CN112882018A - 一种海洋和电离层一体化探测高频雷达***及其控制方法 - Google Patents

一种海洋和电离层一体化探测高频雷达***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于对海探测雷达技术领域，公开了一种海洋和电离层一体化探测高频雷达***及其控制方法，所述海洋和电离层一体化探测高频雷达***包括：显控平台、时序控制器、综合信号产生器、电离层探测子***和海洋信息探测子***。本发明依据高频地波雷达和电离层垂测仪原理，设计新型的海洋‑电离层信息一体化探测高频雷达***，实现海洋‑电离层信息同步获取，为近地海洋‑大气层物理运行规律和原理分析等科学研究提供数据支持。同时，本发明通过设计统一的时序控制器，并设计相互同步的波形参数，实现电离层垂测和海洋信息的同步获取，避免两者之间的相互干扰，保证电离层垂测和海洋信息获取之间互不干扰，能够同步获取电离层信合和海洋信息。

Description

一种海洋和电离层一体化探测高频雷达***及其控制方法
技术领域
本发明属于对海探测雷达技术领域，尤其涉及一种海洋和电离层一体化探测高频雷达***及其控制方法。
背景技术
目前，在人类生活的浩瀚无限的世界里，海洋和电离层是和人类生存紧密相关的两大组成部分，因而长期以来科学家们在这两大科学领域进行了不懈的探索和研究，取得了辉煌的研究成果。HFSWR凭借其特有的体制优势在海上超视距目标探测和海态遥感方面得到了广泛的应用，同时近几年HFSWR电离层探测研究也取得了突破性进展。因此人们希望在现有的HFSWR研究成果基础上，进一步扩展研究海洋与电离层之间动力学关系，从而揭开海洋与电离层间的奥秘。同时通过对海洋-电离层间动力学关系和突发海态激励的电离层扰动响应机理的研究，建立突发海态早期预警监测新的理论和方法。例如本世纪比较常见的海啸，其发生时会同时激发海洋和电离层特征变化，而且两者之间具有一定的联动关系。因而海态和电离层两方面特征信息的联合应用必将有效提高早期预警的时间和准确性。但是目前由于缺少同步获取海洋-电离层信息的一体化探测手段，极大限制人类对于海洋与电离层之间科学问题的认知。现有的HFSWR在体制和功能上还不能满足海洋与电离层信息的同步获取和海上目标-海洋-电离层兼容探测的需求，因此需要构造全天时、全天候、实时联合探测海上超视距目标、海洋及其上空电离层的一体化新体制HFSWR，并把海洋和电离层作为一个相互关联的整体，同步获取海洋信息(海流、风场、浪场)和电离层(电离层多普勒频移、F2层临界频率f0F2、电子浓度、电离层高度等)信息，构造时空域上更加完备的海洋-电离层信息获取***。
电离层探测和海洋信息探测都需要利用高频电磁波信号，但两者工作原理不同，其中最主要的区别是电离层探测需要进行宽频扫描，而海洋信息探测则需要定频积累。目前的探测设备只能单独探测电离层或海洋信息，并且两种不同的设备之间会存在很严重的干扰，无法同时工作。为了同步获取海洋和电离层信息，必须设计相互同步且不存在干扰的***才能实现。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有的HFSWR在体制和功能上还不能满足海洋与电离层信息的同步获取和海上目标-海洋-电离层兼容探测的需求。
(2)目前的探测设备只能单独探测电离层或海洋信息，并且两种不同的设备之间会存在很严重的干扰，无法同时工作。
解决以上问题及缺陷的难度为：电离层探测与海洋信息探测之间的干扰会严重干扰各自的***工作状态，导致***性能急剧恶化，无法正常工作甚至烧毁***。将电离层探测与海洋信息探测集成，进行同步探测需要对原来相互独立的电离层垂测仪和高频地波雷达进行深度整合，***复杂度高，解决较为困难。
解决以上问题及缺陷的意义为：解决以上问题，以满足海洋和电离层信息的同步获取，可以为开展海洋-电离层间动力学关系科学研究提供重要的数据参考，对促进海洋科学发展具有重要意义，对台风、海啸、地震等极端自然现象的预测和防范也具有很强的指导作用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海洋和电离层一体化探测高频雷达***及其控制方法，尤其涉及一种可同时监测海态和电离层信息的一体化探测高频雷达***及其控制方法。
本发明是这样实现的，一种海洋和电离层一体化探测高频雷达***，所述海洋和电离层一体化探测高频雷达***包括：显控平台、时序控制器、综合信号产生器、电离层探测子***和海洋信息探测子***。
显控平台，通过以太网与各部件及各***连接，是用于用户交互的接口，通过通用计算机实现数据交互，负责整体***的控制参数下发、设备状态监控、探测结果的存储与显示功能；
