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测量电离层高频反射回波的多普勒频移是研究电离层扰动和不规则结构的重要方法之一。本文围绕这一方向开展工作,研制了新一代的高频多普勒接收机,对由中国科学院国家授时中心短波授时台发出的10MHz BPM信号进行不间断连续观测,并对所记录的数据进行实时分析处理,实现了高频多普勒接收机对电离层扰动和不规则体现象的实验探测和结果分析。首先,本文系统地介绍了新研制的高频多普勒接收机的硬件设计。这套系统的硬件部分由具有高稳定度的HF程控接收机、高速采集卡、PC机以及天线组成。本系统具备了短波通信接收机的所有功能,同时还具有频率稳定度高、接收频带窄等特点。此外,本系统还采用了PCIe总线的高速采集系统直接对二次混频输出的中频信号进行采样,不仅降低了系统复杂度,而且大大提升了系统精度,能够获得更高精度的电离层多普勒频移信息。其次,本文介绍了高频多普勒接收机的软件设计。系统的软件分为分析处理显示系统和实时数据采集系统两套,在特定情况下需要脱机分析时常会使用分析处理显示系统,对电离层进行常规观测时则使用实时数据采集系统。实时数据采集系统上位机由DAQmx、LabVIEW和MATLAB联合编程,将DAQmx出色的数据采集能力、LabVIEW出色的界面编程能力和MATLAB出色的数学运算能力结合起来,系统中将DAQmx采集到的数据交给MATLAB处理并实时以散点图的方式显示在LabVIEW的前面板上。程序具有灵活的配置,且能将电离层多普勒频移以文本和图片两种方式保存下来,可以用于对电离层长时间监测记录。再次,将新研制的高频多普勒接收机系统安装在武汉地区,对BPM信号进行连续监测,通过将实测的原始信号在时域和频域进行分析处理运算,结果完全符合BPM信号特性,表明高频多普勒接收机的硬件和软件设计合理,系统工作稳定可靠,研制是成功的。通过数据积累,并结合安装在同地点的电离层数字测高仪PDI-2的垂测数据进行比对研究,发现了一些电离层扰动的典型事件,包括电离层日变化特性、中小尺度TID、大尺度TID和电离层不规则体现象等。最后,利用高频多普勒接收机的观测数据,较为系统地研究了电离层不规则体现象。推导了电离层不规则体运动的多普勒表达式,演算了电离层不规则体反射模型,仿真出该模型下电离层反射回波的多普勒谱特性,结合高频多普勒接收机的实测数据,表明两者一致性较好,经Es层反射的回波信号的多普勒谱在白天通常呈光滑平直曲线,夜间不规则体的回波信号的多普勒谱则多呈现斜描迹或直描迹状,这种谱结构反映了Es或扩展F层中的电子云团的漂移运动。总之,本文系统地介绍了新研制的高频多普勒接收机的软硬件设计,采用了PCIe总线技术的高频采集系统,降低了系统复杂度,提升了系统精度,利用LabVIEW、MATLAB和DAQmx联合编程使得上位机功能更加完善。利用实测数据对武汉地区上空电离层扰动现象进行了个例研究,分析了电离层不规则体的运动情况。实验结果表明:新研制的高频多普勒接收机运行稳定可靠,能够用于电离层空间环境的长期连续监测,对电离层扰动和电离层不规则体的观测研究具有重要意义。