紅外高光譜大氣探測儀具有高光譜分辨率、高光通量、多通道、寬光譜覆蓋等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于氣象、環(huán)境分析或者大氣組分探測,是氣象衛(wèi)星上的重要載荷。隨著技術(shù)的發(fā)展,紅外高光譜大氣探測儀在數(shù)據(jù)精度,探測范圍等方面的性能也一直在提升,隨之帶來的問題就是其獲取的數(shù)據(jù)量也越來越大,對星載數(shù)傳設(shè)備帶來了壓力。降低衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)率成為了氣象衛(wèi)星研究的一個(gè)重要方向。課題基于這種情況,設(shè)計(jì)了一種星載高光譜干涉數(shù)據(jù)處理算法重配置系統(tǒng),旨在對干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行星上數(shù)據(jù)處理,從而減少下傳的數(shù)據(jù)量。由于目前星載算法研究還不夠成熟,因此該系統(tǒng)還具備了算法可重配置功能,為后續(xù)的算法更新提供了技術(shù)支持。本文提出了基于Xilinx FPGA,采用基-4FFT算法對高光譜干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到光譜圖,截取對應(yīng)波段的光譜圖數(shù)據(jù),從而減少下傳數(shù)據(jù)率。根據(jù)Xilinx FPGA的硬件資源特性,通過充分利用片內(nèi)的XtremeDSP和Block RAM硬核,設(shè)計(jì)了一種高速的基-4FFT算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)了基于ACTEL反熔絲FPGA和EEPROM的FPGA在軌重配置系統(tǒng)。通過星地鏈路上傳重配置的數(shù)據(jù),經(jīng)過校驗(yàn)后存入到EEPROM內(nèi)。然后采用ACTEL FPGA進(jìn)行重配置的時(shí)序控制和功能仿真,對需要進(jìn)行算法修正的FPGA進(jìn)行重配置操作。研究結(jié)果表明,本課題設(shè)計(jì)的星載高光譜干涉數(shù)據(jù)處理算法重配置系統(tǒng)是可行的。通過干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換處理,實(shí)現(xiàn)了下傳數(shù)據(jù)量的降低。同時(shí)重配置系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了對星載FPGA的算法更新。本課題的研究結(jié)果對于高光譜干涉數(shù)據(jù)處理技術(shù)的深入研究和星載FPGA在軌重配置的實(shí)現(xiàn)具有重要的參考價(jià)值。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V447.1;P413
【部分圖文】：

以用來反演獲得大氣溫濕度和水汽的垂直廓線，以及探測直接影響大氣氣體，例如 CO2, H2O, O3, N2O, CO ,CH4等。SI 的工作波段范圍為 3.62-15.5um，由三個(gè)波段的探測器共同組成 PC 型 HgCdTe 探測器，探測的范圍為 8.26-15.5um；波段 2 使用 Pe 探測器，探測的范圍為 5-8.26um；波段 3 使用 PV 型 InSb 探測器圍為 3.62-5.0um。探測器的尺寸為 2*2 象元。切趾后的光譜分辨率1，有 8641 個(gè)光譜通道。儀器在每 8s 的掃描周期內(nèi)在星下點(diǎn)兩側(cè)進(jìn)，并對星上黑體和冷空間各進(jìn)行兩次觀測，共獲得 408 幅干涉圖，采樣點(diǎn)數(shù)為 55000 點(diǎn)，干涉圖采用使用 16bits 量化。IASI 的原始 45Mbit/s，經(jīng)星上數(shù)據(jù)處理后的下傳數(shù)據(jù)率僅為 1.5Mbit/s，通過星將數(shù)據(jù)率壓縮了將近 30 倍。IASI 星上數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容包括干測/校正、干涉圖非線性校正、NZPD 算法、傅立葉變換，第一部相位校正），譜段合并及光譜編碼等，IASI 星上數(shù)據(jù)流程如圖 1.1

涉型大氣垂直探測儀，按計(jì)劃將搭載在 Suomi NPP（2011 年）和后續(xù)道氣象衛(wèi)星 JPSS-1（2017）和 JPSS-2（2022）上。它可獲取高光譜分輻射測量精度的地球-大氣紅外輻射譜，與氣象衛(wèi)星的微波遙感數(shù)據(jù)一構(gòu)建高精度的地球大氣溫濕度和水汽、壓力的垂直廓線。CrIS 的工作波段由三個(gè)子波段構(gòu)成：波段 1 的范圍為 650-1095cm-1,光為 0.625cm-1; 波段 2 的范圍為 1210-1750cm-1,光譜分辨率為 1.25cm-1;范圍為 2155-2550cm-1,光譜分辨率為 2.5cm-1。共有 1305 個(gè)光譜通道。 3*3 象元的 PV 型 HgCdTe 探測器。儀器每 8s 在星下點(diǎn)兩側(cè)進(jìn)行 30 次并對黑體和冷空間各進(jìn)行 2 次觀測，共獲得 918 幅干涉圖，干涉圖采6bits 量化。CrIS 的原始數(shù)據(jù)產(chǎn)生量為 36Mbit/s，經(jīng)星上數(shù)據(jù)處理后的量為 1.5Mbit/s，數(shù)據(jù)率壓縮了將近 24 倍。CrIS 星上數(shù)據(jù)處理的主要降低下傳數(shù)據(jù)量，內(nèi)容包括：采樣干涉圖的毛刺檢測/校正，濾波&抽理和分組編碼。CrIS 星上數(shù)據(jù)采集和處理流程如圖 1.2 所示

始采樣時(shí)間、視場標(biāo)示、波段標(biāo)示、掃描方向及掃描序號等。CrIS 的信號處電路板上有 6 個(gè) ADC 和 6 塊 Xilinx Virtex -II QPro FPGA，具備同時(shí)處 路干涉圖的能力。、IRS 星上數(shù)據(jù)處理方案[17,18,19]IRS（Infrared Sounder）是歐洲目前正在研制的地球同步軌道氣象衛(wèi)星TG（Meteosat Third Generation）上搭載的紅外探測儀，主要用于提供大氣水和溫度水平、垂直的立體分布和瞬時(shí)分布（四維結(jié)構(gòu)）信息，預(yù)計(jì)于 2020射。IRS 能夠同時(shí)采集兩個(gè)波段的紅外高光譜信息，分別是 700-1210cm-1的長紅外和 1600-2175cm-1的中波紅外，光譜分辨率均為 0.625cm-1。對于任意一波段范圍，IRS 采用了 160*160 象元的探測器，每 10s 的掃描周期將采集0000 幅干涉圖。它能夠在一小時(shí)內(nèi)凝視和掃描整個(gè)地球圓盤，15 分鐘內(nèi)重復(fù)描歐洲地區(qū)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號：2810390