时序控制器，通过以太网与显控平台连接，接收***参数和显控平台下发的控制信息，并输出***状态；
综合信号产生器，通过DDS和硬件电路实现，用于生成各分***时钟源、电离层探测任务和海洋信息探测任务信号波形以及接收机本振信号；
电离层探测子***，包括发射机、接收机、天线及信号处理四个部分，工作原理和结构与现有电离层垂测仪基本相同，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入；
海洋信息探测子***，包括发射机、接收机、天线及信号处理四个部分，以现有高频地波雷达***为基础实现，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入。
进一步，所述显控平台配备4块显示器，分别用于显示***状态和设置参数、电离层探测结果显示、海洋信息探测结果显示以及海洋-电离层信息关联性分析结果。
进一步，所述时序控制器以ARM和FPGA为主体，利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别为综合信号产生器、电离层探测子***和海洋信息探测子***提供同步时序；
所述ARM通过配置FPGA参数，控制FPGA产生各时序逻辑电路并输出；通过北斗/GPS模块获取授时信息，可根据时间信息定时启动时序信号。
进一步，所述综合信号产生器通过铷原子钟产生标准振荡信号作为整个***的时钟源，分别产生多路时钟信号供时序控制器、电离层探测子***和海洋信息探测子***使用。利用FPGA产生电离层探测和海洋信息探测使用的发射信号基带波形，通过DDS将发射信号调制到指定的载频上。电离层探测使用二相互补码作为发射信号，海洋信息探测使用截断线性调频作为发射信号。电离层探测利用N个脉冲进行相干积累，同时海洋信息探测发射信号利用N个脉冲对线性调频进行截断。利用DDS产生生成用于电离层探测、海洋信息探测的发射信号波形以及接收机本振信号。电离层探测本振信号以固定频率间隔步进变化，受时序控制器控制，每个上升沿跳变一次，当电离层探测载频与海洋信息探测工作频率相近时，跳过1-2个频点，保证两者之间没有相互干扰。
进一步，所述电离层探测子***和海洋信息探测子***的基本结构相同，发射信号通过功率放大器放大后经过带通滤波除去倍频谐波，然后输出给发射天线辐射出去。时序信号控制功率放大器的开关，控制信号控制功率放大器的工作参数。同时监控组合监控发射机以及滤波器状态，将监控信息传输给显控平台。回波信号通过接收天线阵列接收，经过带通滤波器和低噪声放大之后进入采集模块变为数字信号，采集模块主要为高速AD采集模块。各路采集模块数字信号输出至信号处理模块，信号处理结果即为子***最终输出。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达***的海洋和电离层一体化探测高频雷达***的控制方法，所述海洋和电离层一体化探测高频雷达***的控制方法包括以下步骤：
步骤一，通过显控平台利用通用计算机实现数据交互；通过时序控制器接收***参数和显控平台下发的控制信息，输出***状态，并负责整体***的控制参数下发、设备状态监控、探测结果的存储与显示功能；
步骤二，通过时序控制器利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别为综合信号产生器、电离层探测子***和海洋信息探测子***提供同步时序；
步骤三，ARM通过配置FPGA参数，控制FPGA产生各时序逻辑电路并输出；通过北斗/GPS模块获取授时信息，根据时间信息定时启动时序信号；
步骤四，通过综合信号产生器利用DDS和硬件电路生成各分***时钟源、电离层探测任务和海洋信息探测任务信号波形以及接收机本振信号；
步骤五，电离层探测子***通过发射机功放及发射天线向空中辐射，碰到电离层之后反射回来，形成电离层回波；接收天线接收到电离层回波后将回波信号传给接收机进行滤波放大后解调至基带，经过AD采集后进入信号处理机；
步骤六，海洋信息探测信号通过发射机功放和天线辐射到空间中，经海浪反射被接收天线接收，然后经过滤波、放大后解调至基带；对基带信号进行AD采样后，由信号处理机进行处理。
进一步，步骤五中，所述电离层探测信号的每个脉冲包含一组二项互补码，二项互补码包含A、B两组码，两组码各自的自相关函数相加可得到理想的自相关特性，即：
Figure BDA0002896712900000051
其中，N为序列长度。设发射信号s(t)＝sA(t)+sB(t-τ0)，其中sA(t)和sB(t)分别为A、B两组码形成的脉冲序列，τ0为序列sA(t)的长度。则电离层回波信号可以表示为：
r(t)＝s(t+τ)+n(t)＝sA(t+τ)+sB(t-τ0+τ)+n(t)；
