CN103675805B - 数字电离层测高仪中寻常波与非常波的分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字电离层测高仪中寻常波与非常波的分离方法，根据电离层回波信号的极化特性，通过在数字电离层测高仪的接收通道上采用数字方法合成圆极化波的方式进行电离层回波信号中寻常波与非常波的分离。在进行下变频处理时，当发射天线的发射信号为左旋圆极化波时，采用对一个接收天线接收到的信号做-90°相移后再与另一天线接收到的信号相加而分离出寻常波信号；当发射天线的发射信号为右旋圆极化波时，采用对一个接收天线接收到的信号做+90°相移后再与另一天线接收到的信号相加而分离出非常波信号。因此，与现有的***相比，本发明的方法具有不受模拟移相器带宽的限制和不需要模拟开关的不断切换的特点。

Description

数字电离层测高仪中寻常波与非常波的分离方法

技术领域

本发明涉及空间电离层无线电探测技术领域，尤其涉及一种数字电离层测高仪中的寻常波(以下称作O波)与非常波(以下称作X波)的分离方法。

背景技术

电离层垂直探测是用高频无线电波从地面对电离层进行日常观测的技术。这种技术使用的探测设备称为电离层测高仪(或称垂测仪)。它垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，在同一地点接收这些脉冲的电离层反射信号，测量出电波往返的传递时延，从而获得反射高度与频率的关系曲线。这种曲线称为频高图或垂测电离图。

根据电磁波在等离子体中传播理论，电磁波通过电离层传播时，由于地球磁场的作用电波会***为两个圆极化波分量，一个为O波对应左旋波，一个为X波对应右旋波，它们会同时出现在电离层测高仪的接收时间窗口内，于是在频高图上出现两个描迹。在对频高图进行自动度量时需要明确区分O波和X波分量，如ARTIST方法在采用解析函数逼近正常的E层描迹时只考虑O波信息，在采用双曲线拟合F层描迹时要同时考虑O波和X波的信息等，因此如何对O波和X波进行自动分离成为对电离层频高图进行自动度量的关键问题。目前，对O波和X波进行分离的方法可以分为两类，即采用图像处理的方法分离和从探测原理上分离。采用图像处理的分离方法对电离层测高仪自身硬件***的要求较低，这类方法主要是通过图像识别技术分别提取出频高图中O波和X波的描迹，但是后续图像处理算法准确率并不高，存在一定的误判率，需要一定的人工干预。从探测原理上分离O波和X波需要分别发射不同旋向的圆极化信号，同时接收天线也要保持与发射天线相同的旋向，这对收、发天线和控制***都提出了较高的要求，该类设备的典型代表就是美国的DPS-4数字式测高仪，该测高仪采用模拟90°相移器(2-32MHz)和一系列模拟开关的组合的方式合成了宽带范围内的圆极化信号，从而完成了2-30MHz频率范围内O波与X波的分离接收，该方案在实现上采用的是模拟合成的方法，其最终的效果取决于模拟相移器的线性度和带宽限制，另外该实现方案需要不断地切换多个模拟开关设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字电离层测高仪中的O波与X波分离方法，该方法通过在数字域内引入±90°相移，实现了1-30MHz范围内的圆极化信号合成，进而分离出回波信号中的O波与X波分量，由于圆极化波的合成完全是在数字域内完成，因此该方法从根本上消除了模拟移相器中相移与频率之间的非线性问题，而且在整个过程中不需要模拟开关的连续切换。

本发明的数字电离层测高仪中的O波与X波分离方法，其特征在于采用数字化处理方案，即根据电离层回波信号的极化特性通过在接收电路上采用数字方法合成圆极化波的方式实现了对电离层回波信号中O波与X波的有效分离。具体的处理步骤如下：

步骤1：准备数字电离层测高仪作为硬件平台，该数字电离层测高仪包括控制信号产生单元、发射通道、接收通道和包括发射天线及接收天线的天线***，所述发射天线和所述接收天线中的每一个均采用两个相互正交的Delta天线；

