1、Results(in Chinese).Chinese Journal of Space Science,22023,43(4):618-626.D0I:10.11728/cjsjss2023.04.220127011ZHAO Gangquan,WANG Caiyun,LIU Dapeng,LI Lingling.Development of a Low-power lonosonde in Yinchuan and Analysis of Preliminary Test0254-6124/2023/43(4)-0618-09Chin.J.SpaceSci.空间科学学报低功耗电离层垂测仪系统
2、及在银川地区的试验1,2,31,3刘大鹏4赵港权王彩云李玲玲51(中国科学院大学国家空间科学中心北京100190)2(中国科学院大学北京1 0 0 0 4 9)3(中国科学院微波遥感技术重点实验室北京100190)4(国家自然灾害防治研究院北京100085)5（中国科学院空天信息创新研究院北京100094)摘要研制了一台低功耗电离层垂测仪，该系统采用新型Delta天线、可变接收时长和类巴克码脉冲编码设计，安装在宁夏银川地震监测试验场。2 0 2 1 年8 月开展了全天连续观测试验，观测获得的科学数据验证了垂测仪的探测能力和探测效率。试验结果表明：F2层临界频率日变化与银川地区太阳高度角日变化趋
3、势存在一定的正相关性；采用图像处理技术实现了原始频高图中O/X波自动分离，获得两极化波临界频率之差约为0.7MHz，与银川当地0.5倍磁旋频率0.7 MHz基本一致。该电离层垂测仪系统运行稳定，试验数据可靠，对后续星地联合多维度探测和信号处理具有一定的算法参考和数据积累意义。关键词电离层垂测仪，类巴克码，图像处理，O/X波分离，临界频率中图分类号P352Development of a Low-power Ionosonde in Yinchuanand Analysis of Preliminary Test Results1,2,3WANG Caiyun1,3LIU Dapeng4ZHAO
4、 GangquanLI Lingling51(National Space Science Center,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)2(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)3(Key Laboratory of Microwave Sensing,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)4(National Institute of Natural Hazards,Beijing 100085)5(Aerospa
5、ce Information Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094)AbstractA low-power ionosonde is developed,with a pair of new kind Delta antenna and barker-liked coding technique.A varied sampling duration is utilized in the receiving windows to improve the2022-01-26收到原稿，2 0 2 2-0 4-0 8
6、 收到修定稿E-mail:The Author(s)2023.This is an open access article under the CC-BY 4.0 License(https:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/)619赵港权等：低功耗电离层垂测仪系统及在银川地区的试验test efficiency.The ionosonde is built in Yinchuan Earthquake Monitoring Test Site,Ningxia Hui Au-tonomous Region of China.The continuous
7、observation test was carried out for a whole day in August2021.The preliminary test result shows that the diurnal variation of the critical frequency of the F2 lay-er has a positive correlation as of the solar elevation angle in Yinchuan area.An image processing tech-nique is employed for the automa
8、tic separation of the O/X waves in the original ionograms.The differ-ence between the critical frequencies of the two polarized waves is about 0.7 MHz,which is basically con-sistent with the local 0.5 times magnetic spin frequency of Yinchuan,which is 0.7 MHz also.The opera-tion of the ionosonde is
