一种基于电离层测高仪的扰动观测方法

技术领域

本发明涉及电离层扰动观测领域，具体而言，涉及一种基于电离层测高仪的扰动观测方法。

背景技术

电离层垂直探测技术是观测研究电离层扰动的一种重要手段，早期主要根据频高图描迹和虚高、临界频率等变化来观测分析电离层扰动情况，数字测高仪的发展使采用信号多普勒频移测量分析电离层扰动成为可能。

电离层高频反射回波的多普勒频移观测是研究电离层扰动的一个重要方法，它可以用来探测电离层反射面的运动速度等参量，以进一步研究电离层的运动和变化。常规的数字测高仪一般有三种工作模式：频高图模式，定频观测模式和漂移观测模式。在频高图模式中，通过发射多个测量脉冲进行FFT分析，也可获得回波信号的多普勒频移，但由于受发射脉冲积累时间的限制，这时所获得的多普勒频移精度一般都较低(0.5Hz以上)，不能满足电离层扰动观测的需要(至少要0.1Hz以下)。在常规的数字测高仪扰动观测中，高精度的多普勒频移一般在漂移观测模式中获得，它是通过对几个工作频率积分较长的时间得到较高精度的多普勒频移。例如，DGS-256数字测高仪的漂移探测仅在2-4个频点上进行，并且只能得到2-4个相应高度上的电离层扰动信息。在此之前，作者所在的研究组曾试验在DGS-256数字测高仪常规的频高图工作模式下，利用该模式记录的16个多普勒通道的原始数据，通过IFFT方法将频域信号还原为时域信号，测量信号相位随时间的变化，得到了高精度多普勒频高图。由于受原有系统设计功能上的限制，高精度的多普勒频高图只能在事后脱机分析得到。

鉴于上述情况和我们开展电离层扰动观测研究的需要，目前需要研制一种电离层扰动观测模式，实现实时获取高精度多普勒频高图，进行电离层扰动观测和分析的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电离层测高仪的扰动观测方法，其能够实现实时获取高精度多普勒频高图，便于对电离层扰动进行观测和分析。

本发明的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种基于电离层测高仪的扰动观测方法，包括如下步骤：端口初始化：监控系统时间并判断时间是否到达指定时长；生成数据文件：通过端口写入控制到DDS板和RCVR板，开始扫频；系统启动：启动DDS板产生频率信号、相位编码和双相调制，运行脉冲集，启动MCU、发射编码脉冲；定时采集：一定时间后，停止发射编码脉冲，采集140或170组回波信号，判断脉冲集是否运行完，当运行未完成时进入下一步骤，否则重新进行所述系统启动步骤；数据处理：数据的实时快读分析、处理和计算，获取数字频高数据和多普勒频高图数据，数据实时显示及存储，判断频率是否扫描完，释放内存关闭文件。其中，步骤定时采集中停止发射编码脉冲的时间可以为600us。

在本发明的一些实施例中，上述数据处理包括如下步骤：系统通过DDS板产生高频载波，由微处理器产生13位Barker码。

在本发明的一些实施例中，上述数据处理包括如下步骤：通过双相调制产生高频调制脉冲信号，所述高频调制脉冲信号由功率放大器放大，通过发射天线辐射出去。

在本发明的一些实施例中，上述数据处理包括如下步骤：所述高频编码调制脉冲信号到达电离层，通过所述电离层反射返回地面，由两个垂直接收天线接收。

在本发明的一些实施例中，上述数据处理包括如下步骤：通过控制接收机采集所述回波信号并存储到计算机的内存缓冲区中，然后对所述内存缓冲区中的原始数据进行一系列快读分析、处理和计算。

在本发明的一些实施例中，上述数据处理包括如下步骤：获取所述数字频高图数据和所述多普勒频高图数据并以二进制文件的形式保存，通过计算机屏幕实时显示所述数字频高图数据和所述多普勒频高图数据。

