小功率便携式电离层斜向返回探测雷达设计

石书祝，赵正予，黄硕，李婷

(武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉，430079)

摘  要：采用伪随机编码、脉冲压缩和相干频谱积累技术，获得27 dB的相位编码脉冲压缩增益和21 dB的相干频谱积累增益，从而在小功率下实现远距离探测。采用等间隔收发新型探测体制，实现2 000 km范围内的无距离盲区探测和获得所用伪随机序列的最大增益性能。依据软件化雷达思想，通过可编程数字信号处理技术来实现雷达的大部分功能，从而使雷达具有良好的可编程、可配置和易升级性能。在整体结构上，采用PXI(外围部件互联总线面向仪器的扩展)总线技术，该雷达设计成为一个模块化、小体积的PXI系统。实际探测结果表明：在发射功率为100 W的情况下，该雷达清晰地获得了2 000 km内的返回散射扫频电离图和返回散射扫频多普勒电离图。

关键词：电离层斜向返回探测雷达；伪随机编码；脉冲压缩；相干频谱积累；等间隔收发

中图分类号：TN011.2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)04-1429-06

A low-power portable ionospheric oblique backscattering sounding radar design

SHI Shu-zhu, ZHAO Zheng-yu, HUANG Shuo, LI Ting

(School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430079, China)

Abstract: A new kind of ionospheric oblique backscattering sounding radar was developed. With the new system design, the radar can usually obtain 27 dB gain from phase coded pulse compression and 21 dB gain from coherent spectral integration using pseudo-random code, pulse compression and coherent spectral integration techniques. Furthermore, due to the adoption of a new kind of sounding system of alternate transmission and reception in equal interval, this radar can detect the ionospheric state in 2 000 km with no dead zone and can achieve the largest gain of applied pseudo-random sequences. In addition, a large portion of the functionality was implemented using programmable signal processing techniques for the sake of programmable, reconfigurable and upgradeable ability. This radar also exploited merits of PXI (Peripheral component interconnect extensions for Instruments) bus technology and was designed as a modular, compact PXI-based system. The results show that the backscatter ionogram and Doppler ionogram can be clearly obtained over   2 000 km for 100 W power.

Key words: ionosphere oblique backscattering sounding radar; pseudo-random code; pulse compression; coherent spectral integration; transmission and reception in equal interval

电离层斜向返回探测作为后向散射探测的一种，将发射的高频脉冲信号斜向投射至电离层，经电离层折射、反射，使射线向下弯曲到达远方地面。由于地面的起伏不平及电特性不均匀，电波向四面八方散射，其中，有一部分电波沿着原来的(或其他可能的)路径，经电离层的再次折射、反射回到发射机所在处，被与发射机处于相同位置的接收机接收。因此，电离层斜向返回探测可用于短波无线电覆盖区的预报、运动目标的检测、海洋状态的监视以及电离层结构的研    究^[1-2]。目前，国内外已经研制出各种各样的电离层斜向返回探测雷达，主要分为2种类型：一种是以澳大利亚Jindalee 超视距雷达为代表的线性调频脉冲压缩双基地雷达^[3-4]，这种类型的雷达造价比较昂贵，而且建设也十分复杂；另外一种是以法国NOSTRADAMUS超视距雷达^[5-6]和SuperDARN组织下的TIGER雷达^[7]为代表的伪随机编码脉冲压缩单站雷达。虽然这些雷达已经取得较好的探测结果，但也存在着一些缺点，体现在：

(1) 它们的发射功率比较大。就TIGER雷达而言，为获得180~3 330 km的探测距离，一般要采用9.6 kW的峰值发射功率^[8]。显然，如此大的发射功率不但会增加整个系统电磁兼容设计的成本和难度，而且会对其他短波用户造成很强的干扰。Barry等^[9-11]提出利用伪随机编码技术来实现低功率的垂测，但利用伪随机编码技术来实现小功率电离层斜向返回探测雷达还没有相关报道。这是由于电离层斜向返回探测比电离层垂直探测有更远的传播距离和更大的传播损耗。在相同的发射功率下，斜向返回探测回波的幅度一般比垂测回波的幅度小60 dB左右^[12]。

(2) 传统的电离层斜向返回雷达存在较大的近距离盲区。对于伪随机编码脉冲压缩单站式雷达，它们大都采用集中收发体制。在这种探测体制下，雷达在发射完一连串编码脉冲之后才开始接收回波。为防止强杂波信号损坏接收机，雷达在发射信号期间通常都将接收机关断。但此时经电离层反射的近距离回波已经返回，因此，这种雷达无法探测到近距离的电离层状态。

