微波临边探测仪系统研究与设计

临边探测论文 痕量气体论文 双偏置卡塞格伦天线论文
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大气临边探测是一种新的大气观测方式,它既具有天底观测方式的高空间覆盖范围,同时又具有掩星观测方式的高垂直分辨率,可有效监测臭氧、气溶胶浓度、温室效应示踪气体以及在对流层和平流层臭氧化学中具有重要影响的痕量气体(如:NO2、BrO、OClO和SO2)的全球分布。但是,我国在轨运行的各类卫星还没有装载能得到各种大气成分的临边探测仪,国内相关的研究刚刚起步。本文总结并阐述当代微波临边探测仪采用的技术手段及其发展情况,设计一个高对流层/低平流层大气毫米波辐射临边探测仪(MLS-UTLS),对118GHz天线性能进行了仿真,完成了基于FPGA技术的数字自相关谱仪的方案设计,为后续研究提供技术先导。在基础理论方面,本文总结并阐述了大气辐射传输一般理论和分子光谱学,介绍了目前临边探测频带选取时一般程序。分析了临边观测方式的几何、观测状态对系统垂直分辨率影响、系统灵敏度、观测高度的上限与下限,并且介绍了国外已发展的临边探测仪系统设计原理和方法,总结比较了各自的性能指标。分析总结了当代微波临边探测仪常使用的系统设计技术,包括准光学理论、频率选择表面的原理和设计方法、极化分离线栅应用考虑、卡塞格伦天线结构分析、馈源设计要求、混频器发展、超导混频器常配合使用的制冷机技术发展以及频谱仪的发展。参考已有系统,继承以往优秀的经验,设计了一个高对流层/低平流层大气毫米波辐射临边探测仪(MLS -UTLS),用以探测对流层顶部和平流层底部的大气辐射吸收亮温,反演出大气温度、气压、湿度及微量和痕量气体成分的密度及其分布变化。本文提出了MLS-UTLS系统的探测频带、对应的探测目标、系统灵敏度、垂直分辨率、频率分辨率等系统指标。利用TICAR公司的Grasp 9软件分析了卡式天线在118GHz的天线方向图和天线辐射效率。采用准光学器件极化栅网、频率选择表面分离从转换镜传输过来的辐射信号。折叠式法布里-珀罗环形谐振功分器实现辐射信号与本振信号的混合,并将他们馈入至辐射计的混频器中。常温肖特基二极管混频器实现辐射信号下变频。设计了二次中频转换模块,包括一级中频信号的频带分离模块、二级本振信号产生模块和二次下变频器,给出了详细的设计框图。经过二次变频后,将信号变换到中心频率统一为900MHz、带宽为1300MHz的中频信号。后端频谱分析仪由滤波器组结构和数字自相关频谱仪相结合的方式实现,采用四种不同带宽、不同分辨率的滤波器组实现频谱分析,以覆盖不同海拔范围。并且以表格的形式给出了各滤波器组对应的探测成分和其实现方式。最后对本振产生子系统选择、系统的数控单元功能要求和系统定标流程进行了相关考虑。最后介绍了利用数字自相关原理进行频谱检测的方法,采用FPGA技术设计了一个自相关频谱仪,分析带宽12.5MHz,频谱分辨率为0.15MHz。自相关频谱仪由ADC器件、核心控制单元、乒乓RAM数据缓冲模块、累加器模块、FFT模块和求模运算模块组成。使用流水线和乒乓RAM分时存储、读取数据,能够连续不断地对A/D采集数据进行缓冲处理,并有效地减少系统运算时间。给出了自相关频谱仪的结构框图,详细介绍了各模块的实现,并在ISE环境中对各模块进行功能仿真。
摘要第5-7页
Abstract第7-8页
第一章 绪论第14-26页
    1.1 引言第14-15页
    1.2 大气成分遥感探测的应用及发展需求第15-19页
        1.2.1 大气遥感探测的应用第15-17页
        1.2.2 大气成分探测仪的发展需求第17-19页
    1.3 大气成分探测技术发展第19-23页
        1.3.1 掩星观测第19-21页
        1.3.2 临边观测第21-23页
    1.4 论文主要研究内容第23-26页
第二章 微波临边探测基本理论第26-50页
    2.1 引言第26页
    2.2 大气辐射理论第26-27页
    2.3 分子光谱学第27-31页
