短波電離層探測系統(tǒng)軟件設(shè)計

李　寧 ，趙正予

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047；2.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079)

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短波電離層探測系統(tǒng)軟件設(shè)計

李寧1，趙正予2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047；2.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079)

提出了短波電離層探測系統(tǒng)軟件的一種設(shè)計方案。該軟件采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計開發(fā)，其主要功能包括：硬件控制、遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)處理與顯示。該軟件結(jié)構(gòu)明晰，代碼復(fù)用率高，運行穩(wěn)定可靠，能夠控制系統(tǒng)進(jìn)行電離層垂直探測、斜向探測和斜向返回探測，滿足單站探測和多站聯(lián)合探測的需求。

電離層探測；高頻雷達(dá)；多線程；Socket；Matcom

電離層物理學(xué)是一門以探測為基礎(chǔ)的實驗科學(xué)，對電離層的探測研究在該學(xué)科中一直占有重要的地位。電離層探測的目的是為了獲取有關(guān)電離層的物理參量，如電離層的電子含量、電子密度、電子溫度、離子溫度等，以及它們的時空變化規(guī)律，包括周日變化、季節(jié)變化、太陽周期變化的影響及全球分布、區(qū)域分布、垂直剖面和漂移運動等信息。通過對探測結(jié)果的研究，揭示電離層的形成過程、形態(tài)模式、電力輸運、熱能輸運以及熱平衡等物理和動力學(xué)機(jī)制。早在20世紀(jì)初，人們就開始利用垂直向上發(fā)射短波的技術(shù)來探測電離層。目前，短波電離層探測技術(shù)主要有垂直探測、斜向探測和斜向返回探測三種。垂直探測系統(tǒng)有美國的Digisonde[1]、Dynasonde[2]和加拿大的CADI[3]，斜向探測系統(tǒng)有英國的ROSE[4]，斜向返回探測系統(tǒng)有SuperDARN[5]組織的各種雷達(dá)。

本文所介紹的電離層探測系統(tǒng)采用相位編碼調(diào)制脈沖壓縮體制，集成了電離層垂直探測、斜向探測和斜向返回探測三種功能，可以全方位探測周圍廣闊區(qū)域內(nèi)的電離層。該系統(tǒng)主要分為四個部分：發(fā)射通道、接收通道、時間頻率同步模塊和上位機(jī)。其中，發(fā)射通道由發(fā)射天線、功放模塊、頻率源、DDS模塊和FPGA時序控制模塊組成；接收通道由接收天線、隔離保護(hù)開關(guān)、接收機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換模塊及數(shù)字下變頻器等組成。WissView是部署在系統(tǒng)上位機(jī)的軟件，用來控制系統(tǒng)進(jìn)行電離層探測。本文從硬件控制、遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)處理與顯示三個方面詳細(xì)介紹WissView開發(fā)過程中所用的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計方法，最后給出探測結(jié)果，并作簡要分析。

1　硬件控制

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，WissView硬件控制部分的工作是通過上位機(jī)來對發(fā)射機(jī)、波形發(fā)生器、接收機(jī)、時間頻率同步模塊和數(shù)據(jù)采集模塊五個部分進(jìn)行控制以達(dá)到探測的目的。除了發(fā)射機(jī)是通過串口來控制以外，其它模塊都是通過USB總線來控制的。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

