子午工程二期电离层数字测高仪样机测试与数据质量对比分析.pdf
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1、陈志青,王国军,张锋,胡连欢,常首民,王霄.2024.子午工程二期电离层数字测高仪样机测试与数据质量对比分析.地球与行星物理论评(中英文),55(1):37-52.doi:10.19975/j.dqyxx.2023-004.ChenZQ,WangGJ,ZhangF,HuLH,ChangSM,WangX.2024.DigisondeprototypetestinganddataqualitycomparisonanalysisforPhaseIIofChineseMeridianProject.ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysics,55(1):37-52(
2、inChinese).doi:10.19975/j.dqyxx.2023-004.子午工程二期电离层数字测高仪样机测试与数据质量对比分析陈志青1,2,王国军1,2,5,张锋3,胡连欢4,常首民4,王霄1,51中国科学院国家空间科学中心,北京1001902空间天气学国家重点实验室,北京1001903中国科学院空天信息创新研究院,北京1000944中国科学院地质与地球物理研究所,北京1000295海南空间天气国家野外科学观测研究站,儋州571700摘要:为确保国产设备的探测质量,子午工程二期建设的电离层数字测高仪采用与成熟型号 DPS-4D 对比的方式,在位于海南儋州的空间天气国家野外科学观测研究
3、站开展了样机测试.对参试设备及参试过程进行了介绍,对数据质量对比测试结果进行了详细分析.样机测试包括现场技术指标测试和数据质量对比分析.数据质量分析从频高图质量、电离层特征参量(foF2、hmF2、hF2、自动度量和手动度量)、电离层漂移速度等多个方面进行综合对比,明确了样机的硬件和数据处理软件的技术状态.技术指标测试结果表明,样机的两通道峰值发射功率不超过 686W;两发射天线驻波比不超过 2.23;接收通道灵敏度达到125dBm,接收动态范围达到 105dB;接收带宽 70kHz,带外抑制超过 100dB.数据质量对比结果表明,样机自动与手动度量的 foF2 平均偏差 0.02MHz,hm
4、F2 平均偏差 28.39km,hF2 平均偏差 0.39km;样机与 DPS-4D 手动度量的 foF2 平均偏差0.13MHz,hmF2 平均偏差 14.7km,hF2 平均偏差3.21km.分析结果表明,样机在硬件的基础探测能力方面与 DPS-4D 相当,频高图度量的算法还存在改进空间.本次样机数据质量对比,不仅服务于子午工程二期电离层数字测高仪的技术定型,也为数字测高仪数据质量评估指标的确定提供了参考.关键词:子午工程;数字测高仪;样机;数据质量doi:10.19975/j.dqyxx.2023-004中图分类号:P352文献标识码:ADigisonde prototype testi
5、ng and data quality comparison analysis forPhase II of Chinese Meridian ProjectChenZhiqing1,2,WangGuojun1,2,5,ZhangFeng3,HuLianhuan4,ChangShoumin4,WangXiao1,51NationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China2StateKeyLaboratoryforSpaceWeather,Beijing100190,China3AerospaceInform
6、ationResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Beijing100094,China4InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China5HainanSpaceWeatherNationalFieldScienceObservationandResearchStation,Danzhou,571700,ChinaAbstract:Toensurethedetectionqualityofthedomesticmodelionosphericdi
7、gisondeadoptedbythePhaseIIofChineseMeridianProject,prototypetestingincludingtechniquetestingandadataqualitycomparisonwasper-formed.ThetestwascarriedoutintheNationalSpaceWeatherObservationStationinDanzhou,Hainan.Afterthe收稿日期:20230208;录用日期:20230605基金项目:子午工程二期标准规范建设SupportedbytheConstructionofStandardS
8、pecificationforPhaseIIofChineseMeridianProject第一作者:陈志青(1978-),男,副研究员,主要从事空间环境地基探测技术研究和工程管理.E-mail:第55卷第1期地球与行星物理论评(中英文)Vol.55No.12024年1月ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysicsJan.,2024prototypedigisondetestingprocesswasintroducedandcompleted,thedataqualityevaluationresultswereana-lyzedindetail.Athoro