分别计算r(t)与sA(t)以及sB(t)的互相关可以得到：
Figure BDA0002896712900000052
Figure BDA0002896712900000053
R(τ)＝RA(τ)+RB(τ)；
通过搜索R(τ)的极值即可获取电离层回波的时延τi。所以电离层虚高h＝cτi/2。分别对不同频率的回波信号进行上述处理，即可得到电离层回波谱图。根据电离层回波谱图中的反射轨迹，可以得到每一层的最大电子浓度，对应该层的最大等离子体频率为：
Figure BDA0002896712900000054
进一步，步骤六中，所述海洋信息探测采用截断的线性调频信号，所述线性调频信号形式如下：
s(t)＝u(t)exp(jπKt2)；
其中，u(t)为截断脉冲，K＝B/T为调频斜率，B为信号带宽，T为信号周期。那么回波信号为：
r(t)＝s(t+τ)exp[j2πfd(t+τ)]+n(t)；
其中，τ为目标的时延，fd为目标的多普勒频移，n(t)为噪声。信号处理机首先计算回波信号与参考信号的差频：
r0(t)＝r(t)exp(-jπKt2)；
对每个信号周期的回波信号作FFT，得到回波的距离谱R(τ)，然后对多个信号周期的距离谱作FFT，即可得到目标的多普勒信息RD(τ,fd)：
Figure BDA0002896712900000061
其中，N为每个信号周期中的采样点数，M为参与相干积累的信号周期个数。
在RD谱中，可在理论位置附近分辨出海浪的一阶谱和二阶谱实际位置。根据Bragg散射原理，可以计算一阶谱的多普勒频率±fB应为：
Figure BDA0002896712900000062
其中，fc为信号载波频率。根据RD谱中一阶谱的实际位置和±fB之间的差，即可估计出海浪的速度。根据Barrick经验公式，可以得到有效波高的估计值：
Figure BDA0002896712900000063
其中，w(η)为权函数，k0为发射信号波数，R是二阶谱能量与一阶谱能量的比值：
Figure BDA0002896712900000064
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达***的控制方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达***的控制方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的海洋和电离层一体化探测高频雷达***，依据现有高频地波雷达和电离层垂测仪原理，设计一种新型的海洋-电离层信息一体化探测高频雷达***，实现海洋-电离层信息同步获取，为近地海洋-大气层物理运行规律和原理分析等科学研究提供数据支持。同时，本发明通过设计统一的时序控制器，并设计相互同步的波形参数，实现了电离层垂测和海洋信息的同步获取，避免了两者之间的相互干扰，保证电离层垂测和海洋信息获取之间互不干扰，能够同步获取电离层信合和海洋信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明实施例提供的海洋和电离层一体化探测高频雷达***结构示意图。
图2是本发明实施例提供的各子***之间的时序关系示意图。
图3是本发明实施例提供的发射信号频率变化示意图。
图4是本发明实施例提供的时序控制器结构原理示意图。
图5是本发明实施例提供的综合频率产生器结构原理示意图。
图6是本发明实施例提供的探测子***结构示意图。
图7是本发明实施例提供的海洋和电离层一体化探测高频雷达***的控制方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海洋和电离层一体化探测高频雷达***及其控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的海洋和电离层一体化探测高频雷达***包括：显控平台、时序控制器、综合信号产生器、电离层探测子***和海洋信息探测子***。
显控平台，通过以太网与各部件及各***连接，是用于用户交互的接口，通过通用计算机实现数据交互，负责整体***的控制参数下发、设备状态监控、探测结果的存储与显示功能；
时序控制器，通过以太网与显控平台连接，接收***参数和显控平台下发的控制信息，并输出***状态；
综合信号产生器，通过DDS和硬件电路实现，用于生成各分***时钟源、电离层探测任务和海洋信息探测任务信号波形以及接收机本振信号；
电离层探测子***，包括发射机、接收机、天线及信号处理四个部分，工作原理和结构与现有电离层垂测仪基本相同，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入；
