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星载多功能等离子体探测仪总体设计及波形技术研究

作　者: 姚明
导　师: 赵正予
学　校: 武汉大学
专　业: 空间物理
关键词: 星载多功能等离子体探测仪相位编码模糊函数参差脉冲串
分类号: V447.1
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

我国的星载探测设备经过几十年的艰苦探索和努力,正在形成一套较完整的探测器型谱,但到目前为止仍未能实现对内磁层等离子体密度三维时空分布及其动力学特性的实时探测。本文旨在针对内磁层及顶部电离层区域范围内等离子体时空分布和动力学特性研究的探测需求,设计和研制一部重量轻、小功率、多功能的星载无线电遥感探测系统,用以探测空间等离子体密度分布、结构,及其时空演化动力学特性(探测参数包括幅度、相位、频率、Doppler频移、回波距离、到达角、极化)。该系统在有源主动探测模式下,可实施磁层等离子体探测、电离层顶测、及作为HF雷达对地面大尺度目标进行探测；在无源被动探测模式下,用以探测空间电磁辐射背景环境和低频等离子体波辐射；选择合适的卫星轨道,采用多星多系统方式,可实施组网探测,实时描绘近地空间等离子体分布全景图。本文主要研究根据不同区域(包括磁层空腔顶、边界层、极尖区、等离子体层顶、等离子体层和电离层)的探测需求所采用的探测波形设计,通过软硬件结合方式,利用先进的数字信号处理方法和相关技术,解决收发时序控制、相关运算、数据通讯、数据处理等要求,搭建接收硬件平台、实现系统模块化和硬件控制流程设计,使探测系统满足多种体制兼容的需要。本文的研究不但具有重要的科学研究意义,还有重大的工程应用价值,同时还可为未来我国开展火星探测时进行火星电离层观测提供必要的技术储备。本文主要研究成果概括如下：1.本文首次提出了星载多功能等离子体探测系统的概念。该系统在有源主动探测模式下,可实施磁层等离子体探测、电离层顶测、及作为HF雷达对地面大尺度目标进行探测；在无源被动探测模式下,用以探测空间电磁辐射背景环境和低频等离子体波辐射；选择合适的卫星轨道,采用多星多系统方式,可实施组网探测,实时描绘近地空间等离子体分布全景图。2.本文首次提出了一种组间参差重复周期脉间二相编码脉冲串,它解决了均匀脉间相位编码脉冲串的盲区问题,同时具有均匀脉间相位编码脉冲串高距离分辨率、高多普勒分辨率、大无模糊探测距离、高编码增益、低发射功率等所有优点。该波形适合磁层内中远距离目标的无盲区探测。3.本文设计的星载多功能等离子体探测系统采用软硬结合方式,系统研制和开发的主要工作通过软件形式,利用先进的数字信号处理技术来完成,因此可方便引用最新的数字信号处理技术和雷达技术研究成果不断地提高系统性能指标。由于采用嵌入式结构,可实现重量轻、体积小、功耗低等星载设备要求。系统的开放式结构设计使系统具有实现复杂功能的可能性,使系统结构通用,功能实现灵活,不同的探测要求可由相对一致的硬件,利用不同的软件实现。在同一硬件平台,利用分时操作实现主动探测和被动探测两种探测模式,系统结构的一致性使得设计的模块化思想能很好地实现,因此系统更具有开放性、通用性和可扩展性。本文各章的内容安排大致如下：第1章为绪论部分。首先介绍了星载多功能等离子体探测仪研究意义,然后介绍了国内外研究概况。最后阐述了本文的主要工作和内容安排。第2章详细介绍了星载等离子体探测仪的原理。比较了星载等离子体探测技术及其与电离层探测技术的异同。第3章介绍了雷达信号理论的基础知识。详细介绍了星载多功能等离子体探测仪所用到的单脉冲、均匀脉冲串、脉内二相编码脉冲串、脉间二相编码脉冲串等探测波形。深入分析并比较了这些波形的时序、频谱及模糊函数。深入分析并比较了这些波形的时序、频谱及模糊函数,并用自行搭建的硬件平台实现了开环测试予以验证。第4章详细介绍了具有参差重复周期的脉间二相编码脉冲串、高斯脉冲等探测波形。深入分析并比较了这些波形的时序、频谱及模糊函数。深入分析并比较了这些波形的时序、频谱及模糊函数,并用自行搭建的硬件平台实现了开环测试予以验证。第5章介绍了星载多功能等离子体探测仪的总体结构。给出了系统总体和分系统技术指标,并深入分析了系统实现所需解决的各种关键技术。第6章总结了本文主要的研究工作,并提出了今后需要进一步深入研究的工作设想和展望。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第1章绪论  14-19
  1.1 本项研究的意义  14-16
    1.1.1 简介  14
    1.1.2 研究目的  14-15
    1.1.3 研究意义  15-16
  1.2 国内外研究概况  16-18
  1.3 本文的内容安排  18-19
第2章星载等离子体探测仪综述及原理  19-43
  2.1 引言  19
  2.2 地球空间环境及空间探测技术发展史简介  19-24
    2.2.1 地球空间环境简介  19-22
