【摘要】：測量電離層高頻反射回波的多普勒頻移是研究電離層擾動和不規(guī)則結(jié)構(gòu)的重要方法之一。本文圍繞這一方向開展工作,研制了新一代的高頻多普勒接收機(jī),對由中國科學(xué)院國家授時中心短波授時臺發(fā)出的10MHz BPM信號進(jìn)行不間斷連續(xù)觀測,并對所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析處理,實現(xiàn)了高頻多普勒接收機(jī)對電離層擾動和不規(guī)則體現(xiàn)象的實驗探測和結(jié)果分析。首先,本文系統(tǒng)地介紹了新研制的高頻多普勒接收機(jī)的硬件設(shè)計。這套系統(tǒng)的硬件部分由具有高穩(wěn)定度的HF程控接收機(jī)、高速采集卡、PC機(jī)以及天線組成。本系統(tǒng)具備了短波通信接收機(jī)的所有功能,同時還具有頻率穩(wěn)定度高、接收頻帶窄等特點。此外,本系統(tǒng)還采用了PCIe總線的高速采集系統(tǒng)直接對二次混頻輸出的中頻信號進(jìn)行采樣,不僅降低了系統(tǒng)復(fù)雜度,而且大大提升了系統(tǒng)精度,能夠獲得更高精度的電離層多普勒頻移信息。其次,本文介紹了高頻多普勒接收機(jī)的軟件設(shè)計。系統(tǒng)的軟件分為分析處理顯示系統(tǒng)和實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩套,在特定情況下需要脫機(jī)分析時常會使用分析處理顯示系統(tǒng),對電離層進(jìn)行常規(guī)觀測時則使用實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)由DAQmx、LabVIEW和MATLAB聯(lián)合編程,將DAQmx出色的數(shù)據(jù)采集能力、LabVIEW出色的界面編程能力和MATLAB出色的數(shù)學(xué)運算能力結(jié)合起來,系統(tǒng)中將DAQmx采集到的數(shù)據(jù)交給MATLAB處理并實時以散點圖的方式顯示在LabVIEW的前面板上。程序具有靈活的配置,且能將電離層多普勒頻移以文本和圖片兩種方式保存下來,可以用于對電離層長時間監(jiān)測記錄。再次,將新研制的高頻多普勒接收機(jī)系統(tǒng)安裝在武漢地區(qū),對BPM信號進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,通過將實測的原始信號在時域和頻域進(jìn)行分析處理運算,結(jié)果完全符合BPM信號特性,表明高頻多普勒接收機(jī)的硬件和軟件設(shè)計合理,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,研制是成功的。通過數(shù)據(jù)積累,并結(jié)合安裝在同地點的電離層數(shù)字測高儀PDI-2的垂測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對研究,發(fā)現(xiàn)了一些電離層擾動的典型事件,包括電離層日變化特性、中小尺度TID、大尺度TID和電離層不規(guī)則體現(xiàn)象等。最后,利用高頻多普勒接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù),較為系統(tǒng)地研究了電離層不規(guī)則體現(xiàn)象。推導(dǎo)了電離層不規(guī)則體運動的多普勒表達(dá)式,演算了電離層不規(guī)則體反射模型,仿真出該模型下電離層反射回波的多普勒譜特性,結(jié)合高頻多普勒接收機(jī)的實測數(shù)據(jù),表明兩者一致性較好,經(jīng)Es層反射的回波信號的多普勒譜在白天通常呈光滑平直曲線,夜間不規(guī)則體的回波信號的多普勒譜則多呈現(xiàn)斜描跡或直描跡狀,這種譜結(jié)構(gòu)反映了Es或擴(kuò)展F層中的電子云團(tuán)的漂移運動。總之,本文系統(tǒng)地介紹了新研制的高頻多普勒接收機(jī)的軟硬件設(shè)計,采用了PCIe總線技術(shù)的高頻采集系統(tǒng),降低了系統(tǒng)復(fù)雜度,提升了系統(tǒng)精度,利用LabVIEW、MATLAB和DAQmx聯(lián)合編程使得上位機(jī)功能更加完善。利用實測數(shù)據(jù)對武漢地區(qū)上空電離層擾動現(xiàn)象進(jìn)行了個例研究,分析了電離層不規(guī)則體的運動情況。實驗結(jié)果表明:新研制的高頻多普勒接收機(jī)運行穩(wěn)定可靠,能夠用于電離層空間環(huán)境的長期連續(xù)監(jiān)測,對電離層擾動和電離層不規(guī)則體的觀測研究具有重要意義。
【圖文】：