9、ughcomparisondemonstratedthattheprototypereachedtheoverallstandardestablishedbythemature-typeDSP-4Dintheaspectsofqualityofionograms,accuracyofionosphericparameters(hF2,hmF2,foF2,auto-scaledormanual-scaled),anddriftvelocity.Accordingtothetestingresultsoftechnicalindices,thepeakpowerofthetwotransmitti
10、ngchannelsisnomorethan686W,andthevoltagestandingwaveratioisnomorethan2.23.Thesensitivityofthereceivingchannelreached125dBm,andthedynamicrangereached105dB.Thebasebandbandwidthofthedigitalreceiveris70kHz,andthesuppressionofoutbandinterferenceisnolessthan101dB.Theresultsofthedataqualityevaluationshowed
11、thattheaveragedifferencesbetweentheprototypedigisondeparametersofFof2,hF2,andhmF2obtainedusingauto-scalingandmanualscalingare0.02MHz,28.39km,and0.39km,respectively.TheaveragedifferencesbetweenthethreeparametersoftheprototypedigisondeandthoseoftheDPS-4Dobtainedusingauto-scalingare0.0MHz,2.61km,and9.1
12、2km,respectively.Theave-ragedifferencesbetweenthethreeparametersoftheprototypedigisondeandthoseoftheDPS-4Dobtainedusingmanualscalingare0.13MHz,14.7km,and3.21km,respectively.Theprototypetestingclarifiedthestatusofthetechniqueofthedomesticinstrument,greatlycontributingtoitsdesignoptimizationandfinaliz
13、ation.Italsoestab-lishedareferencefordigisondedataqualityassessment.Keywords:ChineseMeridianProject;digisonde;prototype;dataquality0引言子午工程是我国空间天气领域唯一的国家重大科技基础设施(Wang,2010;Wangetal.,2020).通过一期、二期的建设,子午工程将建成覆盖我国区域和南北极区的“井”字形地基监测网络,对太阳表面、行星际、磁层、电离层、中高层大气等多个圈层开展综合性的连续监测.子午工程一期于 2012年建成运行,二期工程于 2019 年开工建
14、设,预期2023 年建成.针对电离层网络化监测的需求,子午工程二期在分布于全国和极区的 10 个观测站点建设电离层数字测高仪(Klaus,1998),与子午工程一期以及其他项目建设的电离层数字测高仪协同,以实现对我国区域和南北极电离层电子密度和特征参量的大中尺度的连续监测.这对研究电离层的区域特征、变化规律,对我国区域的电离层建模具有重要意义.目前,比较成熟的电离层数字测高仪型号代表是美国 LowellDigisondeInternational 公司的 DPS-4D(Bodoetal.,2008;Reinischetal.,2009),这也是子午工程一期选择的型号.中国科学院空天信息创新研究
15、院、中国电子科技集团公司第二十二研究所、中南民族大学等国内单位也开展了电离层数字测高仪的研制工作(蓝加平等,2019;王顺等,2014).作为国家重大科技基础设施,带动国内空间环境地基探测技术的发展是子午工程的重要使命.子午工程二期建设项目指挥部非常重视观测设备的国产化替代,布局了电离层数字测高仪的国产化专项行动.为了确保建成后的设备满足使用要求,专项行动开展了厂家比测、样机测试等多个环节的活动,对设备的技术指标、数据质量进行了全面的测试和分析.在样机测试过程中,子午工程总体采用 DPS-4D 与国产型号电离层数字测高仪(中国科学院空天信息创新研究院研制的 CAS-DIS 电离层数字测高仪,以
16、下称为样机)同址(海南儋州站)运行,对两台设备的数据进行了多个方面的对比分析.据我们所知,在空间环境地基监测领域,这是首次采用这种方式进行设备的技术定型.本文详细介绍了样机测试的数据对比分析结果,对电离层数字测高仪观测的一些基本特征和规律进行总结,为准确性评估提供参考方法.1参测设备和测试过程 1.1 电离层测高仪h根据无线电波传播理论,电磁波的频率与环境等离子体频率相等时将发生全反射.电离层数字测高仪正是利用这一原理,从地面向上发射不同频率的电波并测量反射虚高(=ct/2,c 为光速,t 为回波延迟),以获取电子密度随高度的分布(F2 层38地球与行星物理论评(中英文)2024年峰值高度以下
17、)和多种电离层特征参量信息.fh f由于地磁场的存在,进入电离层的电波会分裂成寻常波(O 波)和非寻常波(X 波),它们具有不同的极化特征,且在不同的高度上反射(对应不同的电子密度)或穿透.通过对多个频率()的虚高测量,测高仪记录下来的的关系曲线(电离层描迹)称为电离层频高图,如图 1 所示.从电离层频高图中可以度量出 E、F1、F2、Es 等层的临界频率、最小虚高等参数.还可以从电离层频高图得出电子密度随高度(真高)分布的剖面曲线(PiggottandRawer,1972).通过对回波多普勒频移的测量,还可获得电离层的漂移速度.90080070060050040030020010000246
