K波段微波辐射谱仪的设计与实现

发布时间：2017-10-18 12:04

  本文关键词：K波段微波辐射谱仪的设计与实现

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【摘要】：水汽是地球大气的关键组成成分,由于分子内部转动能级的跃迁发射或吸收辐射,在微波及远红外区域会产生旋转谱线。微波辐射计通过对水汽最大吸收频点及其附近频率的辐射测量可以确定大气水汽沿垂直高度的剖面分布。在微波段到亚毫米波段具有谱分析技术的微波辐射计用于探测和测量广泛存在于行星、彗星大气层中的分子谱线。这种具有频谱分析能力的微波辐射计可提供几十MHz到1-2GHz连续频谱观测范围,并将连续的宽频谱分为上千个频率探测通道用于观测气态分子云在不同频率通道对应辐射亮温。微波辐射数字谱分析仪是具有精细频谱分析能力的微波辐射计,是近年来被动微波遥感器的技术发展方向之一。本文主要内容如下:(1)简述了微波辐射传递理论及气体吸收发射原理,以及基于快速傅里叶变换算法(FFT)的K波段微波辐射数字谱分析系统的实现原理及设计指标。K波段微波辐射数字谱仪主要由微波辐射正交接收机和后端数字谱分析系统组成。正交接收机主要用于接收大气水汽在最大吸收频点22.235GHz处的微波辐射信号并进行频率下变换,并将输入信号分成I/Q两路正交信号,在满足奈奎斯特采样定理的前提下后效降低了谱分析后端为实现高速数据处理的时序要求;阐述了数字谱分析后端硬件平台XILINX公司7系列下带有4DSP高速模拟子卡的Kintex-7-FPGA评估开发套件,给出相关硬件参数及资源情况;(2)完成了基于FPGA技术的后端数字谱分析系统的技术实现,详细阐述了FPGA模块设计的硬件层次结构及设计过程,主要包括数据传输及校正单元、SPI串行总线单元、MMCM时钟单元、定点数-浮点数转换单元、快速傅里叶变换及功率谱计算单元、DPRAM非相干累计单元。详细阐述各个单元的实现方案及程序流程,采用ISE14.7开发软件进行编程实现,并使用Modelsim仿真工具和Chipscope在线逻辑分析仪实现各个模块的功能仿真并验证后端数字谱分析系统各个单元的时序正确性;给出了典型波形信号的频谱分析结果,验证了系统的谱分析功能;(3)搭建完成K波段地基辐射计数字谱分析系统,通过试验获取了大气水汽在22.235GHz及其附近频率吸收谱线,频率分辨率15k Hz,可实时连续观测。利用FPGA丰富的硬件资源实现了低功耗和小型化设计,具有方便移植、可扩展的特点,为今后的系统升级奠定基础,也为其它频段的微波、毫米波及亚毫米波谱分析系统的设计与研制提供了技术参考。
【关键词】：微波辐射计 谱分析 现场可编程逻辑门阵列 ADC 流水线型FFT
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH765.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 1 绪论14-19
• 1.1 论文研究背景及意义14
• 1.2 国内外发展现状14-17
• 1.3 论文主要研究内容17-19
• 2 K波段大气水汽微波探测谱分析仪实现原理及设计方案19-35
• 2.1 微波辐射传递理论19-21
• 2.1.1 气体的吸收和发射19-20
• 2.1.2 微波辐射传递理论20-21
• 2.2 基于FFT算法的数字微波辐射谱分析系统实现原理21-30
• 2.2.1 微波辐射谱分析仪与传统微波辐射计原理对照21-24
• 2.2.2 应用数字技术实现微波辐射频谱分析系统24-30
• 2.3 系统实现方案及设计指标30-31
• 2.4 K波段接收机结构及设计指标31-33
• 本章小结33-35
• 3 FPGA硬件开发平台及软件程序实现35-75
• 3.1 FPGA硬件开发平台35-42
• 3.1.1 可编程逻辑器件概述35-36
• 3.1.2 KC705 开发板36-38
• 3.1.34DSP-FMC150 高速模拟子卡38-39
• 3.1.4 FPGA的配置39-42
• 3.2 微波辐射谱分析系统软件实现42-74
• 3.2.1 数据传输及校正单元42-48
• 3.2.2 SPI串行总线模块48-53
• 3.2.3 MMCM时钟模块53-56
• 3.2.4 浮点数-定点数转换单元56-61
• 3.2.5 快速傅里叶变换及功率谱计算单元61-68
• 3.2.6 DPRAM非相干累积单元68-72
• 3.2.7 在线逻辑分析仪(Chip Scope~TM Pro)72-74
• 本章小结74-75
• 4 K波段微波辐射谱分析系统仿真结果及实验验证75-102
• 4.1 Modelsim功能仿真验证75-86
• 4.2 数字谱分析系统实验验证结果86-101
• 4.2.1 双通道I/Q自校正输出结果86-88
• 4.2.2 微波辐射数字谱分析系统观测典型信号功率谱输出88-97
• 4.2.3 K波段微波辐射数字谱仪对大气水汽吸收峰的探测97-101
• 本章小结101-102
• 5 论文总结及展望102-104
• 参考文献104-107
• 附录 1107-108
• 致谢108

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 谢衍;陈敬熊;苗俊刚;;K波段微波高光谱辐射计的晴空定标方法[J];北京航空航天大学学报;2014年04期

2 张江漫;张升伟;;K波段谱分析技术的微波辐射计方案设计[J];太赫兹科学与电子信息学报;2013年05期

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本文编号：1054809