(3) 由于传统的电离层斜向返回雷达大部分功能都采用模拟器件来实现，因此，设备体积比较大，灵活性和易升级性比较差。

针对传统电离层斜向返回探测雷达所存在的缺点，本文作者设计了一种新型电离层斜向返回探测单站雷达即WIOBSS(武汉电离层斜向返回探测系统)。

1  伪随机编码和等间隔收发体制在WIOBSS中的应用

对于小功率探测，电离层信道可看作为线性时变系统。该系统的特性可用它的双时响应函数h(t,t_p)来描述(其中：t表示系统的变化时间；t_p表示群传播    时间)。

假设二相编码信号为u(t)，载波频率为f₀，初始相位为0，则发射信号可表示为：

                 (1)

由于这是一个窄带信号，因此，经过解调和低通滤波之后，接收信号r_d(t)可表示为：

             (2)

其中：τ表示相对时延，R表示探测距离。

把发射信号e(t)和接收信号r_d(t)进行互相关运算，可得：

     (3)

其中：T₀为相关时间；t_c为信号被发射出去的时刻。

如果T₀小于电离层信道的稳定时间，那么，电离层信道可认为是一个线性时不变系统，因此，

               (4)

将式(4)代入式(3)可得：

     (5)

如果调制信号的自相关函数具有Dirac形状，那么，

             (6)

将(6)式代入(5)式可得：

           (7)

对于线性时变系统，用变量t代替t_c，就可以获得双时响应函数。因此，只要采用这种具有良好自相关性的伪随机序列相位编码信号，对发射载波进行调制，就可直接得到特定时间电离层信道的一次单频全路径“回波-距离函数”。在实际探测中，通过对每个频点进行多次测量，就可以得到斜向返回探测的电  离图。

将双时响应函数对变量t作快速傅里叶变换可得到关于电离层信道的散射函数D(f_d, t_p)。D(f_d, t_p)可表示为：

        (8)

在实际探测中，通过对每个频点的多次测量，就可以得到斜向返回探测的多普勒电离图。

对于具有良好自相关性的伪随机序列，它的离散形式可表示为U(n)，因此，它的自相关函数为R_U,U(τ)，可表示为：

           (9)

在式(9)中，若n+τ对序列长度L取模，则可以构造等间隔收发体制。因此，发射信号e(t)又可表示为：

其中：n=0, ±1, ±2, …；表示取整运算；表示对L(伪随机序列的长度)的求模运算；T_c表示2个码元的间隔；T表示每个码元的维持时间。

一种等间隔收发体制下的探测时序图如图1所示，其中占空比为50%。从图1可以看出：WIOBSS以等间隔的方式交替发射和接收信号，因此，无论是近距离的回波还是远距离的回波都可以被雷达所接收。采用这种探测体制的另外一个优点就是可以获得所采用的伪随机序列的最大增益性能^[13]。

图1  等间隔收发体制下的探测时序图

Fig.1  Sounding timing of transmission and reception in  equal interval

2  WIOBSS的系统设计

下面从整体结构和数字信号处理两部分来讨论WIOBSS的系统设计。

2.1  WIOBSS的整体结构分析

根据软件化雷达思想^[14]，WIOBSS采用高性能的DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)、DDS(直接数字频率合成器)和高速A/D(模拟/数字)转换器设计了一个通用的硬件平台。在该平台上，通过改变FPGA中的程序，可以选择不同的伪随机序列，任意地改变伪随机序列的长度和发射波形的占空比，从而满足不同电离层状态下的探测需求。通过对DSP加载相应的程序，可以实现不同的解调和脉冲压缩方式。由此可见：WIOBSS的大部分功能都通过可编程信号处理技术来实现，从而使雷达具有良好的可编程、可配置和易升级性能。

随着虚拟测试仪器的不断发展，1997年美国NI公司提出了一种功能化、可靠、易于集成和使用、成本低和便携的高性能PXI(面向仪器系统的外围部件互联总线的扩展)总线^[15-16]。依据PXI总线规范，除对数周期天线和功率放大器之外，整个系统设计成为2块基于PXI总线的6U(233.35 mm×160 mm)模块和2块基于PXI总线的3U(100 mm×160 mm)模块。在实际应用中，常把这4个模块插入尺寸为177.8 mm×431.8 mm×457.2 mm的PXI机箱内以获得良好的电磁兼容性和可操作性。另外，PXI所提供的触发总线和局部总线常用来传输模块之间的模拟信号和高速数字信号，从而可以减少系统外部连线。PXI提供的星形触发总线常用来为系统提供高精度的触发信号，从而保证系统与外围设备同步操作。WIOBSS的结构示意图如图2所示，性能参数如表1所示。

