一种海洋和电离层一体化探测高频雷达系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术属于对海探测雷达技术领域，公开了一种海洋和电离层一体化探测高频雷达系统及其控制方法，所述海洋和电离层一体化探测高频雷达系统包括：显控平台、时序控制器、综合信号产生器、电离层探测子系统和海洋信息探测子系统。本发明专利技术依据高频地波雷达和电离层垂测仪原理，设计新型的海洋‑电离层信息一体化探测高频雷达系统，实现海洋‑电离层信息同步获取，为近地海洋‑大气层物理运行规律和原理分析等科学研究提供数据支持。同时，本发明专利技术通过设计统一的时序控制器，并设计相互同步的波形参数，实现电离层垂测和海洋信息的同步获取，避免两者之间的相互干扰，保证电离层垂测和海洋信息获取之间互不干扰，能够同步获取电离层信合和海洋信息。

【技术实现步骤摘要】
一种海洋和电离层一体化探测高频雷达系统及其控制方法
本专利技术属于对海探测雷达
，尤其涉及一种海洋和电离层一体化探测高频雷达系统及其控制方法。
技术介绍
目前，在人类生活的浩瀚无限的世界里，海洋和电离层是和人类生存紧密相关的两大组成部分，因而长期以来科学家们在这两大科学领域进行了不懈的探索和研究，取得了辉煌的研究成果。HFSWR凭借其特有的体制优势在海上超视距目标探测和海态遥感方面得到了广泛的应用，同时近几年HFSWR电离层探测研究也取得了突破性进展。因此人们希望在现有的HFSWR研究成果基础上，进一步扩展研究海洋与电离层之间动力学关系，从而揭开海洋与电离层间的奥秘。同时通过对海洋-电离层间动力学关系和突发海态激励的电离层扰动响应机理的研究，建立突发海态早期预警监测新的理论和方法。例如本世纪比较常见的海啸，其发生时会同时激发海洋和电离层特征变化，而且两者之间具有一定的联动关系。因而海态和电离层两方面特征信息的联合应用必将有效提高早期预警的时间和准确性。但是目前由于缺少同步获取海洋-电离层信息的一体化探测手段，极大限制人类对于海洋与电离层之间科学问题的认知。现有的HFSWR在体制和功能上还不能满足海洋与电离层信息的同步获取和海上目标-海洋-电离层兼容探测的需求，因此需要构造全天时、全天候、实时联合探测海上超视距目标、海洋及其上空电离层的一体化新体制HFSWR，并把海洋和电离层作为一个相互关联的整体，同步获取海洋信息(海流、风场、浪场)和电离层(电离层多普勒频移、F2层临界频率f0F2、电子浓度、电离层高度等)信息，构造时空域上更加完备的海洋-电离层信息获取系统。电离层探测和海洋信息探测都需要利用高频电磁波信号，但两者工作原理不同，其中最主要的区别是电离层探测需要进行宽频扫描，而海洋信息探测则需要定频积累。目前的探测设备只能单独探测电离层或海洋信息，并且两种不同的设备之间会存在很严重的干扰，无法同时工作。为了同步获取海洋和电离层信息，必须设计相互同步且不存在干扰的系统才能实现。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)现有的HFSWR在体制和功能上还不能满足海洋与电离层信息的同步获取和海上目标-海洋-电离层兼容探测的需求。(2)目前的探测设备只能单独探测电离层或海洋信息，并且两种不同的设备之间会存在很严重的干扰，无法同时工作。解决以上问题及缺陷的难度为：电离层探测与海洋信息探测之间的干扰会严重干扰各自的系统工作状态，导致系统性能急剧恶化，无法正常工作甚至烧毁系统。将电离层探测与海洋信息探测集成，进行同步探测需要对原来相互独立的电离层垂测仪和高频地波雷达进行深度整合，系统复杂度高，解决较为困难。解决以上问题及缺陷的意义为：解决以上问题，以满足海洋和电离层信息的同步获取，可以为开展海洋-电离层间动力学关系科学研究提供重要的数据参考，对促进海洋科学发展具有重要意义，对台风、海啸、地震等极端自然现象的预测和防范也具有很强的指导作用。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种海洋和电离层一体化探测高频雷达系统及其控制方法，尤其涉及一种可同时监测海态和电离层信息的一体化探测高频雷达系统及其控制方法。本专利技术是这样实现的，一种海洋和电离层一体化探测高频雷达系统，所述海洋和电离层一体化探测高频雷达系统包括：显控平台、时序控制器、综合信号产生器、电离层探测子系统和海洋信息探测子系统。