海洋信息探测子***，包括发射机、接收机、天线及信号处理四个部分，以现有高频地波雷达***为基础实现，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入。
如图7所示，本发明实施例提供的海洋和电离层一体化探测高频雷达***的控制方法包括以下步骤：
S101，通过显控平台利用通用计算机实现数据交互；通过时序控制器接收***参数和显控平台下发的控制信息，输出***状态，并负责整体***的控制参数下发、设备状态监控、探测结果的存储与显示功能；
S102，通过时序控制器利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别为综合信号产生器、电离层探测子***和海洋信息探测子***提供同步时序；
S103，ARM通过配置FPGA参数，控制FPGA产生各时序逻辑电路并输出；通过北斗/GPS模块获取授时信息，根据时间信息定时启动时序信号；
S104，通过综合信号产生器利用DDS和硬件电路生成各分***时钟源、电离层探测任务和海洋信息探测任务信号波形以及接收机本振信号；
S105，电离层探测子***通过发射机功放及发射天线向空中辐射，碰到电离层之后反射回来，形成电离层回波；接收天线接收到电离层回波后将回波信号传给接收机进行滤波放大后解调至基带，经过AD采集后进入信号处理机；
S106，海洋信息探测信号通过发射机功放和天线辐射到空间中，经海浪反射被接收天线接收，然后经过滤波、放大后解调至基带；对基带信号进行AD采样后，由信号处理机进行处理。
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1
本发明***结构如图1所示，包含时序控制器、综合信号产生器、电离层探测子***、海洋信息探测子***及显控平台组成。时序控制器和综合信号产生器是本发明的主要内容，电离层探测子***和海洋信息探测子***分别以传统电离层垂测仪和高频地波雷达为基础进行适应性改造，显控平台是用于用户交互的接口，是***的必要组成部分。
时序控制器以ARM和FPGA为主体，利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别为综合信号产生器、电离层探测子***和海洋信息探测子***提供同步时序。时序控制器通过以太网连接到显控平台，接受显控平台下发的控制信息。为保障电离层探测和海洋信息探测之间不受干扰，两个子***需要严格的同步工作，各子***之间的时序关系设计如图2所示。电离层探测发射脉冲与海洋信息探测发射脉冲的宽度和重复周期需要同步，接收脉冲之间也需要同步。当电离层探测子***发射机或海洋信息探测发射机打开时，电离层探测子***接收机和海洋信息探测子***接收机需要关闭，以防止大功率信号耦合进入接收机导致接收机饱和。由于电离层探测信号会在电离层与地面之间多次反射，形成多跳，电离层探测脉冲信号重复周期必须足够大，以保证不会出现距离模糊，而海洋信息探测距离相对较近，脉冲重复周期可相对减小，为保证两者之间同步，设计电离层探测脉冲重复周期必须为海洋信息探测脉冲重复周期的整数倍(图中以2倍为例)。海洋探测电离层探测需要进行步进扫频，每次切换频率时需要变换本振信号，故时序控制器需要给综合信号产生器和接收机提供触发上升沿，控制综合信号产生器和接收机变换本振信号频率。
综合信号产生器主要通过DDS和硬件电路实现，用于生成各分***时钟源、电离层探测任务和海洋信息探测任务信号波形以及接收机本振信号等。综合信号产生器通过铷原子钟产生标准振荡信号作为整个***的时钟源，分别产生多路时钟信号供时序控制器、电离层探测子***和海洋信息探测子***使用。利用FPGA产生电离层探测和海洋信息探测使用的发射信号基带波形，通过DDS将发射信号调制到指定的载频上。电离层探测使用二相互补码作为发射信号，海洋信息探测使用截断线性调频作为发射信号。为实现数据同步，电离层探测利用N个脉冲进行相干积累，同时海洋信息探测发射信号利用N个脉冲对线性调频进行截断。利用DDS产生生成用于电离层探测、海洋信息探测的发射信号波形以及接收机本振信号。电离层探测本振信号以固定频率间隔步进变化，受时序控制器控制，每个上升沿跳变一次，当电离层探测载频与海洋信息探测工作频率相近时，跳过1-2个频点，保证两者之间没有相互干扰。两者工作频率如图3所示。
电离层探测子***包括发射机、接收机、天线及信号处理等四个部分，其工作原理和结构与现有电离层垂测仪基本相同，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入。电离层探测通过发射机功放及发射天线向空中辐射，碰到电离层之后反射回来，形成电离层回波。接收天线接收到电离层回波后将回波信号传给接收机进行滤波放大后解调至基带，经过AD采集后进入信号处理机。电离层探测信号的每个脉冲包含一组二项互补码，二项互补码包含A、B两组码，两组码各自的自相关函数相加可得到理想的自相关特性，即：
