短波电离层探测系统软件设计

李　宁 ，赵正予

(1.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047；2.武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430079)



短波电离层探测系统软件设计

李宁1，赵正予2

(1.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047；2.武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430079)

提出了短波电离层探测系统软件的一种设计方案。该软件采用面向对象的方法设计开发，其主要功能包括：硬件控制、远程控制和数据处理与显示。该软件结构明晰，代码复用率高，运行稳定可靠，能够控制系统进行电离层垂直探测、斜向探测和斜向返回探测，满足单站探测和多站联合探测的需求。

电离层探测；高频雷达；多线程；Socket；Matcom

电离层物理学是一门以探测为基础的实验科学，对电离层的探测研究在该学科中一直占有重要的地位。电离层探测的目的是为了获取有关电离层的物理参量，如电离层的电子含量、电子密度、电子温度、离子温度等，以及它们的时空变化规律，包括周日变化、季节变化、太阳周期变化的影响及全球分布、区域分布、垂直剖面和漂移运动等信息。通过对探测结果的研究，揭示电离层的形成过程、形态模式、电力输运、热能输运以及热平衡等物理和动力学机制。早在20世纪初，人们就开始利用垂直向上发射短波的技术来探测电离层。目前，短波电离层探测技术主要有垂直探测、斜向探测和斜向返回探测三种。垂直探测系统有美国的Digisonde[1]、Dynasonde[2]和加拿大的CADI[3]，斜向探测系统有英国的ROSE[4]，斜向返回探测系统有SuperDARN[5]组织的各种雷达。

本文所介绍的电离层探测系统采用相位编码调制脉冲压缩体制，集成了电离层垂直探测、斜向探测和斜向返回探测三种功能，可以全方位探测周围广阔区域内的电离层。该系统主要分为四个部分：发射通道、接收通道、时间频率同步模块和上位机。其中，发射通道由发射天线、功放模块、频率源、DDS模块和FPGA时序控制模块组成；接收通道由接收天线、隔离保护开关、接收机、A/D转换模块及数字下变频器等组成。WissView是部署在系统上位机的软件，用来控制系统进行电离层探测。本文从硬件控制、远程控制和数据处理与显示三个方面详细介绍WissView开发过程中所用的关键技术和设计方法，最后给出探测结果，并作简要分析。

1　硬件控制

系统硬件结构如图1所示，WissView硬件控制部分的工作是通过上位机来对发射机、波形发生器、接收机、时间频率同步模块和数据采集模块五个部分进行控制以达到探测的目的。除了发射机是通过串口来控制以外，其它模块都是通过USB总线来控制的。

图1　系统硬件结构

WissView的硬件控制功能包括：⑴ 发射机。系统在执行电离层探测任务时，发射机工作在高频段，它用来对输入信号进行调制放大，发射功率可以达到几百甚至几千瓦。上位机是通过串口来设置发射机的频率、增益等工作参数。除此之外，上位机还要通过串口来实时查询发射机的工作状态以达到监控的目的；⑵ 波形发生器。上位机是通过USB总线把命令参数送到FPGA，然后FPGA控制波形发生器产生相应的调幅调相波形，给波形发生器输入的指令包括载波频率、伪随机序列、脉冲宽度、脉冲重复周期以及每个频点的采样次数等参数；⑶ 接收机。上位机是通过USB总线把命令参数送到FPGA，然后FPGA完成对接收机的控制，主要包括接收机前端保护开关的控制、中频电路增益的设置、接收机带宽的设置、接收机频率的设置等。除此之外，上位机还要实时查询接收机的工作状态以达到监控的目的；⑷ 时间频率同步模块。系统工作时，时间频率同步模块主要负责各个站点设备的时间及频率的同步。探测时，上位机把探测开始时间写给USB接口芯片，USB接口芯片负责比较GPS时间与设定时间，一旦两者一致便通过秒脉冲的上升沿触发系统进行探测。另外，上位机还要通过USB总线来从时间频率同步模块获取时间和经纬度等信息；⑸ 数据采集模块。系统每次探测完成时，FPGA就会把基带数据送到USB接口芯片，然后上位机要及时通过USB总线从USB接口芯片可访问的地址存储区中读取探测数据，并将该数据即时的保存到上位机硬盘的指定位置。

为了避免在探测的时候出现界面“假死”现象，WissView采用多线程技术来控制系统的各个硬件模块有序的工作，从而完成电离层探测。其中，界面线程用于人机交互，探测线程用于数据采集和存储，硬件控制流程如图2所示。

图2　硬件控制流程

2　远程控制

Socket是互联网上不同应用程序之间进行双向通信的端点，是连接应用程序和网络驱动程序的桥梁[6-7]，Socket之间的连接过程包括三个步骤：(1)服务器监听。服务器监听是指服务器并不定位具体的客户端，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态；(2)客户端请求。客户端请求是由客户端提出的连接服务器的请求。客户端必须首先指出服务器的地址和端口号，然后再向服务器提出连接请求；(3)连接确认。连接确认是当服务器监听到客户端的连接请求时，它就响应客户端的请求，建立一个新的线程，把服务器的信息发送给客户端，一旦客户端确认了此连接，连接即可建立。而服务器继续处于监听状态，继续接收其他客户端的连接请求。