WissView的硬件控制功能包括：⑴ 發(fā)射機(jī)。系統(tǒng)在執(zhí)行電離層探測任務(wù)時，發(fā)射機(jī)工作在高頻段，它用來對輸入信號進(jìn)行調(diào)制放大，發(fā)射功率可以達(dá)到幾百甚至幾千瓦。上位機(jī)是通過串口來設(shè)置發(fā)射機(jī)的頻率、增益等工作參數(shù)。除此之外，上位機(jī)還要通過串口來實時查詢發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)以達(dá)到監(jiān)控的目的；⑵ 波形發(fā)生器。上位機(jī)是通過USB總線把命令參數(shù)送到FPGA，然后FPGA控制波形發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)幅調(diào)相波形，給波形發(fā)生器輸入的指令包括載波頻率、偽隨機(jī)序列、脈沖寬度、脈沖重復(fù)周期以及每個頻點的采樣次數(shù)等參數(shù)；⑶ 接收機(jī)。上位機(jī)是通過USB總線把命令參數(shù)送到FPGA，然后FPGA完成對接收機(jī)的控制，主要包括接收機(jī)前端保護(hù)開關(guān)的控制、中頻電路增益的設(shè)置、接收機(jī)帶寬的設(shè)置、接收機(jī)頻率的設(shè)置等。除此之外，上位機(jī)還要實時查詢接收機(jī)的工作狀態(tài)以達(dá)到監(jiān)控的目的；⑷ 時間頻率同步模塊。系統(tǒng)工作時，時間頻率同步模塊主要負(fù)責(zé)各個站點設(shè)備的時間及頻率的同步。探測時，上位機(jī)把探測開始時間寫給USB接口芯片，USB接口芯片負(fù)責(zé)比較GPS時間與設(shè)定時間，一旦兩者一致便通過秒脈沖的上升沿觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行探測。另外，上位機(jī)還要通過USB總線來從時間頻率同步模塊獲取時間和經(jīng)緯度等信息；⑸ 數(shù)據(jù)采集模塊。系統(tǒng)每次探測完成時，F(xiàn)PGA就會把基帶數(shù)據(jù)送到USB接口芯片，然后上位機(jī)要及時通過USB總線從USB接口芯片可訪問的地址存儲區(qū)中讀取探測數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)即時的保存到上位機(jī)硬盤的指定位置。

為了避免在探測的時候出現(xiàn)界面“假死”現(xiàn)象，WissView采用多線程技術(shù)來控制系統(tǒng)的各個硬件模塊有序的工作，從而完成電離層探測。其中，界面線程用于人機(jī)交互，探測線程用于數(shù)據(jù)采集和存儲，硬件控制流程如圖2所示。

圖2　硬件控制流程

2　遠(yuǎn)程控制

Socket是互聯(lián)網(wǎng)上不同應(yīng)用程序之間進(jìn)行雙向通信的端點，是連接應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的橋梁[6-7]，Socket之間的連接過程包括三個步驟：(1)服務(wù)器監(jiān)聽。服務(wù)器監(jiān)聽是指服務(wù)器并不定位具體的客戶端，而是處于等待連接的狀態(tài)，實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；(2)客戶端請求?？蛻舳苏埱笫怯煽蛻舳颂岢龅倪B接服務(wù)器的請求?？蛻舳吮仨毷紫戎赋龇?wù)器的地址和端口號，然后再向服務(wù)器提出連接請求；(3)連接確認(rèn)。連接確認(rèn)是當(dāng)服務(wù)器監(jiān)聽到客戶端的連接請求時，它就響應(yīng)客戶端的請求，建立一個新的線程，把服務(wù)器的信息發(fā)送給客戶端，一旦客戶端確認(rèn)了此連接，連接即可建立。而服務(wù)器繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)，繼續(xù)接收其他客戶端的連接請求。

WissView采用Socket編程技術(shù)來實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，其目的是實現(xiàn)在無人值守的情況下進(jìn)行多站聯(lián)合探測任務(wù)。多站探測時，主站把探測參數(shù)發(fā)給服務(wù)器，然后由服務(wù)器把探測參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給各客戶端，最后各客戶端根據(jù)探測參數(shù)來自動執(zhí)行探測任務(wù)，遠(yuǎn)程控制流程如圖3所示。

3　數(shù)據(jù)處理與顯示

Matrix是MathTools公司開發(fā)的一個面向工程技術(shù)和科學(xué)計算的C++矩陣函數(shù)庫[8]。這個C++庫提供了一個雙精度矩陣類Mm，還提供了包括線性代數(shù)、多項式代數(shù)、信號處理、文件I/O和繪圖等方面的超過600個經(jīng)過嚴(yán)格測試的庫函數(shù)。另外，Matcom是Mideva的內(nèi)核，它是一個基于Matrix的一個M文件與CPP文件的轉(zhuǎn)換程序。Mideva可以把用MATLAB開發(fā)的函數(shù)文件直接翻譯成C代碼。因此，使用Matrix矩陣函數(shù)庫可以很方便快速地把用MATLAB開發(fā)并測試過的算法應(yīng)用到用Visual C++開發(fā)的應(yīng)用程序當(dāng)中，這很大程度上降低了算法開發(fā)的難度，縮短了算法開發(fā)的時間。