9、stable,and the obtained data are reliable,which provides a valuable algorithmreference and data accumulation significance for the subsequent in-depth processing of satellite-groundjoint multi-dimensional data.KeywordsIonosonde,Barker codes,Image processing,O/X wave separation,Critical frequency0引言短临
10、地震前经常伴随空间电离层异常现象,地震前兆与空间电离层之间具有复杂关联特征2。张衡一号卫星是中国首颗电磁监测卫星，于2 0 1 8 年成功发射，主要用于监测空间电磁场参数与电离层扰动，开展空间物理与地震前兆研究3,对中国及其周边区域展开电离层监测与前兆跟踪。利用垂测仪对电离层垂直探测是电离层研究中历史最悠久，至今仍非常重要的一种地基探测手段,常用型号有美国DPS-4DI6、加拿大CADI7、中国科学院研制的DAS-DIS8 以及武汉大学的WMI系列9等，上述垂测仪已在相关台站投入使用。中国科学院地质与地球物理研究所研制的PDI2垂测仪其探测周期小于1 min,高度分辨率达到2.5km。为深人探
11、究空间电离层异常变化与地震前兆之间的关联，实现空天地电离层星地协同比对观测，本文研制了一台集低功耗、可变接收时长、脉冲编码、探测速度快等特征的电离层垂测仪，安装于宁夏银川地震监测试验场，开展全天候实时电离层探测。该电离层垂测仪具有功率低、接收时长可变等特点1 0,可实现1 3 0 MHz全波段探测。通过对2 0 2 1 年8 月19日全天试验数据的初步处理，绘制出该地区全天的时变频高图，并对比分析频高图日变化与当地太阳高度角日变化之间的相关性1-1。采用图像处理技术完成0/X波的自动分离1 4-1 7,由0/X波临界频率的差值计算出磁旋频率1 8,并与银川当地磁旋频率参考值进行比对验证。该试验
12、结果为后续“张衡一号”星地信号联合处理、深人分析该地区电离层特征参数以及电离层扰动异常与地震前兆的关联特性提供了研究基础。1系统研制1.1系统设计探测周期与高度分辨率是垂测仪的两项重要指标。本文电离层垂测仪采用可变接收延时的方式设置不同工作频率的收发间隔，可大大缩短回波信号的探测周期，提高探测效率。应用相关接收技术，采用大时宽发射脉冲，解决了距离分辨率与作用距离的矛盾，同时降低了峰值发射功率(小于4 0 0 W）。图1 所示为电离层垂测仪系统原理。由图1 可以看出，该垂测仪系统主要包括天线单元、接收单元、发射单元、时序控制单元等主要功能模块。天线单元采用两部相互正交的DELTA天线，交替发射，
13、同时接收。接收单元与相互正交的两部天线连接，能够实现左右旋两极化回波的同步接收；该单元将接收到的电离层回波信号进行放大、混频、滤波、采集、FFT处理，获得原始频高图中回波频率、反射虚高、信号强度等基础信息发射单元主要用于生成脉冲编码调制的射频信号。该单元采用DDS技术，可灵活设置脉冲编码方式，能够生成巴克码、互补码等多种编码码元。两发射通道分别与两部正交天线连接，交替发射线极化波。收发通道之间采用多级隔离开关，总隔离度大于100dB,并采用收发分时工作模式，能够保证系统在长6202023,43(4)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报Antenna systemPoweramplify
14、ingcircuitDigital control systemData processing systemPoweramplifierPolarizationQuadraturedigitalSymbol signalDACPowerswitchupconversiongenerationamplifierComputer controlTimingDDSand ionogramcontrol unitFront-endreceivedcircuitdisplayH-channel frontADCDDCendmodulecircuitDatacacheV-channel frontADCD
15、DCendmodulecircuit图1垂测仪系统原理Fig.1System block diagram of the ionosonde时间全功率工作状态下，接收通道的安全性和可靠性。时序控制单元完成垂测仪系统收发时序控制，生成基带脉冲编码信号，实时采集并传输回波数据至上位机。该垂测仪设计有内校准回路，针对每个探测频率，发射两个内校准脉冲，实时校准两路收发通道的幅相不平衡，以实现探测脉冲的准确幅相测量。表1给出了该垂测仪的主要系统参数。1.2正交DELTA天线如图2 所示，垂测仪天线单元采用正交架设的两部Delta天线，中间为主支撑杆1 个，高3 0 m；四周为辅助支撑杆4 个，高约为6 m
16、，底边跨度约50 m，天线沿南北向和东西向正交架设。天线正常工作发射功率1,则将V通道的数据值乘以(H/V);若H/V1,则将H通道的数据值除以(H/V)。经校准后的回波数据与4 0 位类巴克码作相关处理，累积平均后对幅度取绝对值。由于当地短波通信等背景杂波的干扰，相关处理后波形底噪较高且变化无规律。本文针对探测回波的背景特征，采用中值滤波方法，能够有效抑制背景杂波，其处理结果如图5所示。红色和蓝色分别代表滤波前和滤波后的相关波形，图中明显可见经中值滤波后底噪大幅降低。对滤波后数据设置合理的峰值判别门限，提取有效相关峰值信息图5(b)为经过门限判别后有明显相关峰的回波图形，记录相关峰值的横纵坐
17、标与当前探测频率，作为绘Code pattern and correlation function of the quasi-Barker code1米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米0-1米米米米米米米米米米米米米110510152025303540Digits403020100010 203040506070 80Delay图440位类巴克码与其自相关函数Fig.440o bit Barker-like code and itsautocorrelation function表3三种不同编码方式性能比对Table 3Performance comparison of the t