Figure BDA0002896712900000111
其中，N为序列长度。设发射信号s(t)＝sA(t)+sB(t-τ0)，其中sA(t)和sB(t)分别为A、B两组码形成的脉冲序列，τ0为序列sA(t)的长度。则电离层回波信号可以表示为：
r(t)＝s(t+τ)+n(t)＝sA(t+τ)+sB(t-τ0+τ)+n(t)；
分别计算r(t)与sA(t)以及sB(t)的互相关可以得到：
Figure BDA0002896712900000112
Figure BDA0002896712900000113
R(τ)＝RA(τ)+RB(τ)；
通过搜索R(τ)的极值即可获取电离层回波的时延τi。所以电离层虚高h＝cτi/2。分别对不同频率的回波信号进行上述处理，即可得到电离层回波谱图。根据电离层回波谱图中的反射轨迹，可以得到每一层的最大电子浓度，对应该层的最大等离子体频率为：
Figure BDA0002896712900000114
海洋信息探测子***以现有高频地波雷达***为基础实现，包括发射机、接收机、天线及信号处理等四个部分，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入。海洋信息探测信号通过发射机功放和天线辐射到空间中，经海浪反射被接收天线接收，然后经过滤波、放大后解调至基带。对基带信号进行AD采样后，由信号处理机进行处理。海洋信息探测采用截断的线性调频信号，其信号形式如下：
s(t)＝u(t)exp(jπKt2)；
其中，u(t)为截断脉冲，K＝B/T为调频斜率，B为信号带宽，T为信号周期。那么回波信号为：
r(t)＝s(t+τ)exp[j2πfd(t+τ)]+n(t)；
其中，τ为目标的时延，fd为目标的多普勒频移，n(t)为噪声。信号处理机首先计算回波信号与参考信号的差频：
r0(t)＝r(t)exp(-jπKt2)；
对每个信号周期的回波信号作FFT，得到回波的距离谱R(τ)，然后对多个信号周期的距离谱作FFT，即可得到目标的多普勒信息RD(τ,fd)：
Figure BDA0002896712900000121
其中，N为每个信号周期中的采样点数，M为参与相干积累的信号周期个数。
在RD谱中，可在理论位置附近分辨出海浪的一阶谱和二阶谱实际位置。根据Bragg散射原理，可以计算一阶谱的多普勒频率±fB应为：
Figure BDA0002896712900000122
其中，fc为信号载波频率。根据RD谱中一阶谱的实际位置和±fB之间的差，即可估计出海浪的速度。根据Barrick经验公式，可以得到有效波高的估计值：
Figure BDA0002896712900000131
其中，w(η)为权函数，k0为发射信号波数，R是二阶谱能量与一阶谱能量的比值：
Figure BDA0002896712900000132
显控平台通过以太网与各部件及子***连接，负责整体***的控制参数下发、设备状态监控、探测结果的存储与显示等功能。
本发明将电离层垂测仪与高频地波雷达相结合，实现电离层信息和海洋信息的同步获取，与现有技术相比优点有：
1.保证电离层垂测和海洋信息获取之间互不干扰；
2.能够同步获取电离层信合和海洋信息。
本发明的关键点：
本发明关键创新点在于通过设计统一的时序控制器，并设计相互同步的波形参数，实现了电离层垂测和海洋信息的同步获取，避免了两者之间的相互干扰。
实施例2
参照图1，本发明包括显控平台、时序控制器、综合信号产生器、电离层探测子***和海洋信息探测子***构成。
本实施例中，显控平台使用通用计算机实现，通过以太网与各***连接，进行数据交互。显控平台配备4块显示器，分别用于显示***状态和设置参数、电离层探测结果显示、海洋信息探测结果显示以及海洋-电离层信息关联性分析结果。
图4为本实施例中时序控制器的结构示意图，主控芯片为ARM，通过以太网与显控平台连接，接收控制指令和***参数，并输出***状态。ARM通过配置FPGA参数，控制FPGA产生各时序逻辑电路并输出。此外，通过北斗/GPS模块获取授时信息，可根据时间信息定时启动时序信号。
图5为本实施例中的综合频率产生器结构原理示意图，铷原子产生10MHz标准信号，通过功分器输出给各***作为参考时钟。***通过ARM预先计算产生波形，并传递给FPGA，FPGA通过高速SRAM存***形，并通过给DAC配置参数，控制DAC按照时序信号产生所需波形及本振信号。