步骤2：所述数字电离层测高仪上电后，将配置参数下载到内部参数RAM中；

步骤3：所述控制信号产生单元读取所述内部参数RAM中的所述配置参数并产生相应的控制时序；

步骤4：所述发射通道中的直接数字频率合成模块在所述控制时序的控制下产生相位编码调制信号并通过所述发射通道中的发射机放大后馈送到所述发射天线，并由所述发射天线向电离层发送；和

步骤5：所述接收天线接收来自电离层的回波信号并且送入所述接收通道进行数字化和下变频处理，

在进行所述下变频处理时，当所述发射天线的发射信号为左旋圆极化波时，采用对一个接收天线接收到的信号做-90°相移后再与另一天线接收到的信号相加而分离出寻常波信号；当所述发射天线的发射信号为右旋圆极化波时，采用对一个接收天线接收到的信号做+90°相移后再与另一天线接收到的信号相加而分离出非常波信号

发明的效果

本发明提出的电离层测高仪中的O波与X波分离的方法不同于采用图像处理技术从电离图中提取O波与X波描迹的方法，它是从探测原理上进行分离，并且由于该方法采用了数字化实现方式，与现有的***相比具有不受模拟移相器带宽的限制和不需要模拟开关的不断切换的特点，对本发明所采用的电离层测高仪(以下称作CAS-DIS(ChineseAcademyofSciences，DigitalIonosonde)电离层测高仪)进行的实测实验观测结果表明，本发明的方法能有效地分离出电离层测高仪回波中的O波与X波信号。

附图说明

图1为表示本发明的方法使用的CAS-DIS电离层测高仪组成的示意图；

图2为表示通过本发明的方法对O波与X波进行分离的过程的控制时序图；

图3为表示通过本发明的方法进行的O波提取过程的示意图；

图4为表示通过本发明的方法进行的X波提取过程的示意图；

图5为表示本发明的方法的实测数据结果的图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明是一种数字电离层测高仪中的O波与X波的数字分离方法，该方法从硬件上区分出电离层回波信号中的O波和X波分量，该方法采用中科院电子学研究所自主研发的CAS-DIS电离层测高仪作为硬件平台，并进行实测实验验证了方法的有效性。

图1为表示本发明的方法使用的CAS-DIS电离层测高仪组成的示意图。该CAS-DIS电离层测高仪主要由控制信号产生单元、发射通道、接收通道、天线***、数据处理单元和显控终端等组成。天线***包括发射天线和接收天线，该发射天线和接收天线都采用两个相互正交的Delta天线。CAS-DIS电离层测高仪上电后，上位机软件将配置参数通过PCI接口下载到FPGA内部参数RAM中，控制信号产生单元读取RAM中的配置参数并产生相应的控制时序，发射通道中的直接数字频率合成(DDS)模块在时序控制下产生相位编码调制信号并通过发射机放大后馈送到发射天线，接收天线采用两个相互正交的Delta天线，将接收到的信号进行一系列处理得到频高图。

CAS-DIS电离层测高仪设计中采用了16位互补码的编码方式。控制信号产生单元产生扫频的相位编码脉冲信号，扫频范围是1MHz～30MHz，16位互补码包括A码和B码，其中A码：(11-11111-1-1111-11-1-1)；B码：(-1-11-1-1-1-11-1111-11-1-1)。

控制信号产生单元主要由包括DDS单元、相位编码产生单元、DAC、低通滤波器等单元组成。DDS单元产生1-30MHz的正、余弦信号，其频率和初始相位可根据控制参数实时调整，DDS单元产生的信号一路作为发射脉冲的载波信号，另一路送入接收通道作为数字下变频(DDC)的本地振荡器信号。在本发明的***设计中，DDS采用FPGA内部的逻辑资源实现，其时钟频率为f_clk＝60MHz，频率分辨率f＝0.25Hz，虚假抑制S＝82dB，相位累加器(PACC)位宽为28比特，输出数据的位宽为14位。相位编码产生单元产生16位的互补码，该编码对DDS单元产生的载波信号进行相位调制。当采用16位互补码时，单个码元的时间宽度Ts＝33.33μs，带宽为30KHz，对应高度分辨率为5km，该状态下发射信号持续时间为16位码元的时间宽度，即T＝533.33μs。