显控平台，通过以太网与各部件及各系统连接，是用于用户交互的接口，通过通用计算机实现数据交互，负责整体系统的控制参数下发、设备状态监控、探测结果的存储与显示功能；时序控制器，通过以太网与显控平台连接，接收系统参数和显控平台下发的控制信息，并输出系统状态；综合信号产生器，通过DDS和硬件电路实现，用于生成各分系统时钟源、电离层探测任务和海洋信息探测任务信号波形以及接收机本振信号；电离层探测子系统，包括发射机、接收机、天线及信号处理四个部分，工作原理和结构与现有电离层垂测仪基本相同，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入；海洋信息探测子系统，包括发射机、接收机、天线及信号处理四个部分，以现有高频地波雷达系统为基础实现，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入。进一步，所述显控平台配备4块显示器，分别用于显示系统状态和设置参数、电离层探测结果显示、海洋信息探测结果显示以及海洋-电离层信息关联性分析结果。进一步，所述时序控制器以ARM和FPGA为主体，利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别为综合信号产生器、电离层探测子系统和海洋信息探测子系统提供同步时序；所述ARM通过配置FPGA参数，控制FPGA产生各时序逻辑电路并输出；通过北斗/GPS模块获取授时信息，可根据时间信息定时启动时序信号。进一步，所述综合信号产生器通过铷原子钟产生标准振荡信号作为整个系统的时钟源，分别产生多路时钟信号供时序控制器、电离层探测子系统和海洋信息探测子系统使用。利用FPGA产生电离层探测和海洋信息探测使用的发射信号基带波形，通过DDS将发射信号调制到指定的载频上。电离层探测使用二相互补码作为发射信号，海洋信息探测使用截断线性调频作为发射信号。电离层探测利用N个脉冲进行相干积累，同时海洋信息探测发射信号利用N个脉冲对线性调频进行截断。利用DDS产生生成用于电离层探测、海洋信息探测的发射信号波形以及接收机本振信号。电离层探测本振信号以固定频率间隔步进变化，受时序控制器控制，每个上升沿跳变一次，当电离层探测载频与海洋信息探测工作频率相近时，跳过1-2个频点，保证两者之间没有相互干扰。进一步，所述电离层探测子系统和海洋信息探测子系统的基本结构相同，发射信号通过功率放大器放大后经过带通滤波除去倍频谐波，然后输出给发射天线辐射出去。时序信号控制功率放大器的开关，控制信号控制功率放大器的工作参数。同时监控组合监控发射机以及滤波器状态，将监控信息传输给显控平台。回波信号通过接收天线阵列接收，经过带通滤波器和低噪声放大之后进入采集模块变为数字信号，采集模块主要为高速AD采集模块。各路采集模块数字信号输出至信号处理模块，信号处理结果即为子系统最终输出。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达系统的海洋和电离层一体化探测高频雷达系统的控制方法，所述海洋和电离层一体化探测高频雷达系统的控制方法包括以下步骤：步骤一，通过显控平台利用通用计算机实现数据交互；通过时序控制器接收系统参数和显控平台下发的控制信息，输出系统状态，并负责整体系统的控制参数下发、设备状态监控、探测结果的存储与显示功能；步骤二，通过时序控制器利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别为综合信号产生器、电离层探测子系统和海洋信息探测子系统提供同步时序；步骤三，ARM通过配置FPGA参数，控制FPGA产生各时序逻辑电路并输出；通过北斗/GPS模块获取授时信息，根据时间信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海洋和电离层一体化探测高频雷达系统，其特征在于，所述海洋和电离层一体化探测高频雷达系统包括：/n显控平台，通过以太网与各部件及各系统连接，是用于用户交互的接口，通过通用计算机实现数据交互，负责整体系统的控制参数下发、设备状态监控、探测结果的存储与显示功能；/n时序控制器，通过以太网与显控平台连接，接收系统参数和显控平台下发的控制信息，并输出系统状态；/n综合信号产生器，通过DDS和硬件电路实现，用于生成各分系统时钟源、电离层探测任务和海洋信息探测任务信号波形以及接收机本振信号；/n电离层探测子系统，包括发射机、接收机、天线及信号处理四个部分，工作原理和结构与现有电离层垂测仪基本相同，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入；/n海洋信息探测子系统，包括发射机、接收机、天线及信号处理四个部分，以现有高频地波雷达系统为基础实现，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入。/n

