地基多通道数字相关型全极化微波辐射计数据采集及量化误差分析

发布时间：2020-07-24 04:51

【摘要】：微波辐射计是被动式遥感仪器,根据天线接收到的目标辐射能量信息,通过定标方程得到辐射计输出电压与所观测目标的亮温的关系,进而研究被观测目标的辐射特性。全极化微波辐射计是一种新型的微波遥感器,它在传统微波辐射计的基础上,进一步提取观测目标的全极化信息,实现了人们在微波遥感中对电磁波频率、相位、幅度和极化全部信息的利用,对于表面粗糙度各向异性特性目标的探测与识别具有很大的优势,因此广泛应用于海洋风场的测量和研究。辐射计的数据采集与处理是微波辐射计的重要系统组成部分。数据采集与处理模块对辐射计接收到的目标的全极化信息进行采集和数字化处理,并进行存储、管理和显示。因此辐射计数据采集和处理方法的研究为精确测量目标辐射信息提供了有利的帮助。本文主要针对空间中心研制的多通道数字相关型全极化辐射计数据采集工作进行研究,在现有的数字相关器具备的数据采集功能的基础上,完善了检波电路数据采集方法,然后对全极化辐射计中的数字相关器进行了量化误差和灵敏度的分析。主要包括以下三个方面的内容:(1)设计完成基于FPGA的多通道数据采集卡的设计,实现检波电平的信息采集。包括硬件设计和编程实现,完成数据采集系统的搭建和调试,采集实验数据并保存。(2)开发基于Qt的上位机软件。实现包含采集并保存数字相关器和检波电路输出的数据、输出四个斯托克斯分量的图像,以及图像的存储、读取、缩放、灰度调整等功能。(3)完成全极化微波辐射计中数字相关器的定标,分析8bit量化情况下的灵敏度以及模拟相关系数和数字相关系数的误差量。本课题研究内容对全极化微波辐射计系统的数据采集和处理提供了一定的经验和技术基础。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP73
【图文】：

辐射计,数字相关

DvT、hT、3T 10.7、37 数字相关A全功vT、hT、3T、 4T10.7、18.7模拟相关vT、hT、3T 37、89XvT、hT、3T、 4T6.92、10.7-SvT、hT、3T、 4T18.7、37/ vT、hT、3T 89、340-A、PSR-CX 辐射计均采用模拟相关的方式实现 Stokes 参数的提射计是利用乘法器和累加器组成最初的数字相关器，采用 1.6bit 量样率实现 Stokes 参数的提取，证明了数字相关测量技术的可靠性。计结构如图 1.1 所示[8]。

数字相关,全极化,辐射计

数字相关型全极化辐射计是采用数字相关器将垂直和水平通道的模拟信号转化为数字信号，再实现其自相关和互相关，完成所有 Stokes 参量测量的直接相关型极化辐射计。本章首先简述了数字相关型全极化微波辐射计的基本原理，再详细介绍了 GPSR 辐射计的基本结构和指标参数，包括接收机、天线和数字相关器三个部分。最后介绍了 GPSR 辐射计定标原理。2.1 数字相关型全极化微波辐射计原理全极化微波辐射计根据接收机的类型主要分为全功率型和迪克型极化辐计[11]。迪克型辐射计前端拥有微波开关、参考负载和反馈控制回路，降低了增益波动的影响，但增加了结构和系统的复杂度。全功率辐射计结构简单，易于集成，其灵敏度很大程度取决于系统的增益稳定度和噪声系数。数字相关型全极化辐射计采用的是全功率型结构，其基本组成如图 2.1 所示。

数字相关器

由此带来的辐射计的体积、功耗、重量、系统复杂性问题，使得多天元系统的模拟复相关器实现变得十分困难。这就使基于超大规模集成电路技FPGA）的数字复相关器变得十分必要。FPGA 对数字相关算法进行设计，了数字相关器的设计制作，能够灵活的满足各种要求的系统设计，有较高的精度和速度。在 GPSR 辐射计系统中，数字相关器是全极化微波辐射计的核心模块之一功能是用来提取观测目标的极化信息。数字相关器是指通过采样将模拟信号化后，运用数字电路实现信号间的自相关和互相关计算的大规模逻辑器件。数字相关器发展的关键技术是多通道高速采样和信号处理。高速数字信号采际是一种数字编码的过程，目前所有公开的高速 ADC 都不足以直接对 5G上宽带信号进行数字化，因此需要在 ADC 前用超外差接收机进行下变频。相关器结构如图 2.2 所示，主要包括高速采样、FPGA 和外围电路。量化后个极化通道的 IQ 信号在数字相关器中完成高速自相关和互相关计算[17]。

【参考文献】