下面，结合附图对本发明的数字电离层测高仪中的O波与X波分离方法的主要步骤进行说明。

本发明的数字电离层测高仪中的O波与X波分离方法，其采用数字化处理方案，即根据电离层回波信号的极化特性通过在接收电路上采用数字方法合成圆极化波的方式实现了对电离层回波信号中O波与X波的有效分离。具体的处理步骤如下：

步骤1：准备CAS-DIS数字电离层测高仪作为硬件实验平台；

步骤2：CAS-DIS数字电离层测高仪上电后，上位机软件将配置参数通过PCI接口下载到内部参数RAM中；

步骤3：控制信号产生单元读取RAM中的配置参数并产生相应的控制时序；

步骤4：发射通道中的DDS模块在时序控制下产生相位编码调制信号并通过发射机放大后馈送到发射天线，并由发射天线向电离层发送；和

步骤5：两个正交的Delta接收天线接收来自电离层的回波信号并且送入接收通道进行数字化和下变频处理，

在做下变频处理时，当发射信号为左旋圆极化波时，采用对其中的一个接收天线的信号做-90°相移后再与另一天线信号相加可以分离出O波信号；当发射右旋圆极化波时，采用对同一个接收天线的信号做+90°相移后再与另一天线信号相加可以分离出X波信号。

另外，也可以将天线轴向分别设为东西方向(EW)和南北方向(SN)，通过在两个接收通道中的DDC的本振信号中引入不同的初始相位来分离出O波和X波，其具体方式为：当发射左旋圆极化信号对O波信号进行分离时，东西轴向(EW)天线和南北轴向(SN)天线分别对应初始相位为0°和270°的数字下变频器；当发射右旋圆极化信号对X波信号进行分离时，东西轴向(EW)天线和南北轴向(SN)天线分别对应初始相位为0°和90°的数字下变频器。

图2为表示通过本发明的方法对O波与X波进行分离的过程的控制时序图。

CAS-DIS电离层测高仪的脉冲重复频率(PRF)为20Hz，对应脉冲重复周期(PRI)为50ms，其中40ms作为信号发射和数据采集时间，10ms用于数据传输时间，其具体时序如图2所示。为了实现对O波、X波的分离过程，在一次PRI内电离层测高仪需要完成以下工作模式的转换：

a)4次码型变换：CAS-DIS电离层测高仪采用相位编码调制技术，设计中选用的调制码型为16位互补码，包括A码和B码，每次码型变换的持续时间为10ms。

b)2次极化方式转化：分别对应左旋圆极化和右旋圆极化。

c)4次信号发射和4次数据采集过程：对应每一个码型变换都有一次信号发射和接收的过程，其中发射信号时间窗口为600μs，其中有效发射信号时宽为533.33μs；接收信号时间窗口为6.12ms，对应探测虚高为90～1024km。

本发明方法的分离原理如下：如果电波的频率远高于离子的磁旋频率，忽略碰撞和热运动只考虑外磁场B，磁离子理论中的A-H公式可以简化为：

${\mathrm{\μ}}^2=1-\frac{X}{1-\frac{{Y_T}^2}{2(1-X)}\±\sqrt{{Y_L}^2+\frac{{Y_T}^4}{4{(1-X)}^2}}}$

Y_L＝Ycosθ，Y_T＝Ysinθ(1)

其中：f_P为等离子体频率，f为电波频率，f_H为电子磁旋频率，θ为地磁场与波法线夹角，μ为折射系数。

根据电波传播理论，当波的传播方向垂直于地磁场时，即波矢量K垂直于B(θ＝π/2)的条件下，垂直入射进入电离层的电磁波将在μ²＝0时发生反射，由A-H公式可知，发生反射时参数X和Y满足以下关系：

X＝1(2-a)

X＝1±Y(2-b)