18、hree coding methods码型PSL/dBLSL/dBNS/dB脉宽/us探测周期高度分辨率/km13位巴克码-11.140.355.5730T4.516位互补码-5.066.02252T3.7540位类巴克码-11.250.97810T1.56222023,43(4)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报制频高图的三要素：探测频率、反射虚高与回波幅度。图6 分别为电离层活跃的日间午后与电离层回波较弱的午夜时分探测到的频高图。图中不同颜色表征信号能量大小。可以明显看出，即使在夜间电离层回波较弱情况下，依然能获得清晰连续的回波描迹，表明该垂测仪回波信噪比高，数据质量好，系统运行
19、稳定可靠。2初步探测试验结果分析处理2021年8 月1 9日在银川试验场进行了全日间电离层回波探测，记录下日出前至日落后全日间频高图的变化形态。初步探测处理结果表明，银川地区电离层F2层O波临界频率与太阳高度角变化呈现出正相关性；由O/X波临界频率得出的磁旋频率与当地经(105)(105)1414Frequency:4.2MHzFrequency:4.2MHzBefore filtering and noise reductionFilteringand noise reduction-Filtering and noise reduction121210108866442200201 000
20、 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 00001000200030004000500060007000Related pointsRelated points图5（a）滤波与门限判别前相关波形对，（b）滤波与门限判别后相关波形对Fig.5Comparison of the correlation waveforms before(a)and after(b)the medianfiltering and the threshold recognitionIonogramEnergyIonogramEnergy5501.05501.05000.95000.915:11
21、:10 LT02:21:00LT4500.84500.84004000.70.73503500.60.63003000.50.52502500.40.42002000.30.31501501000.21000.2500.1500.100002468101224681012Frequency/MHzFrequency/MHz图6日间午后与夜间频高图比对。（a）日间午后频高图，（b）夜间频高图Fig.6Comparison of the ionograms in daytime and nighttime.(a)The daytimeionogram,(b)the nighttime ionogr
22、am623赵港权等：低功耗电离层垂测仪系统及在银川地区的试验验值具有一致性。本文采用形态学等图像处理技术，去除频高图中的杂波和噪声，最大限度保留O/X波描迹并实现二者自动分离与临界频率判读，准确获得了两种波型的描迹，为后续电离层回波数据的多维处理提供了一种新的技术手段。2.1电离图日变监测太阳辐射是电离层主要电离源，电离层变化受其调制，电离层日变化是电离层最基本、最显著的变化特征，不仅是众多电离层现象的出发点，也是电离层经验模型需要呈现的最基本特征。基于电离层特征在不同地理区域存在较大差异，本文讨论结果基于银川地区2 0 2 1 年8 月1 9日电离层探测数据。图7 给出2 0 2 1 年8
23、月1 9日白天的频高图。由于该试验场地尚处于初步建设阶段，供电与网络等基础设施尚未完善，本文仅对8 月1 9日白天采集的试验数据进行分析处理由图7 可见，日间受太阳辐射强，电离层电子浓度较高，反射回波信号较强。白天时段相较于日落后时段，回波描迹特征变化显著，频高图中呈现出明显分层结构。电离层F2层临界频率和峰值高度是电离层两个极为重要的参数，在此主要分析F2层临界频率的日变化趋势与银川地区太阳高度角日变化间的关系本节选用不同时段O波F2层临界频率进行对比表4 为2 0 2 1 年8 月1 9 日不同时刻F2层0 波临界频率值与太阳高度角对比。06:03 LT07:32 LT08:24 LT10
24、:06LT700600500400300200100011:32 LT13:08 LT14:32LT15:30LT700600500400300200100016:24 LT17:15 LT18:35LT19:38LT70060050040030020010000246810 12 140246810 1214024681012.1402468101214Frequency/MHzFrequency/MHzFrequency/MHzFrequency/MHz图72021年8 月1 9日不同时刻记录的银川地区日间频高Fig.7Ionogram in Yinchuan area recorded
25、at different time on 19 August 20216242023,43(4)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报表4日间0 波临界频率与太阳高度角对比Table 4Comparison between the critical frequency of O-wave and the solar altitude angle in daytime时间(LT)10:0611:3112:5613:0814:3215:3016:2417:15O波临界频率/MHz5.76.27.07.26.55.65.25.0太阳高度角/()5061757570604837(a)(b)图8连
