[发明专利]一种中间层‑电离层综合探测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种兼顾中间层大气风场探测和电离层垂直探测的综合探测系统。

背景技术

距离地面60-100公里高度属于中间层和低热层，同时也是电离层D区和E区的下部，其特点是电子密度比较低，电子与中性大气成分之间的碰撞频率较高，电子与中性大气运动速度具有一致性。通过测量电子的运动速度，可以得到中性大气风场。中频雷达用于测量该区域大气风场和电子数密度，是重要的中高层大气地基探测设备之一。目前国际上已有30多部中频雷达投入使用。主要分布在北美，澳大利亚，日本，南极大陆等国家和地区。中频雷达的探测数据已运用于大气模型建立，大气动力学研究，航天工程气象保障等方面，具有重要的科研意义。

中间层之上至离地面约800公里高度是热层，热层的大气分子吸收了因太阳的短波辐射及磁场后其电子能量增加，当中一部份进行电离。这些电离过的离子与电子形成了电离层。包括E层(离地面100-120公里)、F1层(离地面170-230公里)、F2层(离地面200-500公里)(夜间融合为F层，约离地面300-500公里)三层。该区域存在着大量的自由电子，足以影响无线电波的传播。电离层垂测仪是探测电离层最常用的设备，通过电离图可以得到电离层的动态变化特性，从而实现对电离层物理和无线电波传播中的电离层效应等问题的研究。

但是，实际中常常同时对中间层探测和电离层探测都有需求，这样分别实现探测则太过复杂，成本高、效率低。

发明内容

鉴于中间层大气风场探测和电离层探测的特点，考虑到中频频段和高频频段相邻，拓宽天线频率范围，采用空分天线的形式和多通道雷达技术，本发明设计了一套兼顾大气中间层探测功能和电离层垂直探测功能的新型综合探测系统—MAI系统(中间层-电离层综合探测系统)。

本发明的技术方案提供一种中间层-电离层综合探测系统，包括多通道雷达发射系统、多通道雷达接收系统和平拉折合偶极子天线阵列，多通道雷达发射系统、多通道雷达接收系统分别连接到传输控制总线，所述传输控制总线连接计算机，

所述平拉折合偶极子天线阵列包括六副折合偶极子天线，每两幅折合偶极子天线为一组且在空间上相互正交架设，三组天线分别位于一个正三角形的顶点之上；

所述多通道雷达发射系统用于提供三组发射通道，包括连接到传输控制总线的FPGA芯片、分别连接到FPGA芯片的三个DDS芯片，及六路依次连接的滤波器、放大器、功率放大器和收发开关，雷达信号发射时，每个DDS芯片的两路输出分别经相应的滤波器、放大器、功率放大器后，经收发开关的切换连接到相应的两幅折合偶极子天线，其中一路输出被90°相移调整；

所述多通道雷达接收系统用于提供三组接收通道，包括连接到传输控制总线的FPGA芯片、连接FPGA芯片的多通道高速A/D采样芯片，及六路依次连接的前级滤波放大、混频、中频滤波，各前级滤波放大分别连接多通道雷达发射系统中的相应收发开关，六幅折合偶极子天线分别接收到的回波信号经过相应收发开关切换后，经前级滤波放大、混频、中频滤波输入多通道高速A/D采样芯片。

而且，所述传输控制总线采用USB总线，FPGA芯片经USB接口芯片连接到传输控制总线。

而且，通过USB总线进行指令的控制与数据的传输，

所述多通道雷达发射系统中，在FPGA芯片中根据计算机的波形控制指令完成对DDS芯片的时序控制，通过DDS芯片完成雷达发射信号波形的直接产生，DDS芯片的输出经滤波器、放大器连接功率放大器，功率放大器的输出经过收发开关连接到各个折合偶极子天线；

所述多通道雷达接收系统中，在FPGA芯片中根据多通道高速A/D采样芯片所得采样结果完成数字下变频和通道数据打包，再经由USB总线将原始数据传输至计算机。

而且，对于中间层大气探测采用六发六收模式，通过定频探测实现中层大气风场探测能力，采用全相关分析算法获取大气风场数据，采用微分吸收实验算法获取低电离层的电子密度数据；对于电离层探测采用两发两收模式，通过扫频探测实现电离室垂直探测，获取电离层频高图。

而且，中间层大气探测和电离层探测分别独立开展，或采样分时操作方式依次连续自动观测。

而且，正三角形的边长取185米。