式(2-a)对应的波是沿磁场线偏振的，其折射指数与磁场无关，称作寻常波或O波，公式(2-b)对应的波称为非常波或X波，其偏振状态既不是纯横的，也不是纯纵的，它的电场矢量在B的平面内描绘成椭圆，该椭圆当μ为0时退化为圆。

电离层测高仪回波通常由两个椭圆极化波(O波和X波)的叠加组成，在磁赤道(magneticdipequator)附近O波的电场方向是南北向的，而X波的电场方向是东西向的，所以利用一个南北向和一个东西向的线极化天线就可以将O波和X波区分开。在高纬地区，当电波频率较高时椭圆极化基本上退化为圆极化，这样两个圆极化的信号可以通过两个正交的偶极子天线区分开。考虑两个相反旋向的波，其幅度为E_o和E_e，分别入射到相互正交的天线X和Y上，则：

E_x＝E_ocosωt+E_ecos(-ωt)＝E_ocosωt+E_ecosωt(3-a)

E_y＝E_osinωt+E_esin(-ωt)＝E_osinωt-E_esinωt(3-b)

给X天线接收的信号移相±90°后，

E_x1＝E_ocos(ωt-π/2)+E_ecos(ωt-π/2)

＝E_osinωt+E_esinωt(4-a)

E_x2＝E_ocos(ωt+π/2)+E_ecos(ωt+π/2)

＝-E_osinωt-E_esinωt(4-b)

将X天线接收信号移相后的信号E_x1和E_x2分别与Y天线接收信号E_y相加后得到的E_O和E_X即为O波和X波分量：

E_O＝E_x1+E_y＝2E_osinωt(5-a)

E_X＝E_x2+E_y＝-2E_esinωt(5-b)

上述各式中，E_x表示天线X的接收幅度，E_y表示天线Y的接收幅度，E_x1表示天线X做+90°相移后的接收幅度，E_x2表示天线X做-90°相移后的接收幅度，ω表示电磁波传播角速度，t表示时间。

根据式(3)、(4)和(5)可知，当发射左旋圆极化波时，通过对其中一个接收天线的信号做-90°(等同地，+270°)相移后再与另一天线信号进行相加可以分离出O波信号；当发射右旋圆极化波时，通过对同一个接收天线的信号做+90°相移后再与另一天线信号进行相加可以分离出X波信号。由于电离层的特性在较短的时间内不会有较大的变化，因此只要两次发送和接收之间的时间间隔较小，就可以通过分别发射左旋和右旋的圆极化波，再通过分离分别得到O波和X波，然后再将其绘到一幅电离图中，从而得到一幅完整的电离层频高图。

图3为表示通过本发明的方法进行的O波提取过程的示意图，图4为表示通过本发明的方法进行的X波提取过程的示意图。具体的O波X波分离过程示意如图3和图4所示。

图5为观测到的电离层频高图，其中横坐标表示扫频频率(MHz)，纵坐标表示探测虚高(Km)，另外图中深色曲线为O波描迹，浅色曲线为X波描迹。该观测结果表明该方法能有效地分离出电离层测高仪回波中的O波与X波信号。

本发明O波与X波分离的方法，不仅是从探测原理上进行分离，并且由于该方法采用了数字化实现方式，与现有的***相比具有不受模拟移相器带宽的限制和不需要模拟开关的不断切换的特点，根据上述的观测结果可知，本发明的方法能有效地分离出电离层测高仪回波中的O波与X波信号。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字电离层测高仪中寻常波与非常波的分离方法，其特征在于，根据电离层回波信号的极化特性，通过在数字电离层测高仪的接收通道上采用数字方法合成圆极化波的方式进行电离层回波信号中寻常波与非常波的分离，该方法包括：

步骤1：准备数字电离层测高仪作为硬件平台，该数字电离层测高仪包括控制信号产生单元、发射通道、接收通道和包括发射天线及接收天线的天线***，所述发射天线和所述接收天线中的每一个均采用两个相互正交的Delta天线；