2.2  WIOBSS的数字信号处理分析

WIOBSS的数字信号处理流程图如图3所示。在进行脉冲压缩之前，输入信号先被A/D转换器数字化，然后，通过离散Hilbert变换得到由I(同相)路和Q(正交)路信号组成的复数信号。I路信号为直接来自A/D转换器的数据，而Q路信号为I路信号进行Hilbert变换得到的数据。在脉冲压缩过程中，回波的I路信号和Q路信号分别与本地码做自相关运算。其中，本地码为已发射伪随机码的复制成分，它由主控制器在初始化过程中加载到DSP寄存器当中。当采用具有良好自相关性的m序列对发射信号的相位进行调制以及回波经过脉冲压缩之后，理论上可以得到G_PI的增益。G_PI可表示为：

               (11)

其中：M为m序列的位数。

而在实际中，由于伪随机噪声均方根的影响，得不到这么大的增益。实际得到的增益G_PP可表示为：

              (12)

典型地，当M为511时，G_PP为：

=27 (dB)         (13)

脉冲压缩之后的一个旁瓣滤波器用来滤除时间旁瓣和降低最大旁瓣的幅度。在相干频谱积累中，通常利用快速傅里叶运算在多普勒频域内得到1个幅度峰值。相干频谱积累的输出R[k]定义为：

       (14)

其中：r[n]表示在特定距离门上接收信号的采样数据样本；n为得到样本r[n]时的脉冲数；N为积累的脉冲数；k为多普勒距离门数。

图2  WIOBSS的结构示意图

Fig.2  Block diagram of WIOBSS

表1  WIOBSS的性能参数

Table 1  Parameters of WIOBSS

图3  WIOBSS的数字信号处理流程图

Fig.3  Flow of digital signal processes in WIOBSS

回波经过相干频谱积累处理后，能够得到G_CI的增益。

               (15)

典型地，当N为128时，G_CI为：

=21 (dB)          (16)

3  实验结果分析

2007-12-26T16：53：56在海南省万宁市利用WIOBSS进行了斜向返回扫频探测实验。探测参数设置如下：初始频率为6 MHz，扫频频率为18 MHz，扫频步径为200 kHz；探测体制为脉间二相编码等间隔收发体制；伪随机码采用m序列，码长为511，占空比为20%，每个频点探测128次；发射的峰值功率为100 W左右。图4和图5所示分别为实际探测到的返回散射扫频电离图和返回散射扫频多普勒电离图。其中：R为群时延距离；R_­SN为回波的信噪比；v为多普勒速率；f为工作频率。

图4  返回散射扫频电离图

Fig.4  Backscatter ionogram of WIOBSS

图5  返回散射扫频多普勒电离图

Fig.5  Backscatter Doppler ionogram of WIOBSS

由于天线的波瓣宽度较大，所以，在返回散射扫频电离图上同时显示出了地波，功率较强的多跳垂直探测回波以及从700 km一直延伸到2 000 km以上的斜向返回探测回波。在返回散射扫频多普勒电离图 上，由于地波是由天线附近的地面直接反射回接收机的回波，所以，它们的多普勒频移为0 Hz，多普勒展宽非常小；325~350 km的回波为F2层垂直反射的回波，它们的多普勒频移为0~-0.12 Hz，多普勒展宽也非常小；625~675 km为垂直探测二跳回波。因为这些回波被F2层反射了2次，所以，它们的多普勒频移为一跳垂直探测回波的2倍，多普勒频移也比一跳垂直探测回波有所增加。另外，从700~2 000 km的后向散射回波有比垂直探测回波更大的多普勒频移和多普勒展宽。

4  结论

(1) 针对传统电离层斜向返回探测雷达存在发射功率大、体积庞大、灵活性差以及有较大的近距离盲区等缺点，设计了一种新型电离层斜向返回探测系统即WIOBSS。

(2) 相对于传统电离层斜向返回探测雷达，WIOBSS采用伪随机编码、脉冲压缩、相干频谱积累技术和等间隔收发探测体制，在非常小的功率下实现2 000 km内的无距离盲区探测。WIOBSS依据软件化雷达思想，利用高性能的DSP，FPGA，DDS和高速A/D转换器设计了一个通用的硬件平台，使雷达具有良好的可编程、可配置和易升级性能。WIOBSS还采用PXI总线技术，设计成为一个模块化、小体积的PXI系统。

(3) 在发射功率为100 W时，该雷达探测到2 000 km内的返回散射扫频电离图和返回散射扫频多普勒电离图，满足设计要求，从而为电离层科学研究提供了一种良好的观测手段。

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收稿日期：2009-08-30；修回日期：2009-11-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目(40474066)

通信作者：石书祝(1982-)，男，湖南邵阳人，博士，从事空间探测技术研究；电话：13675180426；E-mail: shishuzhu@126.com

(编辑 刘华森)