18、8101214161820OEWNNENNWSSESSWXfoF2 8.45foF1 nanfoE 2.95foEs nanMUF(D)28.93M(D)3.42D 3000.0h F 212.01h F2 212.01h E 99.46h Es nanhmF2 248.54hmF1 nanhmE 112.23fmin 1.65fxI 9.15B0 72.01kmMHz图1数字电离层测高仪探测结果电离层频高图Fig.1Anexampleionogramofthedigisonde实际上,电离层测高仪发射天线的辐射波束宽度很大(半功率波束宽度可能超过 60),不同方向的回波混叠会导致频高图中的电
19、离层描迹变粗甚至模糊.同时,频高图还会受到电离层状态、环境干扰、设备性能等多种因素的影响.如何准确度量频高图获取优质的数据产品是很有挑战的任务.因此,尽管电离层垂直探测技术已经发展几十年(Klaus,1998),国内外多个技术团队还在持续对探测技术进行优化,提高设备对噪声和干扰的抑制水平,发展新的频高图度量方法和软件.DPS 系列测高仪的度量算法和软件持续更新,最新版本为ARTIST5(Galkinetal.,2008).Ding 等(2007)提出采用经验正交函数法(EOF)对频高图进行拟合以获取电子密度剖面.Chen 等(2018)基于数学形态学以及图论等算法提出一种运算复杂度低、实时操作
20、性强的自动度量方法.Pezzopane 和 Scotto(2007)将其他方法与 ARTIST4.5 的度量结果进行对比分析,发现不同方法各有优劣.Pradere 等(2019)的研究展示了不同电离层测高仪获取的数据之间存在不可忽略的差异,表明开展数据质量分析和控制的重要性.因此,对于新型号的设备开展数据交叉对比以验证观测结果的可靠性是非常必要的.1.2 样机及 DPS-4D 的整体技术方案1.2.1样机总体技术方案本次测试的样机基于软件无线电设计理念,自主突破了射频直采全数字接收、O 波与 X 波分离、宽频带谐波抑制、多波束合成、自动度量与反演等多项关键技术,实现了电离层垂测、斜测、漂移等多
21、种模式的复合探测.样机由主控与信号处理计算机、接收机、功率放大器、大功率选频滤波器、发射天线、接收天线等组成,如图 2 所示.接收机PA1PA2主控与信号处理机射频信号门控信号状态监控信号接收与状态监控数据显示终端BD 接收天线接收阵列发射天线 1发射天线 2大功率选频滤波器选频信号发射信号发射信号远程控制与数据传输室内主机室外天线图2样机的总体架构框图Fig.2Overallarchitectureoftheprototypedigisonde样机采用 30m 高的正交 Delta 天线作为发射天线,4 组磁环天线构成 60m 的正三角形接收阵列(具备干涉测量能力,能够测量回波到达角),如图
22、 3 所示.关键的技术方案如下所述.(1)射频直采数字接收技术样机接收机共有 8 个接收通道,每个通道均由带通滤波器、低噪放、可调增益放大器、ADC 组成,实现接收信号的射频直接采样,采样频率为100MHz;采样信号经数字下变频为基带信号,基带采样频率为 150kHz.基带信号经数字相移后通过网络推送到主控与数据处理计算机,对信号进行噪声抑制、脉冲压缩、数字波束合成等处理.第55卷第1期陈志青,等:子午工程二期电离层数字测高仪样机测试与数据质量对比分析39(2)O 波与 X 波分离技术样机射频激励源由 DDS、DAC、滤波器等构成,可在 130MHz 内产生两路相位相差 90的编码脉冲信号.这
23、两路信号经功率放大器放大,并由大功率选频滤波器滤除谐波后馈入两副正交的Delta 天线,向空间辐射圆极化波.在垂测工作模式下,样机先发射一次左旋圆极化波,再发射一次右旋圆极化波.每个接收天线中包含 2 个正交接收通道,一个通道的回波分别移相 90和 270后与另一个通道的回波同相相加,从而实现 O 波与 X 波的分离.(3)宽频带谐波抑制为抑制信号谐波,样机采用大功率选频滤波器.该滤波器采用大功率开关控制多个分段带通滤波器的技术方案,谐波抑制比达到 50dB 以上,带内插损不超过 1.5dB.(4)多波束合成基于正三角形接收阵列,通过多通道回波数字移相实现波束合成,实现空域滤波.在传统技术基础
24、上,引入鲁棒型对角线加载数字波束形成算法,形成七个在探测空域内均匀分布的数字波束,通过比幅度测向确定目标回波方向,进一步提高接收信噪比.(5)自动度量与反演自动度量与反演方法基于数学形态学以及图论等算法,具有运算复杂度低和可实时操作等优点.其主要处理流程为:首先对频高图数据进行去噪、分类与数学形态学处理,再对回波轨迹采用线性插值和最小二乘法拟合,通过多次迭代使得拟合曲线与原始描迹的误差满足预设条件.然后对回波轨迹h(f)N(h)F2进行进一步计算,就可得到轨迹参数(临界频率等),之后通过数值求解关于虚高和电子密度之间关系的积分方程,得到层峰高度以下的电子密度剖面.1.2.2DPS-4D 及其技
25、术指标儋州站的 DPS-4D 采用 36m 高的正交菱形天线作为发射天线,该天线的天顶向辐射增益高于样机发射天线,接收天线与样机类似,为四组磁环天线.设备的其他各项设计指标与样机基本一致(详见表 1).表1样机和 DPS-4D 的设计指标Table1DesignspecificationsoftheprototypedigisondeandDPS-4D样机DPS-4D工作频率0.530MHz0.530MHz带宽34kHz3dB34kHz3dB脉冲编码16位互补码16位互补码峰值功率(单通道)400W150W探测虚高度范围801280km801200km高度分辨率2.5km2.5km多普勒频移测
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