星载高光谱干涉数据处理算法重配置系统研究
发布时间：2020-09-02 08:48
红外高光谱大气探测仪具有高光谱分辨率、高光通量、多通道、宽光谱覆盖等优点,被广泛应用于气象、环境分析或者大气组分探测,是气象卫星上的重要载荷。随着技术的发展,红外高光谱大气探测仪在数据精度,探测范围等方面的性能也一直在提升,随之带来的问题就是其获取的数据量也越来越大,对星载数传设备带来了压力。降低卫星下行数据率成为了气象卫星研究的一个重要方向。课题基于这种情况,设计了一种星载高光谱干涉数据处理算法重配置系统,旨在对干涉数据进行星上数据处理,从而减少下传的数据量。由于目前星载算法研究还不够成熟,因此该系统还具备了算法可重配置功能,为后续的算法更新提供了技术支持。本文提出了基于Xilinx FPGA,采用基-4FFT算法对高光谱干涉数据进行处理得到光谱图,截取对应波段的光谱图数据,从而减少下传数据率。根据Xilinx FPGA的硬件资源特性,通过充分利用片内的XtremeDSP和Block RAM硬核,设计了一种高速的基-4FFT算法实现结构。本文设计了基于ACTEL反熔丝FPGA和EEPROM的FPGA在轨重配置系统。通过星地链路上传重配置的数据,经过校验后存入到EEPROM内。然后采用ACTEL FPGA进行重配置的时序控制和功能仿真,对需要进行算法修正的FPGA进行重配置操作。研究结果表明,本课题设计的星载高光谱干涉数据处理算法重配置系统是可行的。通过干涉数据进行快速傅立叶变换处理,实现了下传数据量的降低。同时重配置系统也实现了对星载FPGA的算法更新。本课题的研究结果对于高光谱干涉数据处理技术的深入研究和星载FPGA在轨重配置的实现具有重要的参考价值。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V447.1;P413
【部分图文】：
以用来反演获得大气温湿度和水汽的垂直廓线，以及探测直接影响大气气体，例如 CO2, H2O, O3, N2O, CO ,CH4等。SI 的工作波段范围为 3.62-15.5um，由三个波段的探测器共同组成 PC 型 HgCdTe 探测器，探测的范围为 8.26-15.5um；波段 2 使用 Pe 探测器，探测的范围为 5-8.26um；波段 3 使用 PV 型 InSb 探测器围为 3.62-5.0um。探测器的尺寸为 2*2 象元。切趾后的光谱分辨率1，有 8641 个光谱通道。仪器在每 8s 的扫描周期内在星下点两侧进，并对星上黑体和冷空间各进行两次观测，共获得 408 幅干涉图，采样点数为 55000 点，干涉图采用使用 16bits 量化。IASI 的原始 45Mbit/s，经星上数据处理后的下传数据率仅为 1.5Mbit/s，通过星将数据率压缩了将近 30 倍。IASI 星上数据处理的主要内容包括干测/校正、干涉图非线性校正、NZPD 算法、傅立叶变换，第一部相位校正），谱段合并及光谱编码等，IASI 星上数据流程如图 1.1
涉型大气垂直探测仪，按计划将搭载在 Suomi NPP（2011 年）和后续道气象卫星 JPSS-1（2017）和 JPSS-2（2022）上。它可获取高光谱分辐射测量精度的地球-大气红外辐射谱，与气象卫星的微波遥感数据一构建高精度的地球大气温湿度和水汽、压力的垂直廓线。CrIS 的工作波段由三个子波段构成：波段 1 的范围为 650-1095cm-1,光为 0.625cm-1; 波段 2 的范围为 1210-1750cm-1,光谱分辨率为 1.25cm-1;范围为 2155-2550cm-1,光谱分辨率为 2.5cm-1。共有 1305 个光谱通道。 3*3 象元的 PV 型 HgCdTe 探测器。仪器每 8s 在星下点两侧进行 30 次并对黑体和冷空间各进行 2 次观测，共获得 918 幅干涉图，干涉图采6bits 量化。CrIS 的原始数据产生量为 36Mbit/s，经星上数据处理后的量为 1.5Mbit/s，数据率压缩了将近 24 倍。CrIS 星上数据处理的主要降低下传数据量，内容包括：采样干涉图的毛刺检测/校正，滤波&抽理和分组编码。CrIS 星上数据采集和处理流程如图 1.2 所示
始采样时间、视场标示、波段标示、扫描方向及扫描序号等。CrIS 的信号处电路板上有 6 个 ADC 和 6 块 Xilinx Virtex -II QPro FPGA，具备同时处 路干涉图的能力。、IRS 星上数据处理方案[17,18,19]IRS（Infrared Sounder）是欧洲目前正在研制的地球同步轨道气象卫星TG（Meteosat Third Generation）上搭载的红外探测仪，主要用于提供大气水和温度水平、垂直的立体分布和瞬时分布（四维结构）信息，预计于 2020射。IRS 能够同时采集两个波段的红外高光谱信息，分别是 700-1210cm-1的长红外和 1600-2175cm-1的中波红外，光谱分辨率均为 0.625cm-1。对于任意一波段范围，IRS 采用了 160*160 象元的探测器，每 10s 的扫描周期将采集0000 幅干涉图。它能够在一小时内凝视和扫描整个地球圆盘，15 分钟内重复描欧洲地区。
