低功率電離層垂直探測

辛國亮　海阿靜

摘 要：常規電離層垂直探測使用脈沖調制或者脈沖編碼技術，發射功率高達數千瓦或者數百瓦。該文介紹了一種低功率（數十瓦）電離層垂直探測的技術，該文首先簡要介紹了線性調頻（Chirp）信號的特點和脈沖壓縮技術原理；其次，該文詳細描述了基于線性調頻信號體制的電離層垂直探測設備，闡述了該設備的系統組成框圖和信號處理流程；最后，該文詳細闡述了利用該設備進行的10W低功率準垂測探測試驗，并通過與當地實時準垂測電離圖的比較，證明該試驗取得了良好的探測效果。

關鍵詞：低功率電離層垂直探測 線性調頻信號 脈沖壓縮 電離圖

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

常規電離層垂直探測一般采用大功率脈沖調制技術，發射峰值功率高達數千瓦，即使采用脈沖編碼、相干積累等信號處理技術，以增加處理增益，獲得高的輸出信噪比，所需要的發射峰值功率也得數百瓦。目前國內外技術成熟和使用范圍廣的電離層垂直探測設備典型代表是中國電波傳播研究所的TYC-1和美國的DPS-4D，發射功率分別為5kW和300W。該文旨在介紹使用另一種特殊的發射信號—線性調頻（Chirp）信號來進行電離層垂直探測，Chirp信號是一種通過線性頻率調制獲得大時寬帶寬積的信號，它同時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獲取高處理增益，以數瓦的發射功率探測電離層，獲取與脈沖調制技術數千瓦發射功率相當的探測效果。

1 技術原理

1.1 線性調頻（Chirp）信號特點

Chirp信號頻譜是“門”型頻譜結構，形狀見圖2。

1.2 脈沖壓縮技術

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

Chirp信號通過匹配濾波器接收實現脈沖壓縮，其匹配濾波器的時域脈沖響應與發射波形相匹配，使接收信號經歷不同的頻率延遲響應，保證脈沖壓縮輸出信號比發射信號幅度包絡更高、脈沖寬度更窄。

2 探測過程

2.1 設備組成及工作流程

為了抑制發射信號的直達波干擾，防止數字接收機阻塞，我們將chirp信號收發設備分置兩地，通過外部時序同步電路進行收發同步。系統整體設備組成框圖見圖4。

波形產生器直接生成工作頻率的線性掃頻chirp信號，經過功放進行信號放大后，通過三角形發射天線垂直向上輻射。接收天線采用寬帶折合陣子天線，接收信號通過數字接收機，先進行高速A/D采樣；然后將采樣數據經NCO完成數字下變頻到基帶，并產生I/O兩路數字信號；數字信號再經過CIC抽樣濾波器進行數字抽取和濾波。最后交由信號處理器進行脈沖壓縮和加窗旁瓣抑制等處理，最終處理結果以圖形形式顯示出來。收發兩端通過GPS時序控制電路進行收發同步，保證發射、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射相參信號進行脈沖壓縮處理，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。

3 探測結果

實際探測實驗中收發兩地直線間距15km，發射信號帶寬為50kHz，掃頻速率為100kHz/s，發射信號功率為10W。發射載頻采取單頻點形式，試驗中分別使用了典型值3MHz、5MHz、7MHz、9MHz。為對比試驗效果，我們采取同地的采用5kw發射功率的電離層垂直探測儀獲取的電離圖作為對比標準。試驗結果如下：

圖7為3MHz收發數據處理后的圖形結果，其中橫坐標為虛高值，單位km，縱坐標為處理后的歸一化幅度值（以下圖形結果等同）。從圖7中很容易看到該頻率值在120km處有最強的回波信號。對比圖8同地同時間的準垂測電離圖，可知該回波信號為E層回波信號。

圖9為5MHz收發數據處理后的圖形結果，從圖形中很容易得到該頻率值在272km處有最強的回波信號。對比圖10同地同時間的垂測電離圖，可知該回波信號為F層回波信號。

圖11為7MHz收發數據處理后的圖形結果，從圖形中很容易得到該頻率值在292km處有最強的回波信號1，在300km處有次強的回波信號2，在580km處有較弱的回波信號3。對比圖12的同地同時間的垂測電離圖，結合電離層理論知識，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，且已開始體現出O、X波分離的跡象。

圖13為9MHz收發數據處理后的圖形結果，從圖中很容易得到該頻率值的三個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。

選取四個頻點，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象，并能從細節上體現由于地磁場引起的極兩種極化波。從每個單頻點的收發處理數據結果上分析，每個頻點的回波信號非常好的與當地同時間的垂測電離圖回波位置一致。

4 結語

通過該試驗得出結論：利用線性調頻信號，只需10W的發射功率，即可獲得5kW脈沖功率的準垂測探測效果。

發射功率的大大降低，一方面可以降低功耗，減少設備體積，便于小型化；另一方面，還可以減少探測設備對周圍環境的電磁輻射干擾。充分利用該體制電離層垂直探測設備的優點，該探測設備可作為星載設備用于天基觀測，實現“天—地”互補觀測，大大增強我國的電離層觀測能力。

參考文獻

[1] 唐愛鵬，劉麗霞，倪亮.線性調頻信號數字脈沖壓縮的優化設計[J].計算機仿真，2014，31（8）：1-5.

[2] 胡磊.脈沖壓縮雷達抗電子攻擊性能研究[J].數字技術與應用.2014（9）：116-117.

[3] George H.Barry.A Low-Power Vertical-incidence Ionosonde. IEEE Transactions On Geoscience Electronics， 1971，GE-9.

[4] Dr. Ruth Bamford. The Oblique Ionospheric Sounder Project Final Report[R].UK，2000.

[5] S. Saito，T.Maruyama，Ionospheric Height Variations Observed by Ionosondes along Magnetic Meridian and Plasma Bubble Onsets[J].Ann.Geophysicae，2006，24（1）：2991-2996.

[6] 李曉路.Chirp探測技術及其在短波通信中的應用[J].艦船電子工程，2005，25（3）：96-100.

[7] 王磊.2215線性調頻脈沖信號及其仿真[J].電子測量技術.2007，30（8）：194-197.