在本发明的一些实施例中，上述回波信号通过前置宽带放大器放大后与本地振荡信号混频，下变频到781.25kHz的中频信号，再经过窄带(35kHz)中频放大器放大。

在本发明的一些实施例中，经过混频、变频后的所述回波信号分两路分别与本地的中频同相分量和中频正交分量混频(解调)后产生两路正交的基带信号，将两路所述基带信号分别送往接收机中的两个微处理器。

在本发明的一些实施例中，上述微处理器利用所包含的A/D转换器对所述基带信号进行采样和量化，采集的信号随后被移入相关器与13位的Barker码进行交叉相关运算，当信号全部移入相关器与13位Barker码完全匹配时，相关器通过所述基带信号产生最大的信号输出电平，所述基带信号由PC机的ISA总线读入到PC机的内存。

在本发明的一些实施例中，上述数据处理包括如下步骤：系统软件接收到上述PC机的内存数据后，以扫描频率为单位进行一系列实时处理，其中包括噪声平均功率计算、动态门限获取、数据的频域分析FFT、按门限大小确定回波位置、O波和X波的分离、单一窄带回波信号的相位计算、相位解模糊度运算以及最小二乘线性回归求取高频回波信号的多普勒频移。

相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：

本申请实施例提供一种基于电离层测高仪的扰动观测方法，其特征在于，包括如下步骤：端口初始化：监控系统时间并判断时间是否到达指定时长；生成数据文件：通过端口写入控制到DDS板和RCVR板，开始扫频；系统启动：启动DDS板产生频率信号、相位编码和双相调制，运行脉冲集，启动MCU、发射编码脉冲；定时采集：600us后，停止发射编码脉冲，采集140或170组回波信号，判断脉冲集是否运行完，当运行未完成时进入下一步骤，否则重新进行所述系统启动步骤；数据处理：数据的实时快读分析、处理和计算，获取数字频高数据和多普勒频高图数据，数据实时显示及存储，判断频率是否扫描完，释放内存关闭文件。

本申请实施例的有益效果为：

1.基于CADI电离层测高仪实现一种电离层扰动观测模式，实用性高；

2.利用电离层垂直探测中的组合脉冲控制和回波相位测量分析方法，开发并实现了一种新的电离层扰动观测模式，实时获取高精度多普勒频高图，实现了电离层高频反射回波的多普勒频移观测，便于获得电离层扰动速度的时空变化曲线，满足了电离层扰动观测的需求；

3.利用CADI软硬件平台和新开发的扰动观测模式在观测站进行安装、调试和试运行，从而提高观测结果的准确性，验证了新模式的稳定性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中发射脉冲的扫频方式示意图；

图2为本发明实施例计算机内存缓冲区中的原始数据格式；

图3为本发明实施例中相位修正和一元最小二乘线性回归算法示意图；

图4为本发明实施例基于电离层测高仪的扰动观测方法的流程示意图；

图5为本发明实施例中模式下的数字频高图和多普勒频高图；

图6为本发明实施例中多频多普勒频移随时间的变化曲线图；

图7为本发明实施例中多频相速度随时间的变化曲线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。

实施例

请参阅图1～图7，为本申请实施例提供的一种基于电离层测高仪的扰动观测方法的示意图。一种基于电离层测高仪的扰动观测方法，包括如下步骤：

端口初始化：监控系统时间并判断时间是否到达指定时长；生成数据文件：通过端口写入控制到DDS板和RCVR板，开始扫频；系统启动：启动DDS板产生频率信号、相位编码和双相调制，运行脉冲集，启动MCU、发射编码脉冲；定时采集：600us后，停止发射编码脉冲，采集140或170组回波信号，判断脉冲集是否运行完，当运行未完成时进入下一步骤，否则重新进行所述系统启动步骤；数据处理：数据的实时快读分析、处理和计算，获取数字频高数据和多普勒频高图数据，数据实时显示及存储，判断频率是否扫描完，释放内存关闭文件。