【技术特征摘要】
1.一种海洋和电离层一体化探测高频雷达系统，其特征在于，所述海洋和电离层一体化探测高频雷达系统包括：
显控平台，通过以太网与各部件及各系统连接，是用于用户交互的接口，通过通用计算机实现数据交互，负责整体系统的控制参数下发、设备状态监控、探测结果的存储与显示功能；
时序控制器，通过以太网与显控平台连接，接收系统参数和显控平台下发的控制信息，并输出系统状态；
综合信号产生器，通过DDS和硬件电路实现，用于生成各分系统时钟源、电离层探测任务和海洋信息探测任务信号波形以及接收机本振信号；
电离层探测子系统，包括发射机、接收机、天线及信号处理四个部分，工作原理和结构与现有电离层垂测仪基本相同，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入；
海洋信息探测子系统，包括发射机、接收机、天线及信号处理四个部分，以现有高频地波雷达系统为基础实现，仅时序控制部分和发射波形通过时序控制器和综合信号产生器接入。


2.如权利要求1所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达系统，其特征在于，所述显控平台配备4块显示器，分别用于显示系统状态和设置参数、电离层探测结果显示、海洋信息探测结果显示以及海洋-电离层信息关联性分析结果。


3.如权利要求1所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达系统，其特征在于，所述时序控制器以ARM和FPGA为主体，利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别为综合信号产生器、电离层探测子系统和海洋信息探测子系统提供同步时序；
所述ARM通过配置FPGA参数，控制FPGA产生各时序逻辑电路并输出；通过北斗/GPS模块获取授时信息，可根据时间信息定时启动时序信号。


4.如权利要求1所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达系统，其特征在于，所述综合信号产生器通过铷原子钟产生标准振荡信号作为整个系统的时钟源，分别产生多路时钟信号供时序控制器、电离层探测子系统和海洋信息探测子系统使用；
利用FPGA产生电离层探测和海洋信息探测使用的发射信号基带波形，通过DDS将发射信号调制到指定的载频上；
电离层探测使用二相互补码作为发射信号，海洋信息探测使用截断线性调频作为发射信号；
电离层探测利用N个脉冲进行相干积累，同时海洋信息探测发射信号利用N个脉冲对线性调频进行截断；利用DDS产生用于电离层探测、海洋信息探测的发射信号波形以及接收机本振信号；
电离层探测本振信号以固定频率间隔步进变化，受时序控制器控制，每个上升沿跳变一次，当电离层探测载频与海洋信息探测工作频率相近时，跳过1-2个频点，保证两者之间没有相互干扰。


5.如权利要求1所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达系统，其特征在于，所述电离层探测子系统和海洋信息探测子系统的基本结构相同，发射信号通过功率放大器放大后经过带通滤波除去倍频谐波，然后输出给发射天线辐射出去；
时序信号控制功率放大器的开关，控制信号控制功率放大器的工作参数；同时监控组合监控发射机以及滤波器状态，将监控信息传输给显控平台；
回波信号通过接收天线阵列接收，经过带通滤波器和低噪声放大之后进入采集模块变为数字信号，采集模块主要为高速AD采集模块；
各路采集模块数字信号输出至信号处理模块，信号处理结果即为子系统最终输出。


6.一种应用如权利要求1～5任意一项所述的海洋和电离层一体化探测高频雷达系统的海洋和电离层一体化探测高频雷达系统的控制方法，其特征在于，所述海洋和电离层一体化探测高频雷达系统的控制方法包括以下步骤：
步骤一，通过显控平台利用通用计算机实现数据交互；通过时序控制器接收系统参数和显控平台下发的控制信息，输出系统状态，并负责整体系统的控制参数下发、设备状态监控、探测结果的存储与显示功能；
步骤二，通过时序控制器利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别为...

【专利技术属性】
技术研发人员：于长军，王霖玮，刘爱军，姚迪，马子龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东;37