用于深空探测的Chirp变换频谱仪关键技术研究
发布时间：2022-01-19 14:24
深空探测通过探测行星及小天体的表面和附近大气的星际物质谱线,对宇宙的起源、演变过程进行研究,成为了世界各国关注的焦点。在深空探测的众多目标物质中,探测水和一氧化碳可以帮助了解小行星的基本物质构成,寻找生命存在的基本条件,同时探测水的两种同位素比,也可以确定成岩、成矿物的来源;探测氨气对于研究太阳星云中的氮激发态有非常重要的意义。这些星际物质很多都处于太赫兹波段,所以利用太赫兹频谱仪进行深空探测至关重要。超精细谱线观测的重要性由于一些重要探针谱线的频率间隔非常小而逐渐凸显。研发大带宽、高分辨率太赫兹频谱仪进行精细谱探测成为了必要。在星载太赫兹频谱仪的后端频谱分析技术实现中,采用声表面波滤波器的Chirp变换频谱仪由于其所具有的抗辐射、稳定性高、功耗低等特点,适合于深空探测中应用。本文设计的频谱仪后端系统用于Chirp变换频谱分析技术的研究。根据Chirp变换原理,输入信号与展宽线产生的Chirp信号相乘,然后与压缩线产生的Chirp信号卷积,即可得到其能量谱。而后分别对两种运算形式M（s）-C（l）和M（l）-C（s）进行分析、比较和选取,并根据选取形式对频谱仪的系统总体结构进行设计。实...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太赫兹频谱分析仪的系统结构
第1章绪论7了望远镜的体积并提供了非常低的旁瓣。极化线栅双工器实现毫米波和亚毫米波的分离，之后两个匹配的反射镜分别将毫米波和亚毫米波波束引导至两个接收机[50]。切换反射镜内置定标黑体目标564GHz接收机前端中频处理器Chirp变换频谱仪数据处理与通信卫星平台数据处理器配电单元卫星电源天线及扫描机构190GHz接收机前端准光学线栅双工器mmsmmmm连续通带smm连续通带图1.2MIRO系统框图Figure1.2BlockDiagramofMIROSystem亚毫米波前端的主要部件有馈电喇叭、混频器、低噪声放大器、谐波混频器、倍频器和本地振荡器。该亚毫米波外差前端与接口框图如图1.3所示。其中混频器是一种二次谐波混频器，它使用频率为信号频率一半(282GHz)的LO频率，将信号频率降至5.5~16.5GHz的频率范围。混频器采用平面背对背GaAs肖特基二极管，利用一个锁相Gunn振荡器提供LO信号，之后5.5~16.5GHz频段的信号用低噪声放大器放大并馈送至中频处理器(intermediatefrequencyprocessor,IFP）。图1.3MIRO亚毫米波外差接收机前端与接口框图Figure1.3FrontEndandInterfaceofSubmillimeterWaveHeterodyneReceiveronMIROIFP处理从毫米和亚毫米前端向下转换的中频信号。处理器产生两个连续通道，分别来自毫米波和亚毫米波接收机，同时对亚毫米波信号进行变频，以便在
用于深空探测的Chirp变换频谱仪关键技术研究8频谱仪中进行进一步处理。此外，IFP还对来自亚毫米波接收机的5.5~16.5GHz频段的信号进行额外的处理，通过9个混频器和3个本地振荡器将谱线频带匹配至Chirp变换频谱仪的工作频带。该Chirp变换频谱仪的结构框图如图1.4。它具有180MHz的带宽，44kHz的频率分辨率，22us的色散时间和4096个通道，对H2O、CO、CH3OH和几种水的同位素的含量进行了探测，并利用特征谱线的频移特性，对彗星表面物质的挥发速度进行了研究。图1.4MIRO后端Chirp变换频谱仪的结构Figure1.4StructureofChirpTransformSpectrometeronMIROBack-end2010年，美国航空航天局（NASA）和德国宇航中心（DLR）联合开发的平温层红外天文台(SOFIA)完成了其第一次夜间观测飞行任务。其中由德国航空航天中心研制的太赫兹波段德国天文学接收机仪器(GREAT)是SOFIA天文台首次科学飞行的两种仪器之一，其系统框图如图1.5所示。它是一个模块化的高分辨率外差频谱仪，具有多种混频器/本振组合，拥有3个频率通道，覆盖了1~5THz(300-60μm)频谱域中最重要的光谱区域。