26、续分量标记法处理前后对比。（a）膨胀处理后原始频高，（b）筛选出的F层描迹Fig.8Comparison of ionograms before and after continuous component labeling.(a)Ionogram afterexpansion treatment,(b)F-layer trace screened out由表4 可以看出，电离层F2层O波临界频率与太阳高度角呈现相似的变化趋势，两者均在日出后逐渐增加，并于1 3:0 0 LT达到最大值，此后又逐渐减小，表明两者间存在正相关性，可见F2层临界频率具有明显日变化规律2.20/X波分离2.2.1消除
27、杂波及形态学处理原始频高图中存在较多的背景噪声，需要先进行滤噪处理，再做O/X波分离与特征参数提取对滤波后的图像选用最大类间方差法进行阈值分割，通过计算目标与背景像素点灰度值的差异，以方差最大作为判断准则，找出最能反映目标和背景像素之间差异的阈值，像素值低于阈值被计为背景，其余视为目标像素，阈值分割后图像转为二值图像。此方法在移除干扰杂波的同时，会损失少量描迹信息，导致描迹出现细小断裂，对受到较强干扰的频高图尤为严重。为保证描迹的连续性和完整性，对描迹进行形态学处理，使用结构元素对图像进行膨胀处理修补细小断点，对一次膨胀无法修补的断点，进行二次膨胀。利用连通分量标记法快速统计出整个频高图中独立
28、区域的个数及其面积大小，基于电离层频高图的基本特征，选取面积最大的区域为主干F层描迹，滤除其他连通域，提取出F层主体描迹。图8 为连通分量标记法处理后的图像。2.2.20/X波分离最大连通域处理后，再次对图像进行描迹腐蚀、细化，将一定宽度的轮廓逐次去其边缘，变为单像素的骨架图，骨架图中O/X波相互交叉。为精确提取O/X波独立描迹，本文采用单焦点分割连通域的方法：骨架图中两条曲线均由单像素点构成，其交点为一单像素点。定位到交点位置，然后将交点的像素值转化为0（0 为黑色背景，1 为白色回波描迹）。转化前两条相交的曲线为一个连通域，当把交点从1 转化为0 之后，曲线部分就被自动分4 个区域。将图像
29、放置在平面直角坐标系中，拟合出两条曲线的方程并确定交点坐标，该交点为O/X波的交叉部分；由于O/X波之间相差半个旋转频率的平移距离，且O波在左，X波在右，据此将连通域1，3 分支计为O波，连通域2,4 分支计为X波；分离后，将交点像素点重新由0 置1,至此完成O/X波的自动分离。O/X波分离过程如图9所示。625赵港权等：低功耗电离层垂测仪系统及在银川地区的试验(a)(b)(c)图9O/X波分离（a）频高图骨架，（b）O 波描迹，（c）X 波描迹Fig.9O/X wave separation.(a)Ionogram skeleton diagram,(b)O-wave trace,(c)X-
30、wave trace700600500400300200100002.505.007.5010.0012.50Frequnecy/MHz图1 0经插值处理的图像（黄色垂线与轴交点为O波临界频率，绿色垂线与c轴交点为X波临界频率）Fig.10IInterpolated image(the intersection ofyellow vertical line and a axis is the critical frequency ofO wave,and the intersection of green vertical line andaxis is the critical freque
31、ncy of X wave)2.3旋转频率对比验证处理后的频高图中X波描迹在临界频率部分描迹缺失，需对X波根据描迹特征做插值处理，以便读取X波F2层临界频率。由于X波和O波临界频率部分的描迹形态基本平行且高度相似，可根据波描迹对X波进行插值。令a为频率变量，b为高度变量，于为曲线斜率，当于=-时，高度h出现极大值，曲线靠近该点时斜率趋近于无穷大，所以于=点对应6的横坐标即为临界频率。图1 0 为插值后图像，图1 0中两条垂线与横坐标交点依次为O波临界频率与X波临界频率。理论上，O/X波描迹的临界频率之差如下：/a(fx-fo).其中，fx为X波临界频率，fo为O波临界频率，二者相差约为半个磁旋
32、频率插值拟合得到的X波临界频率fx为5.0 MHz，O波临界频率fo约为5.7 MHz，二者相差约0.7 MHz，与银川地区0.5倍磁旋频率参考值0.7 MHz相一致。3结论为了与“张衡一号”卫星进行空间电离层探测同步比对校验，在宁夏银川地震监测试验场研制了一台低功耗、可变接收时长的电离层垂测仪，系统目前运行稳定可靠。对2 0 2 1 年8 月1 9日白天探测试验数据进行了初步分析处理，结果表明：电离层F2层O波临界频率日变化与银川地区太阳高度角日变化趋势一致，存在正相关性；采用图像处理技术实现了频高图O/X波自动分离与判读，并获得两极化波临界频率之差约为0.7 MHz，与银川当地0.5倍磁旋
33、频率参考值0.7 MHz基本一致，试验结果表明该体制电离层垂测仪系统运行正常，试验数据稳定，回波处理方法有效，对后续星地联合多维度数据深人处理具有一定的算法参考和数据积累意义。6262023,43(4)Chin.J.Space Sci.空间科学学报参考文献1 HAO Yongqiang,LI Quanhan,GUO Jianguang,et al.Imaging of the large-scale ionospheric disturbancesin-duced by seismic waves using GPS network in ChinaJ.Chinese Journal of G
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