详细的，通过实时获取高时间分辩率的、高精度的多普勒频高图，从而实现对电离层扰动随时间高度变化的监测。所研制的扰动观测模式，可以在电离层测高仪的系统时间是否达到指定时长，从而利用软硬件开发、回波信号获取与分析、数字信号处理算法多个步骤获取时间间隔为2-5分钟的连续高精度多普勒频高图，从而分析显示电离层扰动随高度和时间的变化曲线。其中，通过电离层数字测高仪端口写入控制到DDS板和RCVR板，并且按所设计的脉冲集控制DDS和发射机发射扫频高频脉冲波。

电离层数字测高仪最常用的工作模式是频高图模式，即通过垂直发射扫频高频脉冲波，测量从电离层反射回波到达接收机的时间延迟，获得各频率点电离层虚高，即频高图。本实施例与现有数字测高仪测量高频多普勒信息相比，这种模式是通过测量时域信号的相位随时间变化来获得多普勒频移信息的，故在常规的频高图模式工作的同时，可实时获得高精度多普勒频高图。其中，这种测量方式的信号满足窄带要求。实际情况表明：在数字测高仪垂直探测中，对于固定频率、固定高度上的回波信号在大部分情况下是满足这个条件的。

在电离层垂直探测中，信号回波相位Φ(t，r)是接收时间t和接收天线位置r的随机函数，一级泰勒级数展开式为：Φ(t

在本发明的一些实施例中，上述数据处理包括如下步骤：软件系统通过DDS板产生高频载波，由微处理器产生13位Barker码。然后，通过双相调制产生高频调制脉冲信号，所述高频调制脉冲信号由功率放大器放大，通过发射天线辐射出去。并且，所述高频编码调制脉冲信号到达电离层，通过所述电离层反射返回地面，由两个垂直接收天线接收。

如图2所示，在本发明的一些实施例中，上述数据处理包括如下步骤：通过控制接收机采集所述回波信号并存储到计算机的内存缓冲区中，然后对所述内存缓冲区中的原始数据进行一系列快读分析、处理和计算。其中，获取所述数字频高图数据和所述多普勒频高图数据并以二进制文件的形式保存，通过计算机屏幕实时显示所述数字频高图数据和所述多普勒频高图数据。

详细的，通过写入控制信号控制接收机采集回波信号，并存储到计算机，便于利用计算机进行读取和分析得到数字频高图数据和所述多普勒频高图数据，并通过计算机进行显示。其中，回波信号S

在本发明的一些实施例中，上述回波信号通过前置宽带放大器放大后与本地振荡信号混频，下变频到781.25kHz的中频信号，再经过窄带(35kHz)中频放大器放大。其中，本地振荡信号混频为S

在本发明的一些实施例中，经过混频、变频后的所述回波信号被分两路，并且分别与本地的中频同相分量和中频正交分量混频(解调)后产生两路正交的基带信号，将两路所述基带信号分别送往接收机中的两个微处理器。其中，中频同相分量I信号的算式为：I＝A

详细的，产生的两路基带信号为S

在本发明的一些实施例中，上述微处理器利用所包含的A/D转换器对所述基带信号进行采样和量化，采集的信号随后被移入相关器与13位的Barker码进行交叉相关运算，当信号全部移入相关器与13位Barker码完全匹配时，相关器通过所述基带信号产生最大的信号输出电平，所述基带信号由PC机的ISA总线读入到PC机的内存。其中基带信号生成的复数据矩阵的数据结构如图2所示。

在本发明的一些实施例中，上述数据处理包括如下步骤：系统软件接收到上述PC机的内存数据后，以扫描频率为单位进行一系列实时处理，其中包括噪声平均功率计算、动态门限获取、数据的频域分析FFT、按门限大小确定回波位置、O波和X波的分离、单一窄带回波信号的相位计算、相位解模糊度运算以及最小二乘线性回归求取高频回波信号的多普勒频移。

详细的，相关算法包括：

1.噪声的平均功率

2.动态门限T：

3.每频率同一高度上复值数据的FFT分析：

4.O波与X波的分离

根据电波传播理论，电波通过电离层传播时，由于电离层的色散作用，会分解为两个圆偏振波，一个是左旋波，另一个是右旋波，即寻常波(O波)和非寻常波(X波)。提取高精度多普勒频移信息时，必须使用单一的窄带回波信号，即必须将叠加在一起的O波和X波分开。设东西向天线接收到的复信号为SEW，南北向天线接收到的复信号为SSN，即：S

