本發(fā)明涉及雷達(dá)探測領(lǐng)域，尤其是涉及一種電離層探測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電離層探測雷達(dá)是對電離層進(jìn)行探測的重要工具，傳統(tǒng)電離層探測雷達(dá)中對信號的處理都是依賴硬件實現(xiàn)的，雖然可以精確地測量出電離層的相關(guān)數(shù)據(jù)，但是其價格一般很高，硬件升級和維護(hù)很不方便，需要變更探測需求時，往往因為探測硬件固化而不夠靈活。利用傳統(tǒng)的電離層探測雷達(dá)研究、探測電離層，成本太高，且不夠靈活、不夠開放、不夠方便。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)不足，提出一種電離層探測方法及系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題。

為達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種電離層探測方法，包括：

s1、使用usrp發(fā)射設(shè)定頻率的電磁波，并記錄發(fā)射的電磁波的信息為第一電磁波信息；

s2、使用usrp接收經(jīng)電離層反射的電磁波，獲取接收的電磁波的信息為第二電磁波信息；

s3、usrp通過千兆網(wǎng)口與計算機(jī)通信，計算機(jī)根據(jù)第一電磁波信息、第二電磁波信息計算設(shè)定電磁波發(fā)射頻率下的電離層高度、電離層電子密度、電離層電子徑向速度；

s4、通過計算機(jī)向usrp發(fā)送指令，改變usrp發(fā)射的電磁波頻率，再次執(zhí)行步驟s1-s3，獲取不同電磁波發(fā)射頻率下的電離層高度、電離層電子密度及電離層電子徑向速度并繪制電離層分布圖。

本發(fā)明還提供一種電離層探測系統(tǒng)，包括：

發(fā)射模塊：使用usrp發(fā)射設(shè)定頻率的電磁波，并記錄發(fā)射的電磁波的信息為第一電磁波信息；

接收模塊：使用usrp接收經(jīng)電離層反射的電磁波，獲取接收的電磁波的信息為第二電磁波信息；

計算模塊：usrp通過千兆網(wǎng)口與計算機(jī)通信，計算機(jī)根據(jù)第一電磁波信息、第二電磁波信息計算設(shè)定電磁波發(fā)射頻率下的電離層高度、電離層電子密度、電離層電子徑向速度；

循環(huán)計算與繪圖模塊：通過計算機(jī)向usrp發(fā)送指令，改變usrp發(fā)射的電磁波頻率，再次執(zhí)行發(fā)射模塊、接收模塊、計算模塊的操作，獲取不同電磁波發(fā)射頻率下的電離層高度、電離層電子密度及電離層電子徑向速度并繪制電離層分布圖。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括：usrp通過千兆網(wǎng)口與計算機(jī)通信，usrp實現(xiàn)電磁波的收發(fā)及初步的信號處理，計算機(jī)進(jìn)行較為復(fù)雜的信號處理和電離層高度、電離層電子密度、電離層電子徑向速度的計算，利用usrp和已編程的計算機(jī)即可實現(xiàn)電離層探測，成本低廉，靈活、便利、開放程度高，易于維護(hù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的一種電離層探測方法流程圖；

圖2是本發(fā)明提供的一種電離層探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

附圖中：1、電離層探測系統(tǒng)，11、發(fā)射模塊，12、接收模塊，13、計算模塊，14、循環(huán)計算與繪圖模塊。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

usrp全稱是通用軟件無線電外圍設(shè)備，實現(xiàn)了射頻信號發(fā)射和接收。它由一個母板和不同的子板組成。本發(fā)明的實施例中，母板包含4個12bit/64m模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)、4個14bit/128m數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(dac)、一個可重復(fù)編程的fpga芯片。每個usrp母板上可安裝四個子板，其中兩個用于接收，另外兩個用于發(fā)射。通過連接不同的子板，usrp可以處理不同頻段的信號。

本發(fā)明的實施例中，將usrp和計算機(jī)通過千兆網(wǎng)口連接，usrp通過千兆網(wǎng)口與計算機(jī)通信，usrp中的fpga進(jìn)行信號的上下變頻、抽樣和內(nèi)插等數(shù)字信號簡單操作，usrp發(fā)射或者接收的電磁波信號經(jīng)過fpga處理后傳遞給計算機(jī)，計算機(jī)進(jìn)行fft處理、調(diào)制解調(diào)等較為復(fù)雜的數(shù)字信號處理，且計算機(jī)負(fù)責(zé)計算需要探測的電離層高度、電離層電子密度、電離層電子徑向速度，并繪制電離層分布圖。

本發(fā)明的實施例中，與usrp連接的計算機(jī)上的軟件模塊編程通過gnuradio平臺實現(xiàn)，通過對軟件模塊的編程實現(xiàn)對usrp的控制、計算機(jī)上的信號處理以及相關(guān)的計算任務(wù)。gnu是一個由fsf(freesoftwarefoundation)提供支持的開放源代碼著名項目。gnuradio運行于linux系統(tǒng)，其軟件代碼完全公開，其設(shè)計的核心思想是：基帶信號處理過程由通用處理器而不是dsp(dsp芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號處理技術(shù)的芯片)實現(xiàn)；基帶信號通過千兆網(wǎng)口與射頻前端usrp相連，由usrp上的fpga實現(xiàn)數(shù)字上下變頻(duc/ddc)，然后通過adc/dac芯片與射頻子板連接；覆蓋不同頻段的射頻子板將模擬信號變換為射頻進(jìn)行信號收與發(fā)。gnuradio提供了一個信號處理模塊的庫，并且有個機(jī)制可以把單個的處理模塊連接在一起形成一個系統(tǒng)。編程者通過建立一個流向圖(flowgraph)就可以快速搭建一個無線電通信系統(tǒng)。gnuradio的編程實現(xiàn)主要基于python腳本語言和c++語言。c++語言被用于編寫各種信號處理模塊，具有較高的執(zhí)行效率。gnuradio提供了超過100個現(xiàn)成的信號處理模塊，并且編寫新的處理模塊也是非常容易。而軟件圖形化接口和信號處理模塊的鏈接機(jī)制則是通過python腳本語言實現(xiàn)的。

