低功率电离层垂直探测

辛国亮　海阿静

摘 要：常规电离层垂直探测使用脉冲调制或者脉冲编码技术，发射功率高达数千瓦或者数百瓦。该文介绍了一种低功率（数十瓦）电离层垂直探测的技术，该文首先简要介绍了线性调频（Chirp）信号的特点和脉冲压缩技术原理；其次，该文详细描述了基于线性调频信号体制的电离层垂直探测设备，阐述了该设备的系统组成框图和信号处理流程；最后，该文详细阐述了利用该设备进行的10W低功率准垂测探测试验，并通过与当地实时准垂测电离图的比较，证明该试验取得了良好的探测效果。

关键词：低功率电离层垂直探测 线性调频信号 脉冲压缩 电离图

中图分类号：TH76 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0083-03

常规电离层垂直探测一般采用大功率脉冲调制技术，发射峰值功率高达数千瓦，即使采用脉冲编码、相干积累等信号处理技术，以增加处理增益，获得高的输出信噪比，所需要的发射峰值功率也得数百瓦。目前国内外技术成熟和使用范围广的电离层垂直探测设备典型代表是中国电波传播研究所的TYC-1和美国的DPS-4D，发射功率分别为5kW和300W。该文旨在介绍使用另一种特殊的发射信号—线性调频（Chirp）信号来进行电离层垂直探测，Chirp信号是一种通过线性频率调制获得大时宽带宽积的信号，它同时具备高的距离分辨率和大的作用距离。通过chirp信号的脉冲压缩技术获取高处理增益，以数瓦的发射功率探测电离层，获取与脉冲调制技术数千瓦发射功率相当的探测效果。

1 技术原理

1.1 线性调频（Chirp）信号特点

Chirp信号频谱是“门”型频谱结构，形状见图2。

1.2 脉冲压缩技术

雷达的距离分辨率可以通过使用短的脉冲来显著改善，但同时会减少发射平均功率。利用脉冲压缩技术可以改善这一矛盾，使我们在获得长脉冲发射平均功率的同时，得到与短脉冲相对应的距离分辨率。

Chirp信号通过匹配滤波器接收实现脉冲压缩，其匹配滤波器的时域脉冲响应与发射波形相匹配，使接收信号经历不同的频率延迟响应，保证脉冲压缩输出信号比发射信号幅度包络更高、脉冲宽度更窄。

2 探测过程

2.1 设备组成及工作流程

为了抑制发射信号的直达波干扰，防止数字接收机阻塞，我们将chirp信号收发设备分置两地，通过外部时序同步电路进行收发同步。系统整体设备组成框图见图4。

波形产生器直接生成工作频率的线性扫频chirp信号，经过功放进行信号放大后，通过三角形发射天线垂直向上辐射。接收天线采用宽带折合阵子天线，接收信号通过数字接收机，先进行高速A/D采样；然后将采样数据经NCO完成数字下变频到基带，并产生I/O两路数字信号；数字信号再经过CIC抽样滤波器进行数字抽取和滤波。最后交由信号处理器进行脉冲压缩和加窗旁瓣抑制等处理，最终处理结果以图形形式显示出来。收发两端通过GPS时序控制电路进行收发同步，保证发射、采集同步精确到微妙级别。

2.2 信号处理流程

将不同高度采集的基带信号分别与发射相参信号进行脉冲压缩处理，就可以得到不同高度的电离层回波信号，从而可以推断电离层的特性参数。

3 探测结果

实际探测实验中收发两地直线间距15km，发射信号带宽为50kHz，扫频速率为100kHz/s，发射信号功率为10W。发射载频采取单频点形式，试验中分别使用了典型值3MHz、5MHz、7MHz、9MHz。为对比试验效果，我们采取同地的采用5kw发射功率的电离层垂直探测仪获取的电离图作为对比标准。试验结果如下：

图7为3MHz收发数据处理后的图形结果，其中横坐标为虚高值，单位km，纵坐标为处理后的归一化幅度值（以下图形结果等同）。从图7中很容易看到该频率值在120km处有最强的回波信号。对比图8同地同时间的准垂测电离图，可知该回波信号为E层回波信号。

图9为5MHz收发数据处理后的图形结果，从图形中很容易得到该频率值在272km处有最强的回波信号。对比图10同地同时间的垂测电离图，可知该回波信号为F层回波信号。

图11为7MHz收发数据处理后的图形结果，从图形中很容易得到该频率值在292km处有最强的回波信号1，在300km处有次强的回波信号2，在580km处有较弱的回波信号3。对比图12的同地同时间的垂测电离图，结合电离层理论知识，可知回波信号3为F层二次回波信号，回波信号1和2为一次F层回波，且已开始体现出O、X波分离的迹象。

图13为9MHz收发数据处理后的图形结果，从图中很容易得到该频率值的三个回波信号距离分别为：340km处回波信号1， 410km处的回波信号2， 675km处的回波信号3。对比图14同地同时间的垂测电离图，可知回波信号3为F层二次回波信号，回波信号1和2为分离明显的F层O、X波。

选取四个频点，分别能够表征来自电离层E层、F层的回波及其二次回波现象，并能从细节上体现由于地磁场引起的极两种极化波。从每个单频点的收发处理数据结果上分析，每个频点的回波信号非常好的与当地同时间的垂测电离图回波位置一致。

4 结语

通过该试验得出结论：利用线性调频信号，只需10W的发射功率，即可获得5kW脉冲功率的准垂测探测效果。

发射功率的大大降低，一方面可以降低功耗，减少设备体积，便于小型化；另一方面，还可以减少探测设备对周围环境的电磁辐射干扰。充分利用该体制电离层垂直探测设备的优点，该探测设备可作为星载设备用于天基观测，实现“天—地”互补观测，大大增强我国的电离层观测能力。

参考文献

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