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低功耗电离层垂测仪系统及在银川地区的试验

赵港权 王彩云 刘大鹏 李玲玲

赵港权, 王彩云, 刘大鹏, 李玲玲. 低功耗电离层垂测仪系统及在银川地区的试验[J]. 空间科学学报, 2023, 43(4): 618-626. doi: 10.11728/cjss2023.04.220127011
引用本文: 赵港权, 王彩云, 刘大鹏, 李玲玲. 低功耗电离层垂测仪系统及在银川地区的试验[J]. 空间科学学报, 2023, 43(4): 618-626. doi: 10.11728/cjss2023.04.220127011
ZHAO Gangquan, WANG Caiyun, LIU Dapeng, LI Lingling. Development of a Low-power Ionosonde in Yinchuan and Analysis of Preliminary Test Results (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(4): 618-626 doi: 10.11728/cjss2023.04.220127011
Citation: ZHAO Gangquan, WANG Caiyun, LIU Dapeng, LI Lingling. Development of a Low-power Ionosonde in Yinchuan and Analysis of Preliminary Test Results (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(4): 618-626 doi: 10.11728/cjss2023.04.220127011

低功耗电离层垂测仪系统及在银川地区的试验

doi: 10.11728/cjss2023.04.220127011 cstr: 32142.14.cjss2023.04.220127011
详细信息
    作者简介:
  • 中图分类号: P352

Development of a Low-power Ionosonde in Yinchuan and Analysis of Preliminary Test Results

  • 摘要: 研制了一台低功耗电离层垂测仪,该系统采用新型Delta天线、可变接收时长和类巴克码脉冲编码设计,安装在宁夏银川地震监测试验场。2021年8月开展了全天连续观测试验,观测获得的科学数据验证了垂测仪的探测能力和探测效率。试验结果表明:F2层临界频率日变化与银川地区太阳高度角日变化趋势存在一定的正相关性;采用图像处理技术实现了原始频高图中O/X波自动分离,获得两极化波临界频率之差约为0.7 MHz,与银川当地0.5倍磁旋频率0.7 MHz基本一致。该电离层垂测仪系统运行稳定,试验数据可靠,对后续星地联合多维度探测和信号处理具有一定的算法参考和数据积累意义。

     

  • 图  1  垂测仪系统原理

    Figure  1.  System block diagram of the ionosonde

    图  2  垂测仪天线架设

    Figure  2.  Ionosonde antenna installation diagram

    图  3  垂测仪正交Delta天线

    Figure  3.  Orthogonal Delta antenna of the ionosonde

    图  4  40位类巴克码与其自相关函数

    Figure  4.  40 bit Barker-like code and its autocorrelation function

    图  5  (a)滤波与门限判别前相关波形对,(b)滤波与门限判别后相关波形对

    Figure  5.  Comparison of the correlation waveforms before (a) and after (b) the median filtering and the threshold recognition

    图  6  日间午后与夜间频高图比对。(a)日间午后频高图,(b)夜间频高图

    Figure  6.  Comparison of the ionograms in daytime and nighttime. (a) The daytime ionogram, (b) the nighttime ionogram

    图  7  2021年8月19日不同时刻记录的银川地区日间频高

    Figure  7.  Ionogram in Yinchuan area recorded at different time on 19 August 2021

    图  8  连续分量标记法处理前后对比。(a)膨胀处理后原始频高,(b)筛选出的F层描迹

    Figure  8.  Comparison of ionograms before and after continuous component labeling. (a) Ionogram after expansion treatment, (b) F-layer trace screened out

    图  9  O/X波分离 (a)频高图骨架,(b)O波描迹,(c)X波描迹

    Figure  9.  O / X wave separation. (a) Ionogram skeleton diagram, (b) O-wave trace, (c) X-wave trace

    图  10  经插值处理的图像(黄色垂线与x轴交点为O波临界频率,绿色垂线与x轴交点为X波临界频率)

    Figure  10.  Interpolated image(the intersection of yellow vertical line and x axis is the critical frequency of O wave, and the intersection of green vertical line and x axis is the critical frequency of X wave)

    表  1  垂测仪主要系统参数

    Table  1.   Main parameters of the ionosonde

    指标名称设计参数
    探测频率/MHz1~30
    探测高度/km70~600
    步进频率间隔/kHz25
    脉冲持续宽度/µs400
    发射峰值功率/W400
    接收机带宽/kHz100
    高度分辨率/km1.5
    A/D采样率/MHz40
    A/D采样位数/bit12
    脉冲编码方式类Barker码
    天线形式Delta天线
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    表  2  Delta天线主要参数

    Table  2.   Main parameters of the Delta antenna

    天线相关指标本项目设计参数
    W/m50
    H/m36
    α/(°)26
    β/(°)54
    匹配负载/Ω600
    发射功率/W约400
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    表  3  三种不同编码方式性能比对

    Table  3.   Performance comparison of the three coding methods

    码型PSL/dBLSL/dBNS/dB脉宽/μs探测周期高度分辨率/km
    13位巴克码–11.14–0.355.5730T4.5
    16位互补码–5.066.02252 T3.75
    40位类巴克码–11.250.97810T1.5
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    表  4  日间O波临界频率与太阳高度角对比

    Table  4.   Comparison between the critical frequency of O-wave and the solar altitude angle in daytime

    时间(LT)10:0611:3112:5613:0814:3215:3016:2417:15
    O波临界频率/MHz5.76.27.07.26.55.65.25.0
    太阳高度角/(°)5061757570604837
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-26
  • 录用日期:  2022-04-11
  • 修回日期:  2022-04-08
  • 网络出版日期:  2023-07-22

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