步骤2：所述数字电离层测高仪上电后，将配置参数下载到内部参数RAM中；

步骤3：所述控制信号产生单元读取所述内部参数RAM中的所述配置参数并产生相应的控制时序；

步骤4：所述发射通道中的直接数字频率合成模块在所述控制时序的控制下产生相位编码调制信号并通过所述发射通道中的发射机放大后馈送到所述发射天线，并由所述发射天线向电离层发送；和

步骤5：所述接收天线接收来自电离层的回波信号并且送入所述接收通道进行数字化和下变频处理，

在进行所述下变频处理时，当所述发射天线的发射信号为左旋圆极化波时，采用对一个接收天线接收到的信号做-90°相移后再与另一天线接收到的信号相加而分离出寻常波信号；当所述发射天线的发射信号为右旋圆极化波时，采用对一个接收天线接收到的信号做+90°相移后再与另一天线接收到的信号相加而分离出非常波信号。

2.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪中寻常波与非常波的分离方法，其特征在于，

所述数字电离层测高仪中采用了16位互补码的编码方式，所述控制信号产生单元产生扫频的相位编码脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的数字电离层测高仪中寻常波与非常波的分离方法，其特征在于，

所述扫频的范围是1MHz～30MHz，所述16位互补码包括A码和B码，其中A码为11-11111-1-1111-11-1-1，B码为-1-11-1-1-1-11-1111-11-1-1。

4.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪中寻常波与非常波的分离方法，其特征在于，

所述控制信号产生单元在数字电离层测高仪的1个对应脉冲重复周期内并行进行以下动作：

a)4次码型变换，其中选用的调制码型为16位互补码，包括A码和B码，其中A码为11-11111-1-1111-11-1-1，B码为-1-11-1-1-1-11-1111-11-1-1；

b)2次极化方式的转化，所述极化分别对应左旋圆极化和右旋圆极化；

c)4次信号发射和4次数据采集过程，其中1次信号发射和数据采集过程对应1次码型变换。

5.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪中寻常波与非常波的分离方法，其特征在于，

在所述步骤5中，通过在接收通道中的数字下变频器的本地振荡器信号中引入不同的初始相位来分离出寻常波和非常波。

6.根据权利要求5所述的数字电离层测高仪中寻常波与非常波的分离方法，其特征在于，

在所述发射天线和所述接收天线中的每一个中，将两个Delta天线的天线轴向分别设为东西轴向(EW)和南北轴向(SN)，当发射左旋圆极化信号对寻常波信号进行分离时，东西轴向(EW)天线和南北轴向(SN)天线分别对应初始相位为0°和270°的数字下变频器；当发射右旋圆极化信号对非常波信号进行分离时，东西轴向(EW)天线和南北轴向(SN)天线分别对应初始相位为0°和90°的数字下变频器。

7.根据权利要求1所述的数字电离层测高仪中寻常波与非常波的分离方法，其特征在于，

所述控制信号产生单元包括直接数字频率合成单元和相位编码产生单元，

所述直接数字频率合成单元采用FPGA内部的逻辑来实现，

所述相位编码产生单元产生16位的互补码，利用该互补码对所述直接数字频率合成单元产生的载波信号进行相位调制。

8.根据权利要求2～4、7的任一项所述的数字电离层测高仪中寻常波与非常波的分离方法，其特征在于，

在采用16位互补码的情况下，单个码元的时间宽度Ts＝33.33μs，带宽为30KHz，对应高度分辨率为5km，该状态下发射信号持续时间为16位码元的时间宽度，即T＝533.28μs。

9.根据权利要求7所述的数字电离层测高仪中寻常波与非常波的分离方法，其特征在于，

所述直接数字频率合成单元产生1-30MHz的正弦信号和余弦信号，其频率和初始相位根据控制参数进行实时调整。

10.根据权利要求7所述的数字电离层测高仪中寻常波与非常波的分离方法，其特征在于，

所述直接数字频率合成单元产生的信号一路作为发射脉冲的载波信号，另一路送入所述接收通道作为接收通道中的数字下变频器的本地振荡器信号。