武汉多功能电离层探测系统

　　0　引　言

　　自从Breit和Tuve提出了电离层短波探测技术[1]以来，电离层探测仪就被广泛地应用于电离层监测和电离层研究.由此，各种各样的地基和天基电离层遥测设备得到了广泛的发展，其中地基高频探测是最传统也是最重要的电离层探测方式.按探测电磁波传播方式，地基高频探测可分为斜向返回探测[2]、斜向入射探测[3]和垂直入射探测[4]3种方式.这3种探测方式各有优缺点，垂测是最基本的电离层探测方式，可获得电离层分层信息，但只能探测头顶小范围的电离层区域;斜测可得到高频电波的传播模式和路径，为短波通信服务.它也只能获得发射机和接收机之间的小块电离层区域;斜向返回探测系统是斜向发射高频电波，电波经电离层折射后投射到远方地面时，后向散射回波经原路径又返回探测系统被接收，因此斜向返回探测仪可覆盖大面积电离层区域，但仅由后向散射电离图是无法给出电波的传播模式和路径的.为了获得大面积电离层的等离子密度剖面图，可利用电离层斜向返回探测系统探测大面积电离层，在电离层反射点放置垂测仪或在地面后向散射处放置斜测接收机来获得电波传播模式或路径信息以反演得到大面积电离层的电子密度剖面[2].

　　根据大面积电离层探测的需要，武汉大学电离层实验室研制了集斜向返回探测、斜测和垂测为一体的电离层多功能探测系统.最初的原型机是一台可移动的单站低功率高频探测仪，通过发射长编码脉冲串信号获得高的脉冲压缩增益并在脉冲间隔期间接收回波，有着非常高的距离和多普勒分辨率.首先，这台原型机用于单站电离层斜向返回探测获得了很好的后向散射电离图[5～7].然后，通过加入时间和频率同步用GPS接收机，使设备能够进行双站探测，实现了双站电离层斜向返回探测和斜向探测.最近，又成功地利用探测设备实现了垂直入射探测.本文将详细地介绍研制的武汉多功能电离层探测系统，并展示了设备实测获得的电离层探测图.

　　1　探测系统结构与工作原理

　　武汉电离层探测系统是一个小体积、低功耗和高性能的高频天波探测系统，可用于电离层探测和短波信道管理.系统根据不同的探测方式，如垂测、斜测和斜返探测使用不同的发射和接收天线.图1(a)中，除天线外探测系统由两大部分组成，即500W功率放大器和系统主机.系统主机包含了PXI机箱及其功能板卡、12英寸液晶屏和多种接口.发射通道、接收机、GPS和嵌入式PC机都是基于PXI总线的板卡，置于PXI机箱中.PXI总线是由美国国家仪器公司提出的一种虚拟仪器总线，向下兼容PCI总线，具有速度高、扩展性强和兼容性好等优点.发射通道和接收通道为两块独立板卡，共享一个高精度压控晶体振荡器(OCXO)，构成全相参系统.一块FPGA 电路用作系统的主控制器、各种控制流程和指令存储于此芯片中.当系统工作时，输出基带信号给数字正交上变频器(QDU)，输出控制时序给发射机和收发开关，将频率控制字送给接收机.高速和高隔离度收发开关在系统中起着非常重要的作用，它在发射周期迅速断开以防止接收机饱和.接收回波经混频、滤波、放大和采样后被送入数字信号处理器(DSP)进行相关运算得到信道冲击响应.冲击响应数据经PXI总线送往嵌入式PC机作进一步处理、显示和存储.另外，一块GPS接收机用于多系统间的时间同步并提供了系统所在经纬度和海拔信息，系统的典型参数如表1所示.