    2.4 星载微波临边探测仪原理与特点第31-33页
    2.6 波束宽度和波束效率第33-34页
    2.7 临边探测垂直高度的上限与下限第34-35页
    2.8 多普勒频移对谱线观测的影响第35-36页
    2.9 天线扫描第36页
    2.10 灵敏度考虑第36-37页
    2.11 微波临边探测仪系统介绍第37-48页
        2.11.1 UARS-MLS第37-41页
        2.11.2 EOS-MLS第41-43页
        2.11.3 Odin毫米亚毫米波临边辐射探测仪第43-44页
        2.11.4 JEM/SIMILES-国际空间站日本实验舱超导亚毫米波临边辐射仪第44-46页
        2.11.5 CAMEO-SMLS 扫描式微波临边探测仪第46-48页
        2.11.6 几种主要系统性能总结第48页
    2.12 本章小结第48-50页
第三章 微波临边探测仪关键部件分析第50-72页
    3.1 准光学技术介绍第50页
    3.2 高斯波束理论及圆锥波纹喇叭的高斯波束展开第50-52页
    3.3 卡塞格伦天线几何结构与分析第52-57页
    3.4 频率选择表面第57-60页
        3.4.1 单元尺寸及形状第59-60页
        3.4.2 栅格布阵方式及单元间距第60页
    3.5 线栅第60-61页
    3.6 混频器第61-64页
    3.7 空间制冷技术和制冷机发展第64-65页
    3.8 射电频谱仪第65-70页
    3.9 本章小结第70-72页
第四章 大气毫米波辐射临边探测仪(MLS-UTLS)方案设计第72-92页
    4.1 引言第72页
    4.2 MLS-UTLS的系统组成第72-73页
    4.3 天线扫描方式、性能要求和尺寸第73-75页
    4.4 双偏置卡塞格伦天线设计第75-78页
    4.5 系统定标支路与频率分离系统第78-79页
    4.6 辐射计模块分析第79-82页
    4.7 中频转换模块第82-85页
        4.7.1 频带分离器第83-84页
        4.7.2 本振第84页
        4.7.3 下变频器第84-85页
    4.8 频谱分析仪第85-89页
    4.9 本振子系统和控制与数据处理子系统(C&DH)第89页
    4.10 MLS定标的一些考虑第89-91页
    4.11 本章小结第91-92页
第五章 基于FPGA的数字自相关频谱仪设计第92-108页
    5.1 引言第92页
    5.2 数字自相关检测频谱的理论第92-93页
    5.3 FPGA的原理结构和设计方法第93-94页
    5.4 数字自相关频谱仪的结构与设计第94-98页
        5.4.1 ADC变换部分第96-97页
        5.4.2 FPGA内部信号处理过程第97-98页
    5.5 各模块的实现第98-104页
        5.5.1 时钟信号第98-99页
        5.5.2 双口RAM模块第99-100页
        5.5.3 乘积累加器模块第100-101页
        5.5.4 FFT IPcore第101-103页
        5.5.5 取模模块第103-104页
        5.5.6 累加器第104页
    5.6 DACS核心控制模块第104-106页
    5.7 FPGA配置和通信第106-107页
    5.8 本章小结第107-108页
第六章 论文总结与展望第108-112页
    6.1 论文总结第108-109页
    6.2 展望第109-112页
参考文献第112-120页
攻读硕士学位期间所取得的科研成果第120-122页
致谢第122页
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