    2.2.2 空间探测技术发展史  22-23
    2.2.3 空间探测技术分类  23-24
  2.3 电离层探测仪  24-32
    2.3.1 电离层探测的基本原理  24-26
    2.3.2 电离层探测的分类  26-27
    2.3.3 WIOBSS系统  27-32
  2.4 星载等离子体探测仪  32-39
    2.4.1 基本原理  32
    2.4.2 系统组成与技术指标  32-35
    2.4.3 工作模式与数据显示  35-39
  2.5 星载等离子体探测仪与地基电离层探测仪的区别  39-42
    2.5.1 探测波形  39
    2.5.2 系统硬件结构  39-41
    2.5.3 天线系统设计  41
    2.5.4 系统技术参数  41
    2.5.5 数据处理  41-42
    2.5.6 系统软件  42
  2.6 本章小结  42-43
第3章星载多功能等离子体探测仪的波形设计Ⅰ  43-97
  3.1 引言  43
  3.2 雷达信号理论基础  43-56
    3.2.1 雷达测距与测速  43-46
    3.2.2 模糊函数  46-49
    3.2.3 雷达波形设计  49-56
  3.3 脉内二相编码脉冲串  56-73
    3.3.1 脉内二相编码脉冲串的时序、频谱及模糊函数  56-58
    3.3.2 Barker码脉内二相编码脉冲串  58-66
    3.3.3 互补码脉内二相编码脉冲串  66-73
  3.4 脉间二相编码脉冲串  73-91
    3.4.1 脉间二相编码脉冲串的时序、频谱及模糊函数  73-76
    3.4.2 m序列脉间二相编码脉冲串  76-84
    3.4.3 WG序列脉间二相编码脉冲串  84-91
  3.5 几种二相编码脉冲串的比较  91-96
    3.5.1 定频测试  91-93
    3.5.2 扫频测试  93-95
    3.5.3 结论  95-96
  3.6 本章小结  96-97
第4章星载多功能等离子体探测仪的波形设计Ⅱ  97-122
  4.1 引言  97
  4.2 参差脉冲技术简介  97-99
    4.2.1 参差脉冲技术的分类及应用  97-98
    4.2.2 参差脉冲技术在空间探测中的应用概况  98-99
  4.3 组间参差重复周期脉间二相编码脉冲串  99-111
    4.3.1 组间参差重复周期脉间二相编码脉冲串的时序  99-100
    4.3.2 组间参差重复周期脉间二相编码脉冲串的性能分析  100-105
    4.3.3 组间参差重复周期脉间二相编码脉冲串的开环测试结果分析  105-109
    4.3.4 组间参差重复周期脉间二相编码脉冲串对射频干扰的抑制  109-111
  4.4 脉冲成型技术(Pulse Shaping)  111-121
    4.4.1 脉冲成型技术简介  111-112
    4.4.2 单高斯(Gauss)脉冲  112-116
    4.4.3 脉间二相编码高斯脉冲串  116-118
    4.4.4 脉间二相编码高斯脉冲串波形的实现及开环试验分析  118-121
  4.5 本章小结  121-122
第5章星载多功能等离子体探测仪的总体设计  122-146
  5.1 引言  122-123
  5.2 总体技术设计  123-135
    5.2.1 系统总体结构  123-124
    5.2.2 天线系统单元  124-125
    5.2.3 时序控制单元  125-126
    5.2.4 发射通道单元  126-127
    5.2.5 接收通道单元  127-129
    5.2.6 信号与数据处理单元  129-130
    5.2.7 整机控制单元  130-132
    5.2.8 总体技术参数设计  132-135
  5.3 系统工作模式及探测波形  135-139
    5.3.1 工作模式  135-137
    5.3.2 探测波形设计  137-139
  5.4 相关技术难点  139-144
    5.4.1 小型化低功耗的模块设计  139-140
    5.4.2 天线系统设计  140-141
    5.4.3 信号处理及参数返演  141-142
    5.4.4 系统测试  142-144
  5.5 可行性分析  144-145
  5.6 本章小结  145-146
第6章总结与展望  146-148
参考文献  148-155
致谢  155-156
攻读博士学位期间发表及录用的文章  156-157
攻读博士学位期间参与的科研项目  157

星载多功能等离子体探测仪总体设计及波形技术研究

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