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电离层是指距离地表60公里以上的空间环境,是人类活动最多的区域。随着人类科学技术的进步,越来越多的科研活动受到电离层的影响。因此电离层探测一直是科研工作的重点领域,尤其是中高纬度地区的电离层。从上世纪80年代中期开始,国际上探测中高纬度电离层的高频雷达不断发展壮大,并成立了国际超级双子极光雷达观测网,即Super Dual Auroral Radar Network,简称SuperDARN。SuperDARN雷达网由于其广泛的地域覆盖以及高精度的连续测量逐渐成为研究极区电离层活动重要的观测工具。我国中国高纬度地区电离层探测活动起步比较晚,于2010年建成南极中山站高频雷达加入到国际SuperDARN雷达网中,并取得了一些列的重要突破。为了满足我国境内中高纬度电离层的探测需求,在子午工程二期的支持下,中国科学院国家空间科学中心自主研发一部灵敏性双极光高频雷达,采用全数字相控阵技术实现雷达波束在视场范围内的任意扫描,突破传统SuperDARN雷达固定波束、以及固定波束间隔的限制。俯仰角信息的获知可以确定探测目标的高度方位,这是探测电离层不规则体和对流的必要参数。在世界范围内,俯仰角信息的获取是电离层探测工作中一项重要并且较为困难的研究重点。国际SuperDARN雷达采用成熟的单基线测量算法和其它模型配合来获得仰角信息,却总是伴随着2π混叠效应。新一代TIGER-3雷达的研制成功,引入了多基线的思想来消除2π混叠效应,从而获得准确的仰角信息,但却带来了天线阵占地面积大、增益减小等方面的弊端,同时也不适用于传统的高频雷达。而AgileDARN雷达全数字相控阵技术为平衡各方面因素且能够准确获知仰角信息提供了可能。本文的目的就是研究设计基于AgileDARN雷达系统的仰角测量系统:研究分析仰角测量算法原理和搭建系统FPGA软件平台,为后续的AgileDARN雷达项目工作奠定基础。本文完成的主要工作如下:(1)调研国内外SuperDARN雷达发展状况,分析国际上最为常用的仰角测量技术:单基线测量技术的算法原理和双辅阵测量技术的算法原理。同时对算法的影响因素、精度、优劣进行详细的分析和研究。(2)对AgileDARN雷达系统进行深入的了解和分析,尤其掌握数字化相控阵技术。基于AgileDARN雷达系统设计仰角测量算法,并作出测量算法的精度分析,最后给出算法模型。(3)基于AgileDARN雷达仰角测量算法的设计需求,详细设计和实现雷达数字系统的FPGA软件平台,并通ISim和Modelsim仿真软件进行了各模块的逻辑功能验证。同时在此平台上开发多基线数据获取的FPGA软件程序,获得封装后的完整软件平台。(4)在MATLAB中搭建算法模型,验证算法的有效性,并编写“高频雷达仰角测量仪”软件以备使用;本文通过雷达测试系统对FPGA软件平台进行功能验证,生成雷达发射时序并将采集回波上传到上位机。雷达数字系统的整个工作链路得到验证,为后续的工作奠定了坚实的基础。