这3个通道分别为1.4~1.9THz、2.4~2.7THz和4.7THz。低频段1.4~1.9THz是为了探测电离氮和电离碳的谱线结构；中频段2.4~2.7THz是为了探测HD的112μm的跃迁；高频段4.7THz是为了探测中性氧原子的63μm的精细谱线[40]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高速DDS芯片AD9914的信号产生方法[J]. 赵腊,祁全,张俊. 雷达与对抗. 2015(04)
[2]“新视野”是深空探测的成功范例[J]. 安慧. 太空探索. 2015(09)
[3]基于AD9914的线性调频连续波模块设计[J]. 陈天乐,程翔. 电子制作. 2015(05)
[4]声光频谱仪频率分辨率判断方法研究[J]. 何其锐,李立萍,周鹰,高椿明. 光电子.激光. 2014(10)
[5]线性调频信号激励超声换能器的方法研究[J]. 崔付俊,刘世博,何立功,曹霞,郭建中. 声学技术. 2014(05)
[6]Chirp信号的时频分析特征比较[J]. 周静雷,王帆. 电子设计工程. 2013(02)
[7]DDS杂散抑制技术研究与仿真[J]. 张海涛,苗圃,李珍. 计算机仿真. 2011(02)
[8]中国科协论坛聚焦深空探测的未来发展[J]. 科技传播. 2010(14)
[9]基于多相滤波器的宽带射电频谱仪设计[J]. 陈林杰,颜毅华,刘飞,王威. 天文研究与技术. 2010(02)
[10]用于射电天文数字频谱仪的新进展[J]. 林镇辉,姚骑均,杨戟. 天文学进展. 2008(02)
硕士论文
[1]北斗导航终端射频模块自动测试系统研究[D]. 史宝玲.河北科技大学 2017
[2]基于DDS的超宽带高性能微波频率源研究[D]. 沈亚飞.东南大学 2017
[3]基于DDS的C波段频率源研究[D]. 白舒.长春理工大学 2016
[4]微波临边探测仪系统研究与设计[D]. 赵月凤.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2011
[5]太赫兹时域光谱技术在农业和材料中的应用基础研究[D]. 张婷婷.电子科技大学 2009
[6]基于DSP的直接数字频率合成（DDS）技术研究[D]. 汤继星.南京理工大学 2008
[7]电视中频声表面波滤波器的设计及其二阶效应补偿方法的研究[D]. 徐劲波.浙江工业大学 2008
[8]基于DDS技术的可编程任意波形发生器[D]. 潘登.武汉大学 2004
本文编号：3597011
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太赫兹频谱分析仪的系统结构
第1章绪论7了望远镜的体积并提供了非常低的旁瓣。极化线栅双工器实现毫米波和亚毫米波的分离，之后两个匹配的反射镜分别将毫米波和亚毫米波波束引导至两个接收机[50]。切换反射镜内置定标黑体目标564GHz接收机前端中频处理器Chirp变换频谱仪数据处理与通信卫星平台数据处理器配电单元卫星电源天线及扫描机构190GHz接收机前端准光学线栅双工器mmsmmmm连续通带smm连续通带图1.2MIRO系统框图Figure1.2BlockDiagramofMIROSystem亚毫米波前端的主要部件有馈电喇叭、混频器、低噪声放大器、谐波混频器、倍频器和本地振荡器。该亚毫米波外差前端与接口框图如图1.3所示。其中混频器是一种二次谐波混频器，它使用频率为信号频率一半(282GHz)的LO频率，将信号频率降至5.5~16.5GHz的频率范围。混频器采用平面背对背GaAs肖特基二极管，利用一个锁相Gunn振荡器提供LO信号，之后5.5~16.5GHz频段的信号用低噪声放大器放大并馈送至中频处理器(intermediatefrequencyprocessor,IFP）。图1.3MIRO亚毫米波外差接收机前端与接口框图Figure1.3FrontEndandInterfaceofSubmillimeterWaveHeterodyneReceiveronMIROIFP处理从毫米和亚毫米前端向下转换的中频信号。处理器产生两个连续通道，分别来自毫米波和亚毫米波接收机，同时对亚毫米波信号进行变频，以便在
