【摘要】：測(cè)量電離層高頻反射回波的多普勒頻移是研究電離層擾動(dòng)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(duì)由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心短波授時(shí)臺(tái)發(fā)出的10MHz BPM信號(hào)進(jìn)行不間斷連續(xù)觀測(cè),并對(duì)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理,實(shí)現(xiàn)了高頻多普勒接收機(jī)對(duì)電離層擾動(dòng)和不規(guī)則體現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)探測(cè)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(jì)。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(shí)還具有頻率穩(wěn)定度高、接收頻帶窄等特點(diǎn)。此外,本系統(tǒng)還采用了PCIe總線的高速采集系統(tǒng)直接對(duì)二次混頻輸出的中頻信號(hào)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(jì)。系統(tǒng)的軟件分為分析處理顯示系統(tǒng)和實(shí)時(shí)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(shí)常會(huì)使用分析處理顯示系統(tǒng),對(duì)電離層進(jìn)行常規(guī)觀測(cè)時(shí)則使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)時(shí)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(yùn)算能力結(jié)合起來(lái),系統(tǒng)中將DAQmx采集到的數(shù)據(jù)交給MATLAB處理并實(shí)時(shí)以散點(diǎn)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(lái),可以用于對(duì)電離層長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)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(duì)BPM信號(hào)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),通過(guò)將實(shí)測(cè)的原始信號(hào)在時(shí)域和頻域進(jìn)行分析處理運(yùn)算,結(jié)果完全符合BPM信號(hào)特性,表明高頻多普勒接收機(jī)的硬件和軟件設(shè)計(jì)合理,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,研制是成功的。通過(guò)數(shù)據(jù)積累,并結(jié)合安裝在同地點(diǎn)的電離層數(shù)字測(cè)高儀PDI-2的垂測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)研究,發(fā)現(xiàn)了一些電離層擾動(dòng)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(cè)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(yùn)動(dòng)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù),表明兩者一致性較好,經(jīng)Es層反射的回波信號(hào)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(hào)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(yùn)動(dòng)。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(jì),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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)武漢地區(qū)上空電離層擾動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了個(gè)例研究,分析了電離層不規(guī)則體的運(yùn)動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:新研制的高頻多普勒接收機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,能夠用于電離層空間環(huán)境的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè),對(duì)電離層擾動(dòng)和電離層不規(guī)則體的觀測(cè)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(huì)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(yáng)密度也會(huì)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(huì)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(yáng)活動(dòng)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(tái)站觀測(cè)到的頻高圖1.2.2 電離層高頻多普勒探測(cè)多普勒效應(yīng)指的是物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面時(shí)，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高，在運(yùn)動(dòng)的波源后面，會(huì)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(jì)算出波源尋著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。將多普勒效應(yīng)應(yīng)用在電離層，測(cè)量電離層反射回波的高頻多普勒頻移來(lái)觀測(cè)電離層的變化及運(yùn)動(dòng)，是一種經(jīng)濟(jì)有效的手段。電離層高頻多普勒探測(cè)方式有兩種：一種是利用斜測(cè)儀將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)放在不同的地點(diǎn)，采用自發(fā)自收的方式探測(cè)，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(hào)，通常會(huì)將授時(shí)臺(tái)發(fā)射的授時(shí)信號(hào)（如中國(guó)的 BPM 信號(hào)，日本的 JJY 信號(hào)等）作為已知信號(hào)，這種方式下系統(tǒng)搭建較為簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，是一種經(jīng)濟(jì)有效的電離層探測(cè)手段[7]。
【學(xué)位授予單位】：中南民族大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN851

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2706982