电离层探测子***和海洋信息探测子***的基本结构相同，如图6所示。发射信号通过功率放大器放大后经过带通滤波除去倍频谐波，然后输出给发射天线辐射出去。时序信号控制功率放大器的开关，控制信号控制功率放大器的工作参数。同时监控组合监控发射机以及滤波器状态，将监控信息传输给显控平台。回波信号通过接收天线阵列接收，经过带通滤波器和低噪声放大之后进入采集模块变为数字信号，采集模块主要为高速AD采集模块。各路采集模块数字信号输出至信号处理模块，信号处理结果即为子***最终输出。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海洋和电离层一体化探测高频雷达***，其特征在于，所述海洋和电离层一体化探测高频雷达***包括：
显控平台，通过以太网与各部件及各***连接，是用于用户交互的接口，通过通用计算机实现数据交互，负责整体***的控制参数下发、设备状态监控、探测结果的存储与显示功能；
时序控制器，通过以太网与显控平台连接，接收***参数和显控平台下发的控制信息，并输出***状态；
综合信号产生器，通过DDS和硬件电路实现，用于生成各分***时钟源、电离层探测任务和海洋信息探测任务信号波形以及接收机本振信号；
电离层探测子***，包括发射机、接收机、天线及信号处理四个部分，工作原理和结构与现有电离层垂测仪基本相同，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入；
海洋信息探测子***，包括发射机、接收机、天线及信号处理四个部分，以现有高频地波雷达***为基础实现，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入。
2.如权利要求1所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达***，其特征在于，所述显控平台配备4块显示器，分别用于显示***状态和设置参数、电离层探测结果显示、海洋信息探测结果显示以及海洋-电离层信息关联性分析结果。
3.如权利要求1所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达***，其特征在于，所述时序控制器以ARM和FPGA为主体，利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别为综合信号产生器、电离层探测子***和海洋信息探测子***提供同步时序；
所述ARM通过配置FPGA参数，控制FPGA产生各时序逻辑电路并输出；通过北斗/GPS模块获取授时信息，可根据时间信息定时启动时序信号。
4.如权利要求1所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达***，其特征在于，所述综合信号产生器通过铷原子钟产生标准振荡信号作为整个***的时钟源，分别产生多路时钟信号供时序控制器、电离层探测子***和海洋信息探测子***使用；
利用FPGA产生电离层探测和海洋信息探测使用的发射信号基带波形，通过DDS将发射信号调制到指定的载频上；
电离层探测使用二相互补码作为发射信号，海洋信息探测使用截断线性调频作为发射信号；
电离层探测利用N个脉冲进行相干积累，同时海洋信息探测发射信号利用N个脉冲对线性调频进行截断；利用DDS产生用于电离层探测、海洋信息探测的发射信号波形以及接收机本振信号；
电离层探测本振信号以固定频率间隔步进变化，受时序控制器控制，每个上升沿跳变一次，当电离层探测载频与海洋信息探测工作频率相近时，跳过1-2个频点，保证两者之间没有相互干扰。
5.如权利要求1所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达***，其特征在于，所述电离层探测子***和海洋信息探测子***的基本结构相同，发射信号通过功率放大器放大后经过带通滤波除去倍频谐波，然后输出给发射天线辐射出去；
时序信号控制功率放大器的开关，控制信号控制功率放大器的工作参数；同时监控组合监控发射机以及滤波器状态，将监控信息传输给显控平台；
回波信号通过接收天线阵列接收，经过带通滤波器和低噪声放大之后进入采集模块变为数字信号，采集模块主要为高速AD采集模块；
各路采集模块数字信号输出至信号处理模块，信号处理结果即为子***最终输出。
6.一种应用如权利要求1～5任意一项所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达***的海洋和电离层一体化探测高频雷达***的控制方法，其特征在于，所述海洋和电离层一体化探测高频雷达***的控制方法包括以下步骤：
步骤一，通过显控平台利用通用计算机实现数据交互；通过时序控制器接收***参数和显控平台下发的控制信息，输出***状态，并负责整体***的控制参数下发、设备状态监控、探测结果的存储与显示功能；