详细的，在我们所设计的扰动观测模式中，发射脉冲的扫频方式如图1所示。图中PRF表示发射脉冲的重复频率，IPP表示每个发射脉冲之间的时间间隔，每一个短划线代表某一频率所发射的脉冲个数N，当N＝8时，一个频率发射所花费的时间τ为8×25ms＝0.2s。在每一个探测频率，每发射一个脉冲，两个接收通道按不同的高度(90-507km高度范围，3km高度分辨率)分别采集M对(典型值为140)复信号存入计算机内存缓冲区中，内存区中所存入的每一通道原始数据格式如图2所示，利用这两个通道的2×M×N对复信号首先通过软件方法将O波和X波分开，以获得单一的窄带回波信号，然后对应每一个高度利用所获得的N对O波(或X波)复信号，分别求取相位值以及进行相位修正，即相位解模糊度处理，最后用一元最小二乘线性回归的方法求取多普勒频移ω。相位解模糊度和一元最小二乘线性回归算法原理如图3所示。对一次扫频中所有的探测频率进行相同的处理后，即可获得高精度多普勒频高图。

5.相位计算，解模糊度算法:

6.一元最小二乘回归算法求多普勒频移：φ(t

使用时，为了试验新的电离层扰动观测模式，我们在观测站(40.3°N，116.2°E)安装了CADI数字测高仪试验平台，利用新开发的模式在该站进行了连续多天的运行和观测，已取得了一些有意义的初步结果，这里结合图5、图6和图7做如下分析说明。

图5所示的是当地所采集的数字频高图和多普勒频高图的数据结果，图中所示的扫描频率间隔是0.1MHz，高度间隔是3km。图5(a)代表回波信号的虚高随探测频率的变化曲线(即通常所说的频高图)，两条描迹分别表示分离出的O波和X波信号，其中，o符号所示的是O波描迹，+符号所示的是X波描迹；图5(b)代表的是O波信号的多普勒频移随探测频率的变化曲线，即高精度多普勒频高图。由图5可以看出：O波信号的多普勒频移值在±1Hz范围内，并且多普勒频移随着发射频率由负向正逐渐变化，具有较好的连续性，表明回波信号满足窄带要求。

图6给出了(时间间隔为2分钟)的多频多普勒频移随时间的变化曲线。利用多普勒频移与相速度的关系：

观测和实验结果表明：新开发的电离层扰动观测模式，系统工作稳定可靠，模式应用程序友好实用，可获得高精度的多普勒频高图和电离层扰动速度的时空变化曲线，能够满足电离层扰动观测研究需要。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

综上所述，本申请实施例提供的一种基于电离层测高仪的扰动观测方法：在电离层垂直探测方法中，测量回波相位随时间变化获得多普勒频移，从而计算电离层扰动信息具有精度高、测量时间短等特点。在CADI数字测高仪硬件平台上，利用组合脉冲和回波相位分析方法，设计实现了用于电离层扰动探测的观测模式。通过在CADI数字测高仪硬件平台上所进行的工作表明，基于回波相位分析方法实现的该模式实用可行，稳定可靠，所获取的高频多普勒频高图实时性强，精度高，可满足电离层扰动观测需要。当然，这种方法要求电离层回波信号为窄带单频信号，虽然在大多数情况下可以满足，但在夜间干扰较大等情况下，测量的精度会降低。总的来说，该模式的实现，不仅开辟了一条利用现有的常规探测设备获取更多观测信息的有效途径，而且对于发展电离层垂直探测方法和提高数字测高仪的功能积累了经验。作为下一步的工作，我们将利用获得的高精度多普勒频高图反演电离层扰动剖面，观测研究电离层扰动特征。同时，利用回波相位随频率变化进行虚高测量，提高数字测高仪的虚高测量精度，这将有助于对电离层结构和运动的精细分析。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。