高度范圍大約在 60-80 公里，的日變化，一般只會在白天出現(xiàn)，大約在 減小，，夜間減小到可以忽略。上，高度大約在 80-140 公里，主要的離子在 103-105/m3，電子密度的變化主要受太陽密度也會變得很低，E 層趨于消失。此外，的薄層結(jié)構(gòu)，稱為偶發(fā) E 層（Es 層），是一層頂部，高度大約在 140-500 公里，主要離約在 105-106/m3，夜間電子密度也會降低劃分為 F1 層、F2 層、F3 層。其中 F1 層一電子密度比較大，相比其他的層，能反射頻、緯度以及太陽活動變化明顯，常有擴(kuò)展 F這種現(xiàn)象一般出現(xiàn)在赤道及低緯地區(qū)，通常

圖 1.2 武漢臺站觀測到的頻高圖1.2.2 電離層高頻多普勒探測多普勒效應(yīng)指的是物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化。在運動的波源前面時，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高，在運動的波源后面，會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。將頻率變高的情況稱為藍(lán)移，頻移變低稱為紅移，波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)也就越大，根據(jù)波紅（藍(lán)）移的程度，可以計算出波源尋著觀測方向運動的速度。將多普勒效應(yīng)應(yīng)用在電離層，測量電離層反射回波的高頻多普勒頻移來觀測電離層的變化及運動，是一種經(jīng)濟(jì)有效的手段。電離層高頻多普勒探測方式有兩種：一種是利用斜測儀將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)放在不同的地點，采用自發(fā)自收的方式探測，可以得到掃頻電離圖和定頻群距離-多普勒譜圖[6]；另一種是利用接收機(jī)接收已知信號，通常會將授時臺發(fā)射的授時信號（如中國的 BPM 信號，日本的 JJY 信號等）作為已知信號，這種方式下系統(tǒng)搭建較為簡單，成本相對較低，是一種經(jīng)濟(jì)有效的電離層探測手段[7]。
【學(xué)位授予單位】：中南民族大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN851

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 蔚娜;焦培南;楊龍泉;王世凱;晏慶;;運動著的電離層不均勻體的觀測研究[J];電波科學(xué)學(xué)報;2013年02期

2 曹瀚文;王文博;;GNU Radio:開放的軟件無線電平臺[J];電信快報;2007年04期

3 肖佐,劉凱軍,張東和;典型電離層多普勒記錄及其討論[J];空間科學(xué)學(xué)報;2002年04期

4 寧百齊,林晨;軟件無線電在電離層電波探測中的應(yīng)用[J];電波科學(xué)學(xué)報;2002年03期

5 袁志剛,寧百齊,袁洪;高頻多普勒頻移和到達(dá)角實時探測與分析[J];電波科學(xué)學(xué)報;2001年04期

6 路林吉,饒家明;數(shù)據(jù)采集技術(shù)概論[J];電子技術(shù);2000年02期

7 寧百齊，李鈞;電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的多普勒譜特性[J];空間科學(xué)學(xué)報;1996年01期

8 寧百齊，李利斌，李鈞;武漢地區(qū)中尺度電離層聲重波擾動的變化特性[J];地球物理學(xué)報;1995年04期

9 寧百齊,李鈞;BPM時號傳播時延的連續(xù)觀測與研究[J];地球物理學(xué)報;1988年04期

10 肖佐,霍宏暹,鄒積清,張樹禮;DQ-87型地球物理數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)[J];地球物理學(xué)報;1987年06期

本文編號：2706982