用于深空探测的Chirp变换频谱仪关键技术研究8频谱仪中进行进一步处理。此外，IFP还对来自亚毫米波接收机的5.5~16.5GHz频段的信号进行额外的处理，通过9个混频器和3个本地振荡器将谱线频带匹配至Chirp变换频谱仪的工作频带。该Chirp变换频谱仪的结构框图如图1.4。它具有180MHz的带宽，44kHz的频率分辨率，22us的色散时间和4096个通道，对H2O、CO、CH3OH和几种水的同位素的含量进行了探测，并利用特征谱线的频移特性，对彗星表面物质的挥发速度进行了研究。图1.4MIRO后端Chirp变换频谱仪的结构Figure1.4StructureofChirpTransformSpectrometeronMIROBack-end2010年，美国航空航天局（NASA）和德国宇航中心（DLR）联合开发的平温层红外天文台(SOFIA)完成了其第一次夜间观测飞行任务。其中由德国航空航天中心研制的太赫兹波段德国天文学接收机仪器(GREAT)是SOFIA天文台首次科学飞行的两种仪器之一，其系统框图如图1.5所示。它是一个模块化的高分辨率外差频谱仪，具有多种混频器/本振组合，拥有3个频率通道，覆盖了1~5THz(300-60μm)频谱域中最重要的光谱区域。这3个通道分别为1.4~1.9THz、2.4~2.7THz和4.7THz。低频段1.4~1.9THz是为了探测电离氮和电离碳的谱线结构；中频段2.4~2.7THz是为了探测HD的112μm的跃迁；高频段4.7THz是为了探测中性氧原子的63μm的精细谱线[40]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高速DDS芯片AD9914的信号产生方法[J]. 赵腊,祁全,张俊. 雷达与对抗. 2015(04)
[2]“新视野”是深空探测的成功范例[J]. 安慧. 太空探索. 2015(09)
[3]基于AD9914的线性调频连续波模块设计[J]. 陈天乐,程翔. 电子制作. 2015(05)
[4]声光频谱仪频率分辨率判断方法研究[J]. 何其锐,李立萍,周鹰,高椿明. 光电子.激光. 2014(10)
[5]线性调频信号激励超声换能器的方法研究[J]. 崔付俊,刘世博,何立功,曹霞,郭建中. 声学技术. 2014(05)
[6]Chirp信号的时频分析特征比较[J]. 周静雷,王帆. 电子设计工程. 2013(02)
[7]DDS杂散抑制技术研究与仿真[J]. 张海涛,苗圃,李珍. 计算机仿真. 2011(02)
[8]中国科协论坛聚焦深空探测的未来发展[J]. 科技传播. 2010(14)
[9]基于多相滤波器的宽带射电频谱仪设计[J]. 陈林杰,颜毅华,刘飞,王威. 天文研究与技术. 2010(02)
[10]用于射电天文数字频谱仪的新进展[J]. 林镇辉,姚骑均,杨戟. 天文学进展. 2008(02)
硕士论文
[1]北斗导航终端射频模块自动测试系统研究[D]. 史宝玲.河北科技大学 2017
[2]基于DDS的超宽带高性能微波频率源研究[D]. 沈亚飞.东南大学 2017
[3]基于DDS的C波段频率源研究[D]. 白舒.长春理工大学 2016
[4]微波临边探测仪系统研究与设计[D]. 赵月凤.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2011
[5]太赫兹时域光谱技术在农业和材料中的应用基础研究[D]. 张婷婷.电子科技大学 2009
[6]基于DSP的直接数字频率合成（DDS）技术研究[D]. 汤继星.南京理工大学 2008
[7]电视中频声表面波滤波器的设计及其二阶效应补偿方法的研究[D]. 徐劲波.浙江工业大学 2008
[8]基于DDS技术的可编程任意波形发生器[D]. 潘登.武汉大学 2004
本文编号：3597011
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