結合附圖對本發明的數字電離層測高儀中的O波與X波分離方法的主要步驟進行說明。
[0025]本發明的數字電離層測高儀中的O波與X波分離方法，其採用數位化處理方案，即根據電離層回波信號的極化特性通過在接收電路上採用數字方法合成圓極化波的方式實現了對電離層回波信號中O波與X波的有效分離。具體的處理步驟如下:
[0026]步驟1:準備CAS-DIS數字電離層測高儀作為硬體實驗平臺；
[0027]步驟2 =CAS-DIS數字電離層測高儀上電後，上位機軟體將配置參數通過PCI接口下載到內部參數RAM中；
[0028]步驟3:控制信號產生單元讀取RAM中的配置參數並產生相應的控制時序；
[0029]步驟4:發射通道中的DDS模塊在時序控制下產生相位編碼調製信號並通過發射機放大後饋送到發射天線，並由發射天線向電離層發送；和
[0030]步驟5:兩個正交的Delta接收天線接收來自電離層的回波信號並且送入接收通道進行數位化和下變頻處理，
[0031]在做下變頻處理時，當發射信號為左旋圓極化波時，採用對其中的一個接收天線的信號做-90°相移後再與另一天線信號相加可以分離出O波信號；當發射右旋圓極化波時，採用對同一個接收天線的信號做+90°相移後再與另一天線信號相加可以分離出X波信號。
[0032]另外，也可以將天線軸向分別設為東西方向(EW)和南北方向(SN)，通過在兩個接收通道中的DDC的本振信號中引入不同的初始相位來分離出O波和X波，其具體方式為:當發射左旋圓極化信號對O波信號進行分離時，東西軸向(EW)天線和南北軸向(SN)天線分別對應初始相位為0°和270°的數字下變頻器；當發射右旋圓極化信號對X波信號進行分離時，東西軸向(EW)天線和南北軸向(SN)天線分別對應初始相位為0°和90°的數字下變頻器。
[0033]圖2為表示通過本發明的方法對O波與X波進行分離的過程的控制時序圖。
[0034]CAS-DIS電離層測高儀的脈衝重複頻率(PRF)為20Hz，對應脈衝重複周期(PRI)為50ms，其中40ms作為信號發射和數據採集時間，IOms用於數據傳輸時間，其具體時序如圖2所示。為了實現對O波、X波的分離過程，在一次PRI內電離層測高儀需要完成以下工作模式的轉換:
[0035]a) 4次碼型變換=CAS-DIS電離層測高儀採用相位編碼調製技術，設計中選用的調製碼型為16位互補碼，包括A碼和B碼，每次碼型變換的持續時間為10ms。
[0036]b) 2次極化方式轉化:分別對應左旋圓極化和右旋圓極化。
[0037]c) 4次信號發射和4次數據採集過程:對應每一個碼型變換都有一次信號發射和接收的過程，其中發射信號時間窗口為600 μ s，其中有效發射信號時寬為533.33 μ s ;接收信號時間窗口為6.12ms，對應探測虛高為90~1024km。
[0038]本發明方法的分離原理如下:如果電波的頻率遠高於離子的磁旋頻率，忽略碰撞和熱運動只考慮外磁場B，磁離子理論中的A-H公式可以簡化為:
【權利要求】
1.一種數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法，其特徵在於，根據電離層回波信號的極化特性，通過在數字電離層測高儀的接收通道上採用數字方法合成圓極化波的方式進行電離層回波信號中尋常波與非常波的分離，該方法包括: 步驟1:準備數字電離層測高儀作為硬體平臺，該數字電離層測高儀包括控制信號產生單元、發射通道、接收通道和包括發射天線及接收天線的天線系統，所述發射天線和所述接收天線中的每一個均採用兩個相互正交的Delta天線； 步驟2:所述數字電離層測高儀上電後，將配置參數下載到內部參數RAM中； 步驟3:所述控制信號產生單元讀取所述內部參數RAM中的所述配置參數並產生相應的控制時序； 步驟4:所述發射通道中的直接數字頻率合成模塊在所述控制時序的控制下產生相位編碼調製信號並通過所述發射通道中的發射機放大後饋送到所述發射天線，並由所述發射天線向電離層發送；和 步驟5:所述接收天線接收來自電離層的回波信號並且送入所述接收通道進行數位化和下變頻處理， 在進行所述下變頻處理時，當所述發射天線的發射信號為左旋圓極化波時，採用對一個接收天線接收到的信號做-90°相移後再與另一天線接收到的信號相加而分離出尋常波信號；當所述發射天線的發射信號為右旋圓極化波時，採用對一個接收天線接收到的信號做+90°相移後再與另一天線接收到的信號相加而分離出非常波信號。
