發(fā)布時間：2017-10-18 12:04

  本文關(guān)鍵詞：K波段微波輻射譜儀的設(shè)計與實現(xiàn)

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【摘要】：水汽是地球大氣的關(guān)鍵組成成分,由于分子內(nèi)部轉(zhuǎn)動能級的躍遷發(fā)射或吸收輻射,在微波及遠紅外區(qū)域會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)譜線。微波輻射計通過對水汽最大吸收頻點及其附近頻率的輻射測量可以確定大氣水汽沿垂直高度的剖面分布。在微波段到亞毫米波段具有譜分析技術(shù)的微波輻射計用于探測和測量廣泛存在于行星、彗星大氣層中的分子譜線。這種具有頻譜分析能力的微波輻射計可提供幾十MHz到1-2GHz連續(xù)頻譜觀測范圍,并將連續(xù)的寬頻譜分為上千個頻率探測通道用于觀測氣態(tài)分子云在不同頻率通道對應輻射亮溫。微波輻射數(shù)字譜分析儀是具有精細頻譜分析能力的微波輻射計,是近年來被動微波遙感器的技術(shù)發(fā)展方向之一。本文主要內(nèi)容如下:(1)簡述了微波輻射傳遞理論及氣體吸收發(fā)射原理,以及基于快速傅里葉變換算法(FFT)的K波段微波輻射數(shù)字譜分析系統(tǒng)的實現(xiàn)原理及設(shè)計指標。K波段微波輻射數(shù)字譜儀主要由微波輻射正交接收機和后端數(shù)字譜分析系統(tǒng)組成。正交接收機主要用于接收大氣水汽在最大吸收頻點22.235GHz處的微波輻射信號并進行頻率下變換,并將輸入信號分成I/Q兩路正交信號,在滿足奈奎斯特采樣定理的前提下后效降低了譜分析后端為實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理的時序要求;闡述了數(shù)字譜分析后端硬件平臺XILINX公司7系列下帶有4DSP高速模擬子卡的Kintex-7-FPGA評估開發(fā)套件,給出相關(guān)硬件參數(shù)及資源情況;(2)完成了基于FPGA技術(shù)的后端數(shù)字譜分析系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn),詳細闡述了FPGA模塊設(shè)計的硬件層次結(jié)構(gòu)及設(shè)計過程,主要包括數(shù)據(jù)傳輸及校正單元、SPI串行總線單元、MMCM時鐘單元、定點數(shù)-浮點數(shù)轉(zhuǎn)換單元、快速傅里葉變換及功率譜計算單元、DPRAM非相干累計單元。詳細闡述各個單元的實現(xiàn)方案及程序流程,采用ISE14.7開發(fā)軟件進行編程實現(xiàn),并使用Modelsim仿真工具和Chipscope在線邏輯分析儀實現(xiàn)各個模塊的功能仿真并驗證后端數(shù)字譜分析系統(tǒng)各個單元的時序正確性;給出了典型波形信號的頻譜分析結(jié)果,驗證了系統(tǒng)的譜分析功能;(3)搭建完成K波段地基輻射計數(shù)字譜分析系統(tǒng),通過試驗獲取了大氣水汽在22.235GHz及其附近頻率吸收譜線,頻率分辨率15k Hz,可實時連續(xù)觀測。利用FPGA豐富的硬件資源實現(xiàn)了低功耗和小型化設(shè)計,具有方便移植、可擴展的特點,為今后的系統(tǒng)升級奠定基礎(chǔ),也為其它頻段的微波、毫米波及亞毫米波譜分析系統(tǒng)的設(shè)計與研制提供了技術(shù)參考。
【關(guān)鍵詞】：微波輻射計 譜分析 現(xiàn)場可編程邏輯門陣列 ADC 流水線型FFT
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(空間科學與應用研究中心)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH765.2
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 1 緒論14-19
• 1.1 論文研究背景及意義14
• 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀14-17
• 1.3 論文主要研究內(nèi)容17-19
• 2 K波段大氣水汽微波探測譜分析儀實現(xiàn)原理及設(shè)計方案19-35
• 2.1 微波輻射傳遞理論19-21
• 2.1.1 氣體的吸收和發(fā)射19-20
• 2.1.2 微波輻射傳遞理論20-21
• 2.2 基于FFT算法的數(shù)字微波輻射譜分析系統(tǒng)實現(xiàn)原理21-30
• 2.2.1 微波輻射譜分析儀與傳統(tǒng)微波輻射計原理對照21-24
• 2.2.2 應用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)微波輻射頻譜分析系統(tǒng)24-30
• 2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)方案及設(shè)計指標30-31
• 2.4 K波段接收機結(jié)構(gòu)及設(shè)計指標31-33
• 本章小結(jié)33-35
• 3 FPGA硬件開發(fā)平臺及軟件程序?qū)崿F(xiàn)35-75
• 3.1 FPGA硬件開發(fā)平臺35-42
• 3.1.1 可編程邏輯器件概述35-36
• 3.1.2 KC705 開發(fā)板36-38
• 3.1.34DSP-FMC150 高速模擬子卡38-39
• 3.1.4 FPGA的配置39-42
• 3.2 微波輻射譜分析系統(tǒng)軟件實現(xiàn)42-74
• 3.2.1 數(shù)據(jù)傳輸及校正單元42-48
• 3.2.2 SPI串行總線模塊48-53
• 3.2.3 MMCM時鐘模塊53-56
• 3.2.4 浮點數(shù)-定點數(shù)轉(zhuǎn)換單元56-61
• 3.2.5 快速傅里葉變換及功率譜計算單元61-68
• 3.2.6 DPRAM非相干累積單元68-72
• 3.2.7 在線邏輯分析儀(Chip Scope~TM Pro)72-74
• 本章小結(jié)74-75
• 4 K波段微波輻射譜分析系統(tǒng)仿真結(jié)果及實驗驗證75-102
• 4.1 Modelsim功能仿真驗證75-86
• 4.2 數(shù)字譜分析系統(tǒng)實驗驗證結(jié)果86-101
• 4.2.1 雙通道I/Q自校正輸出結(jié)果86-88
• 4.2.2 微波輻射數(shù)字譜分析系統(tǒng)觀測典型信號功率譜輸出88-97
• 4.2.3 K波段微波輻射數(shù)字譜儀對大氣水汽吸收峰的探測97-101
• 本章小結(jié)101-102
• 5 論文總結(jié)及展望102-104
• 參考文獻104-107
• 附錄 1107-108
• 致謝108

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 謝衍;陳敬熊;苗俊剛;;K波段微波高光譜輻射計的晴空定標方法[J];北京航空航天大學學報;2014年04期

2 張江漫;張升偉;;K波段譜分析技術(shù)的微波輻射計方案設(shè)計[J];太赫茲科學與電子信息學報;2013年05期

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本文編號：1054809