太阳射电流量监测系统的设计与实现

摘要

太阳射电暴是太阳爆发时大气的能量释放现象，太阳微波爆发表现为太阳辐射强度在微波波段(～GHz)的急剧增加，微波段太阳射电暴携带着太阳爆发过程、高能电子加速以及辐射机制等方面的天文物理信息，并且2.8GHz的射电流量在日冕磁场诊断、高能电子加速机制和太阳耀斑爆发物理等研究中有着重要作用。此外，太阳射电辐射流量与高能粒子的特性、等离子的性质等密切相关。同时，太阳射电流量系统监测对研究太阳长期活动规律、太阳射电预报模型以及太阳射电爆发相关的新型观测技术研究具有重要的作用，因此，太阳射电流量监测系统的研究具有重要的科学意义和应用价值。
　　本文通过查阅大量文献以及结合国内外监测系统的研究，确定了特异材料天线、软件无线电、高性能计算机相结合的方案。该方案的系统具有体积小，可扩展性强、可编程的特点。本文设计的太阳射电流量监测系统主要是由特异材料天线、软件无线电板卡、高性能计算机三个部分构成。特异材料天线主要完成对太阳射电信号的接收，软件无线电板卡主要完成数据的采集，然后将板卡采集的数据通过USB3.0上传到计算机，在高性能计算机上完成数据的预处理、自动存储以及实时频谱分析，然后以频谱图、动态频谱图、射电流量曲线图等多种形式显示。同时，为了进一步深入研究，还可以对存储的数据进行离线分析，并将分析的结果以图片方式进行存储，便于后续研究人员查看分析。
　　本文根据项目组的实际需要，对2.8GHz太阳射电流量进行观测，设计了太阳射电流量监测系统。本文完成的主要工作包括:针对特异材料天线进行了建模与仿真，并设计制作了天线实物，完成了对特异材料天线的性能测试，并对其进行了优化。同时结合软件无线电的理论与结构模型，针对连续信号频谱分析中存在的问题进行了研究，对离散频谱校正的算法进行了探讨，并通过仿真对比出了优化的算法。基于软件无线电平台进行了频谱分析系统的开发与实现，并对各个模块进行了设计，主要包括板卡通信、数据的采集、数据存储、实时频谱分析、离散频谱分析、动态频谱图的存储等各模块的设计与优化。最终系统经过现场调试以及连续长时间地运行，取得了较好的观测效果，验证了系统的可行性以及可靠性，可以为太阳射电流量观测提供数据支持。

目录

声明

摘要

1．1 课题的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 课题来源

1．2．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

1．4 本章小结

第二章 太阳射电流量监测系统的整体方案

2．1 太阳射电流量监测系统总体结构

2．2 特异材料天线的介绍

2．3 频谱分析系统的设计

2．4 本章小结

第三章 特异材料天线的设计与实现

3．1 特异材料天线的发展

3．2 特异材料天线的奇异性质

3．3 特异材料天线的设计

3．4 本章小结

第四章 软件无线电基础及其关键技术的研究

4．1 信号采样定理

4．1．1 奈奎斯特采样定理

4．1．2 带通采样定理

4．2 软件无线电的基本结构

4．2．1 窄带中频采样

4．2．2 射频直接带通采样定理

4．2．3 宽带中频带通采样

4．2．4 正交低通采样

4．3 功率谱计算

4．3．1 频谱分析FFT运算

4．3．2 窗函数的选择

4．4 离散频谱分析

4．4．1 比值校正法

4．4．2 离散频谱能量重心校正

4．4．3 离散细化傅里叶变换法

4．4．4 仿真测试

4．5 本章小结

第五章 基于软件无线电频谱分析系统的设计

5．1 实时频谱分析的设计

5．1．1 板卡的通信

5．1．2 数据的采集

5．1．3 数据的存储

5．1．4 实时频谱分析程序

5．2 离线频谱分析

5．2．1 离线频谱分析程序

5．2．2 动态频谱图的保存

5．3 系统界面

5．4 本章小结

第6章 太阳射电监测系统的测试与结果

6．1 软件无线电系统测试

6．2 系统工作频段的测试

6．3 总体测试结果分析

6．4 本章小结

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况