WissView數(shù)據(jù)處理是把采集到的原始IQ數(shù)據(jù)通過脈沖壓縮、相干積累、恒虛警檢測等算法的處理之后獲得高質(zhì)量電離圖的過程。除此之外，WissView還要把經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后獲得的電離圖顯示到用戶界面。本文采用Visual C++調(diào)用Matrix矩陣函數(shù)庫的方式來實現(xiàn)WissView的數(shù)據(jù)處理和顯示功能。WissView避免了像其他方法(比如調(diào)用Matlab Engine)那樣需要安裝Matlab編譯環(huán)境才能運行的問題，它是一個可以獨立運行的應(yīng)用程序。

圖3　遠(yuǎn)程控制流程

4　探測結(jié)果

2011年4月20日上午9點，系統(tǒng)進(jìn)行了一次電離層垂直探測試驗。這次試驗的探測波形是占空比為5%的16位互補(bǔ)碼，探測的起始頻率2 MHz，頻率步進(jìn)50 kHz，終止頻率20 MHz，每頻點采樣16次,探測結(jié)果如圖4(a)所示。從圖中我們能清晰地看到100～480 km的Es層、F1層和F2層一跳回波，500～800 km的F層二跳回波，一跳回波O波和X波描跡清晰，Es層臨界頻率3.3 MHz，F(xiàn)1層臨界頻率4.9 MHz，F(xiàn)2層臨界頻率8.75 MHz。

(a)垂直探測

2010年8月26日上午10點30分，系統(tǒng)進(jìn)行了一次電離層斜向探測試驗。這次試驗的發(fā)射站在武漢，接收站在深圳，探測波形是長度為255，占空比為20%的m序列，探測的起始頻率6 MHz，頻率步進(jìn)200 kHz，終止頻率15 MHz，每頻點采樣64次，探測結(jié)果如圖4(b)所示。從圖中可以清晰地看到900～1 400 km 的Es層、F1層和F2層一跳回波，1 400～2 000 km的F層二跳回波，一跳F2層回波O波和X波描跡清晰，F(xiàn)2層最大可用頻率(MUF)約為10.5 MHz。

(b)斜向探測

(c)斜向返回探測

2010年8月26日下午7點30分，系統(tǒng)進(jìn)行了一次電離層斜向返回探測試驗。探測波形是長度為255，占空比為20%的m序列，探測的起始頻率6 MHz，頻率步進(jìn)200 kHz，終止頻率30 MHz，每頻點采樣64次，探測結(jié)果如圖4(c)所示。斜向返回探測回波從600 km延伸至3 000 km，回波前沿清晰可見。另外，還能看到從接收天線旁瓣進(jìn)入系統(tǒng)的F層多跳垂直探測回波，F(xiàn)層臨界頻率8.2MHz。

5　結(jié)論

本文從硬件控制、數(shù)據(jù)處理和顯示和遠(yuǎn)程控制幾個方面詳細(xì)介紹了WissView軟件的設(shè)計方法。在控制流程設(shè)計方面，WissView采用多線程技術(shù)避免了采集數(shù)據(jù)的時候界面出現(xiàn)“假死”現(xiàn)象；在遠(yuǎn)程控制方面，采用Socket編程方法使得系統(tǒng)具備了多站聯(lián)合探測的能力；在數(shù)據(jù)處理與顯示方面，應(yīng)用了Matrix矩陣函數(shù)庫，有效彌補(bǔ)了VC++在科學(xué)計算方面函數(shù)庫不夠豐富以及數(shù)據(jù)可視化不方便的缺點，大大降低了開發(fā)難度，提高了開發(fā)效率。該軟件采用面向?qū)ο蠓椒ㄔO(shè)計，結(jié)構(gòu)明晰，可升級性強(qiáng)，代碼復(fù)用率高。實際探測表明該軟件運行穩(wěn)定可靠，能夠為電離層研究提供大量高質(zhì)量的電離圖數(shù)據(jù)。

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Design of software for short-wave ionospheric sounding system

LI Ning1,ZHAO Zheng-yu2

(1.The27thResearchInstitute,ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Zhengzhou450047,China;2.SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan,430079,China)

A software of short-wave ionospheric sounding system was designed.The main function of the software,designed and developed using object-oriented method,includes hardware control,remote control,and data processing and display.The software,designed with clear architecture and high code reuse rate,operates stably and reliably,is able to control the system for ionospheric vertical sounding,oblique sounding and oblique backscattering sounding,and can meet the demand of monostatic sounding and joint sounding in multi-station.

ionospheric sounding;high-frequency radar;multi-thread;Socket;Matcom

2016-01-06

國家自然科學(xué)基金(41327002)

李寧(1986—)，男，湖北仙桃人，博士，工程師。

1674-7046(2016)03-0075-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.014

TN958

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