步骤二，通过时序控制器利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别为综合信号产生器、电离层探测子***和海洋信息探测子***提供同步时序；
步骤三，ARM通过配置FPGA参数，控制FPGA产生各时序逻辑电路并输出；通过北斗/GPS模块获取授时信息，根据时间信息定时启动时序信号；
步骤四，通过综合信号产生器利用DDS和硬件电路生成各分***时钟源、电离层探测任务和海洋信息探测任务信号波形以及接收机本振信号；
步骤五，电离层探测子***通过发射机功放及发射天线向空中辐射，碰到电离层之后反射回来，形成电离层回波；接收天线接收到电离层回波后将回波信号传给接收机进行滤波放大后解调至基带，经过AD采集后进入信号处理机；
步骤六，海洋信息探测信号通过发射机功放和天线辐射到空间中，经海浪反射被接收天线接收，然后经过滤波、放大后解调至基带；对基带信号进行AD采样后，由信号处理机进行处理。
7.如权利要求6所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达***的控制方法，其特征在于，步骤五中，所述电离层探测信号的每个脉冲包含一组二项互补码，二项互补码包含A、B两组码，两组码各自的自相关函数相加可得到理想的自相关特性，即：
Figure FDA0002896712890000031
其中，N为序列长度；设发射信号s(t)＝sA(t)+sB(t-τ0)，其中sA(t)和sB(t)分别为A、B两组码形成的脉冲序列，τ0为序列sA(t)的长度；则电离层回波信号可以表示为：
r(t)＝s(t+τ)+n(t)＝sA(t+τ)+sB(t-τ0+τ)+n(t)；
分别计算r(t)与sA(t)以及sB(t)的互相关可以得到：
Figure FDA0002896712890000041
Figure FDA0002896712890000042
R(τ)＝RA(τ)+RB(τ)；
通过搜索R(τ)的极值即可获取电离层回波的时延τi，电离层虚高h＝cτi/2；分别对不同频率的回波信号进行上述处理，即可得到电离层回波谱图；根据电离层回波谱图中的反射轨迹，可以得到每一层的最大电子浓度，对应该层的最大等离子体频率为：
Figure FDA0002896712890000043
8.如权利要求6所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达***的控制方法，其特征在于，步骤六中，所述海洋信息探测采用截断的线性调频信号，所述线性调频信号形式如下：
s(t)＝u(t)exp(jπKt2)；
其中，u(t)为截断脉冲，K＝B/T为调频斜率，B为信号带宽，T为信号周期；那么回波信号为：
r(t)＝s(t+τ)exp[j2πfd(t+τ)]+n(t)；
其中，τ为目标的时延，fd为目标的多普勒频移，n(t)为噪声；信号处理机首先计算回波信号与参考信号的差频：
r0(t)＝r(t)exp(-jπKt2)；
对每个信号周期的回波信号作FFT，得到回波的距离谱R(τ)，然后对多个信号周期的距离谱作FFT，即可得到目标的多普勒信息RD(τ,fd)：
Figure FDA0002896712890000044
其中，N为每个信号周期中的采样点数，M为参与相干积累的信号周期个数；
在RD谱中，可在理论位置附近分辨出海浪的一阶谱和二阶谱实际位置；根据Bragg散射原理，可以计算一阶谱的多普勒频率±fB应为：
Figure FDA0002896712890000051
其中，fc为信号载波频率；根据RD谱中一阶谱的实际位置和±fB之间的差，即可估计出海浪的速度；根据Barrick经验公式，可以得到有效波高的估计值：
Figure FDA0002896712890000052
其中，w(η)为权函数，k0为发射信号波数，R是二阶谱能量与一阶谱能量的比值：
Figure FDA0002896712890000053
9.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如权利要求6～8任意一项所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达***的控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求6～8任意一项所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达***的控制方法。
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