2.根據權利要求1所述的數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法，其特徵在於， 所述數字電離層測高儀中採用了 16位`互補碼的編碼方式，所述控制信號產生單元產生掃頻的相位編碼脈衝信號。
3.根據權利要求2所述的數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法，其特徵在於， 所述掃頻的範圍是IMHz~30MHz，所述16位互補碼包括A碼和B碼，其中A碼為I 1_1I I I 1-1-1 I I 1-1 1-1-1，B 碼為-1-1 1-1 -1-1-1 1-1 I I 1-1 1-1-1。
4.根據權利要求1所述的數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法，其特徵在於， 所述控制信號產生單元在數字電離層測高儀的I個對應脈衝重複周期內並行進行以下動作: a)4次碼型變換，其中選用的調製碼型為16位互補碼，包括A碼和B碼，其中A碼為I1-1111 1-1-1 I I 1-1 1-1-1，B 碼為-1-1 1-1-1-1-1 1-1 I I 1-1 1-1-1 ； b)2次極化方式的轉化，所述極化分別對應左旋圓極化和右旋圓極化； c)4次信號發射和4次數據採集過程，其中I次信號發射和數據採集過程對應I次碼型變換。
5.根據權利要求1所述的數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法，其特徵在於， 在所述步驟5中，通過在接收通道中的數字下變頻器的本地振蕩器信號中引入不同的初始相位來分離出尋常波和非常波。
6.根據權利要求5所述的數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法，其特徵在於， 在所述發射天線和所述接收天線中的每一個中，將兩個Delta天線的天線軸向分別設為東西方向(EW)和南北方向(SN)，當發射左旋圓極化信號對尋常波信號進行分離時，東西軸向(EW)天線和南北軸向(SN)天線分別對應初始相位為0°和270°的數字下變頻器；當發射右旋圓極化信號對非常波信號進行分離時，東西軸向(EW)天線和南北軸向(SN)天線分別對應初始相位為0°和90°的數字下變頻器。
7.根據權利要求1所述的數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法，其特徵在於， 所述控制信號產生單元包括直接數字頻率合成單元和相位編碼產生單元， 所述直接數字頻率合成單元採用FPGA內部的邏輯來實現， 所述相位編碼產生單元產生16位的互補碼，利用該互補碼對所述直接數字頻率合成單元產生的載波信號進行相位調製。
8.根據權利要求2~4、7的任一項所述的數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法，其特徵在於， 在採用16位互補碼的情況下，單個碼元的時間寬度Ts = 33.33 μ S，帶寬為30ΚΗζ，對應高度解析度為5km，該狀態下發射信號持續時間為16位碼元的時間寬度，即T =533.33 μ S0
9.根據權利要求7所述的數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法，其特徵在於，` 所述直接數字頻率合成單元產生1-30ΜΗΖ的正弦信號和餘弦信號，其頻率和初始相位根據控制參數進行實時調整。
10.根據權利要求7所述的數字電離層測高儀中尋常波與非常波的分離方法，其特徵在於， 所述直接數字頻率合成單元產生的信號一路作為發射脈衝的載波信號，另一路送入所述接收通道作為接收通道中的數字下變頻器的本地振蕩器信號。
【文檔編號】G01S13/08GK103675805SQ201310750523
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】方廣有, 王順, 張鋒, 宮兆前, 陳紫微 申請人:中國科學院電子學研究所