WissView采用Socket编程技术来实现远程控制功能，其目的是实现在无人值守的情况下进行多站联合探测任务。多站探测时，主站把探测参数发给服务器，然后由服务器把探测参数转发给各客户端，最后各客户端根据探测参数来自动执行探测任务，远程控制流程如图3所示。

3　数据处理与显示

Matrix是MathTools公司开发的一个面向工程技术和科学计算的C++矩阵函数库[8]。这个C++库提供了一个双精度矩阵类Mm，还提供了包括线性代数、多项式代数、信号处理、文件I/O和绘图等方面的超过600个经过严格测试的库函数。另外，Matcom是Mideva的内核，它是一个基于Matrix的一个M文件与CPP文件的转换程序。Mideva可以把用MATLAB开发的函数文件直接翻译成C代码。因此，使用Matrix矩阵函数库可以很方便快速地把用MATLAB开发并测试过的算法应用到用Visual C++开发的应用程序当中，这很大程度上降低了算法开发的难度，缩短了算法开发的时间。

WissView数据处理是把采集到的原始IQ数据通过脉冲压缩、相干积累、恒虚警检测等算法的处理之后获得高质量电离图的过程。除此之外，WissView还要把经过数据处理之后获得的电离图显示到用户界面。本文采用Visual C++调用Matrix矩阵函数库的方式来实现WissView的数据处理和显示功能。WissView避免了像其他方法(比如调用Matlab Engine)那样需要安装Matlab编译环境才能运行的问题，它是一个可以独立运行的应用程序。

图3　远程控制流程

4　探测结果

2011年4月20日上午9点，系统进行了一次电离层垂直探测试验。这次试验的探测波形是占空比为5%的16位互补码，探测的起始频率2 MHz，频率步进50 kHz，终止频率20 MHz，每频点采样16次,探测结果如图4(a)所示。从图中我们能清晰地看到100～480 km的Es层、F1层和F2层一跳回波，500～800 km的F层二跳回波，一跳回波O波和X波描迹清晰，Es层临界频率3.3 MHz，F1层临界频率4.9 MHz，F2层临界频率8.75 MHz。

(a)垂直探测

2010年8月26日上午10点30分，系统进行了一次电离层斜向探测试验。这次试验的发射站在武汉，接收站在深圳，探测波形是长度为255，占空比为20%的m序列，探测的起始频率6 MHz，频率步进200 kHz，终止频率15 MHz，每频点采样64次，探测结果如图4(b)所示。从图中可以清晰地看到900～1 400 km 的Es层、F1层和F2层一跳回波，1 400～2 000 km的F层二跳回波，一跳F2层回波O波和X波描迹清晰，F2层最大可用频率(MUF)约为10.5 MHz。

(b)斜向探测

(c)斜向返回探测

2010年8月26日下午7点30分，系统进行了一次电离层斜向返回探测试验。探测波形是长度为255，占空比为20%的m序列，探测的起始频率6 MHz，频率步进200 kHz，终止频率30 MHz，每频点采样64次，探测结果如图4(c)所示。斜向返回探测回波从600 km延伸至3 000 km，回波前沿清晰可见。另外，还能看到从接收天线旁瓣进入系统的F层多跳垂直探测回波，F层临界频率8.2MHz。

5　结论

本文从硬件控制、数据处理和显示和远程控制几个方面详细介绍了WissView软件的设计方法。在控制流程设计方面，WissView采用多线程技术避免了采集数据的时候界面出现“假死”现象；在远程控制方面，采用Socket编程方法使得系统具备了多站联合探测的能力；在数据处理与显示方面，应用了Matrix矩阵函数库，有效弥补了VC++在科学计算方面函数库不够丰富以及数据可视化不方便的缺点，大大降低了开发难度，提高了开发效率。该软件采用面向对象方法设计，结构明晰，可升级性强，代码复用率高。实际探测表明该软件运行稳定可靠，能够为电离层研究提供大量高质量的电离图数据。

[1]Handzo R,Forbes J M,Reinisch Bodo.Ionospheric electron density response to solar flares as viewed by Digisondes [J].Space Weather,2014,12(4):205-216.

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[3]Mori D,Koustov A V，Jayachandran P T,et al.Resolute Bay CADI ionosonde drifts,PolarDARN HF velocities,and cross polar cap potential [J].Radio Science,2012,47(3):60-73.

[4]Arthur P C,Cannon P S.ROSE:a high performance oblique ionosonde providing new opportunities for ionospheric research [J].Annals of Geophysics,1994,37(2):135-144.

[5]Spaleta J,Bristow W A,Klein J.Temporal and Spatial Resolved SuperDARN Line of Sight Velocity Measurements Corrected for Plasma Index of Refraction Using Bayesian Inference [J].Journal of Geophysical Research,2015,120(4):3207-3225.

[6]武凤翔，裴洪文.一种网络服务器的研究与实现[J].河南城建学院学报，2009，18(3)：57-60.

[7]张宏，殷秀叶.一种基于蚁群算法的对等网络中间件设计与实现[J].河南城建学院学报，2012，21(6)：59-62.

[8]罗朝明，胡顺超，邓日晓，等.Visual C++与Matlab混合编程方法的对比分析研究[J].现代电子技术，2013，36(20)：47-50.

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

国家自然科学基金(41327002)

李宁(1986—)，男，湖北仙桃人，博士，工程师。

1674-7046(2016)03-0075-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.014

TN958

A