本發(fā)明提供了一種電離層探測方法，包括：

s1、使用usrp發(fā)射設(shè)定頻率的電磁波，并記錄發(fā)射的電磁波的信息為第一電磁波信息；

s2、使用usrp接收經(jīng)電離層反射的電磁波，獲取接收的電磁波的信息為第二電磁波信息；

s3、usrp通過千兆網(wǎng)口與計算機(jī)通信，計算機(jī)根據(jù)第一電磁波信息、第二電磁波信息計算設(shè)定電磁波發(fā)射頻率下的電離層高度、電離層電子密度、電離層電子徑向速度；

s4、通過計算機(jī)向usrp發(fā)送指令，改變usrp發(fā)射的電磁波頻率，再次執(zhí)行步驟s1-s3，獲取不同電磁波發(fā)射頻率下的電離層高度、電離層電子密度及電離層電子徑向速度并繪制電離層分布圖。

本發(fā)明所述的電離層探測方法，步驟s1中：

第一電磁波信息包括：發(fā)射電磁波的時間t1、發(fā)射的電磁波的頻率f1。

本發(fā)明所述的電離層探測方法，步驟s2中：

第二電磁波信息包括：接收到經(jīng)電離層反射的電磁波的時間t2、接收的經(jīng)電離層反射的電磁波的頻率f2。

本發(fā)明所述的電離層探測方法，步驟s3中：

根據(jù)計算電離層高度，其中，r表示電離層高度，c表示電磁波傳播速度(光速)，t0表示發(fā)射電磁波與接收到反射的電磁波之間的時間間隔，t0＝t2-t1；

根據(jù)計算電離層電子密度，其中，ne表示電離層電子密度；

根據(jù)計算電離層電子徑向速度，其中，vr表示電離層電子徑向速度，fd表示多普勒頻移，fd＝f1-f2。

本發(fā)明所述的電離層探測方法，步驟s4中：

由于不同頻率電磁波對于電離層的穿透作用不同，所以不同發(fā)射頻率電磁波在電離層的不同高度被反射，由公式計算出的電離層高度是該頻率電磁波的電離層反射高度，改變電磁波的發(fā)射頻率，則可以測量該區(qū)域電離層的區(qū)域范圍，并且可將電磁波發(fā)射頻率和電磁波發(fā)射頻率對應(yīng)的電離層高度輸入matlab中，以電磁波發(fā)射頻率、電離層高度分別為x、y軸繪制電離層分布圖。

本發(fā)明還提供一種電離層探測系統(tǒng)1，包括：

發(fā)射模塊11：使用usrp發(fā)射設(shè)定頻率的電磁波，并記錄發(fā)射的電磁波的信息為第一電磁波信息；

接收模塊12：使用usrp接收經(jīng)電離層反射的電磁波，獲取接收的電磁波的信息為第二電磁波信息；

計算模塊13：usrp通過千兆網(wǎng)口與計算機(jī)通信，計算機(jī)根據(jù)第一電磁波信息、第二電磁波信息計算設(shè)定電磁波發(fā)射頻率下的電離層高度、電離層電子密度、電離層電子徑向速度；

循環(huán)計算與繪圖模塊14：通過計算機(jī)向usrp發(fā)送指令，改變usrp發(fā)射的電磁波頻率，再次執(zhí)行發(fā)射模塊11、接收模塊12、計算模塊的操作13，獲取不同電磁波發(fā)射頻率下的電離層高度、電離層電子密度及電離層電子徑向速度并繪制電離層分布圖。

本發(fā)明所述的電離層探測系統(tǒng)1，發(fā)射模塊11中：

第一電磁波信息包括：發(fā)射電磁波的時間t1、發(fā)射的電磁波的頻率f1。

本發(fā)明所述的電離層探測系統(tǒng)1，接收模塊12中：

第二電磁波信息包括：接收到經(jīng)電離層反射的電磁波的時間t2、接收的經(jīng)電離層反射的電磁波的頻率f2。

本發(fā)明所述的電離層探測系統(tǒng)1，計算模塊13中：

根據(jù)計算電離層高度，其中，r表示電離層高度，c表示電磁波傳播速度，t0表示發(fā)射電磁波與接收到反射的電磁波之間的時間間隔，t0＝t2-t1；

根據(jù)計算電離層電子密度，其中，ne表示電離層電子密度；

根據(jù)計算電離層電子徑向速度，其中，vr表示電離層電子徑向速度，fd表示多普勒頻移，fd＝f1-f2。

本發(fā)明所述的電離層探測系統(tǒng)1，循環(huán)計算與繪圖模塊14中：

獲取不同電磁波發(fā)射頻率下的電離層高度后，將電磁波發(fā)射頻率和電磁波發(fā)射頻率對應(yīng)的電離層高度輸入matlab中，從而繪制電離層分布圖。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括：usrp通過千兆網(wǎng)口與計算機(jī)通信，usrp實現(xiàn)電磁波的收發(fā)及初步的信號處理，計算機(jī)進(jìn)行較為復(fù)雜的信號處理和電離層高度、電離層電子密度、電離層電子徑向速度的計算，利用usrp和已編程的計算機(jī)即可實現(xiàn)電離層探測，成本低廉，靈活、便利、開放程度高，易于維護(hù)。

以上所述本發(fā)明的具體實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思所做出的各種其他相應(yīng)的改變與變形，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。