本文编号：2810390
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V447.1;P413
【部分图文】：
以用来反演获得大气温湿度和水汽的垂直廓线，以及探测直接影响大气气体，例如 CO2, H2O, O3, N2O, CO ,CH4等。SI 的工作波段范围为 3.62-15.5um，由三个波段的探测器共同组成 PC 型 HgCdTe 探测器，探测的范围为 8.26-15.5um；波段 2 使用 Pe 探测器，探测的范围为 5-8.26um；波段 3 使用 PV 型 InSb 探测器围为 3.62-5.0um。探测器的尺寸为 2*2 象元。切趾后的光谱分辨率1，有 8641 个光谱通道。仪器在每 8s 的扫描周期内在星下点两侧进，并对星上黑体和冷空间各进行两次观测，共获得 408 幅干涉图，采样点数为 55000 点，干涉图采用使用 16bits 量化。IASI 的原始 45Mbit/s，经星上数据处理后的下传数据率仅为 1.5Mbit/s，通过星将数据率压缩了将近 30 倍。IASI 星上数据处理的主要内容包括干测/校正、干涉图非线性校正、NZPD 算法、傅立叶变换，第一部相位校正），谱段合并及光谱编码等，IASI 星上数据流程如图 1.1
涉型大气垂直探测仪，按计划将搭载在 Suomi NPP（2011 年）和后续道气象卫星 JPSS-1（2017）和 JPSS-2（2022）上。它可获取高光谱分辐射测量精度的地球-大气红外辐射谱，与气象卫星的微波遥感数据一构建高精度的地球大气温湿度和水汽、压力的垂直廓线。CrIS 的工作波段由三个子波段构成：波段 1 的范围为 650-1095cm-1,光为 0.625cm-1; 波段 2 的范围为 1210-1750cm-1,光谱分辨率为 1.25cm-1;范围为 2155-2550cm-1,光谱分辨率为 2.5cm-1。共有 1305 个光谱通道。 3*3 象元的 PV 型 HgCdTe 探测器。仪器每 8s 在星下点两侧进行 30 次并对黑体和冷空间各进行 2 次观测，共获得 918 幅干涉图，干涉图采6bits 量化。CrIS 的原始数据产生量为 36Mbit/s，经星上数据处理后的量为 1.5Mbit/s，数据率压缩了将近 24 倍。CrIS 星上数据处理的主要降低下传数据量，内容包括：采样干涉图的毛刺检测/校正，滤波&抽理和分组编码。CrIS 星上数据采集和处理流程如图 1.2 所示
始采样时间、视场标示、波段标示、扫描方向及扫描序号等。CrIS 的信号处电路板上有 6 个 ADC 和 6 块 Xilinx Virtex -II QPro FPGA，具备同时处 路干涉图的能力。、IRS 星上数据处理方案[17,18,19]IRS（Infrared Sounder）是欧洲目前正在研制的地球同步轨道气象卫星TG（Meteosat Third Generation）上搭载的红外探测仪，主要用于提供大气水和温度水平、垂直的立体分布和瞬时分布（四维结构）信息，预计于 2020射。IRS 能够同时采集两个波段的红外高光谱信息，分别是 700-1210cm-1的长红外和 1600-2175cm-1的中波红外，光谱分辨率均为 0.625cm-1。对于任意一波段范围，IRS 采用了 160*160 象元的探测器，每 10s 的扫描周期将采集0000 幅干涉图。它能够在一小时内凝视和扫描整个地球圆盘，15 分钟内重复描欧洲地区。
【参考文献】
相关期刊论文 前6条
1 徐勇;李珂;冯国平;陶利民;庞波;;一种FPGA在轨重构配置数据压缩算法[J];航天器工程;2015年06期
2 纪斌;;Xilinx FPGA上电时序分析与设计[J];电讯技术;2012年04期
3 王文华;韩双丽;张宇;李国宁;李新娥;任建岳;;航天应用FPGA配置可靠性研究[J];空间科学学报;2011年01期
4 闫蕾;王强;房亮;顾红静;李楠;;可编程逻辑器件在空间电子学设备中的应用[J];空间科学学报;2009年01期
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本文编号：2810390
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