一種大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)的：天線與饋電模塊、接收機(jī)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、功率譜計(jì)算模塊、積分平均模塊和主控計(jì)算機(jī)；所述天線和饋電模塊用于探測并接收22.235GHz±0.25GHz微波段大氣水汽吸收線譜及窗口頻率的輻射亮溫信號；所述接收機(jī)模塊用于將探測信號分成兩路正交模擬信號；所述數(shù)據(jù)采集模塊用于將兩路正交模擬信號轉(zhuǎn)化為兩路正交數(shù)字信號；所述功率譜計(jì)算模塊用于對兩路正交數(shù)字信號進(jìn)行快速傅里葉變換，并將兩路正交信號幅度譜平方后相加產(chǎn)生功率譜；所述積分平均模塊用于對連續(xù)產(chǎn)生的單幀幅度譜實(shí)現(xiàn)積分平均；所述主控計(jì)算機(jī)用于根據(jù)幅度譜值反演出大氣濕度、水汽廓線。
【專利說明】
一種大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及氣象探測領(lǐng)域，特別涉及一種大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]地球大氣層的各種氣體中，只有氧及水汽是微波譜中呈現(xiàn)出明顯的吸收帶的成分。水汽由分子內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)能級的躍迀發(fā)射或吸收輻射，在微波及遠(yuǎn)紅外譜中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)譜線。通過在最大吸收處及其附近頻率的輻射測量可以確定大氣的水汽和溫度從平流層低端至整個(gè)中氣層沿高度的剖面分布。
[0003]大氣溫度和濕度廓線作為重要的氣象參數(shù)，對于觀測大氣的變化并理解其變化的過程具有重要意義。相對于無線電探空儀(雷達(dá))體積龐大、成本較高，需要復(fù)雜的安裝及運(yùn)行條件等弊端，地基微波/毫米波輻射計(jì)具有維護(hù)成本低、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。近年來，作為一種可靠的大氣溫度、濕度廓線的探測技術(shù)得到快速的發(fā)展，逐漸成為一種提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)的手段。地基微波輻射計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于對云中液態(tài)水的靈敏度較高，對于大氣成分吸收譜線的探測具有非常好的觀測效果，通過反演算法可以從探測到的頻譜確定探測氣體的垂直分布圖。在陸地上空，被動(dòng)微波遙感是目前最準(zhǔn)確、成本最低的垂直液態(tài)水通量測量手段。
[0004]傳統(tǒng)微波輻射計(jì)通常為一個(gè)窄帶系統(tǒng)，觀測地物在頻率通道內(nèi)的平均亮溫。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，為解決寬頻譜范圍內(nèi)觀測不同頻譜通道內(nèi)對應(yīng)亮溫的需求，產(chǎn)生了具有精細(xì)頻譜分析能力的地基微波輻射頻譜分析儀。這種具備精細(xì)頻譜分析能力的新型微波輻射計(jì)也是近年來被動(dòng)遙感器的技術(shù)發(fā)展方向之一。在微波波段，具有譜分析能力的微波輻射計(jì)其主要應(yīng)用是利用微波段的水汽及氧氣吸收譜線進(jìn)行大氣溫度、濕度廓線的遙感測量。早期用于此類探測目的的微波輻射計(jì)通常采用濾波組形式的后端，實(shí)現(xiàn)若干個(gè)相鄰頻率通道的觀測，體積龐大且不易實(shí)現(xiàn)大數(shù)量通道的探測，真正意義上的連續(xù)譜線測量能力受到了極大限制。
[0005]近年來，隨著數(shù)字電子技術(shù)的高速發(fā)展及太赫茲技術(shù)研究的深入開展，利用太赫茲譜段豐富的分子吸收譜線，在對地觀測領(lǐng)域進(jìn)行大氣痕量氣體探測，以及在空間探測領(lǐng)域進(jìn)行宇宙行星際分子云成分探測的需求越來越強(qiáng)烈，這些新的應(yīng)用有力地促進(jìn)了具備譜分析能力的微波輻射計(jì)發(fā)展。美國NASA的EOS-Aura衛(wèi)星所搭載的臨邊輻射計(jì)(MLS)，就是一種采用譜分析技術(shù)的微波輻射計(jì)。目前國際上已利用純數(shù)字手段，F(xiàn)PGA技術(shù)和Acqiris信號分析儀，實(shí)現(xiàn)了具備連續(xù)譜線測量能力的光譜儀。
[0006]目前，微波輻射頻譜分析系統(tǒng)的接收機(jī)前端采用單路輸出方式將大氣水汽探測數(shù)據(jù)送入后端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采樣率大于或等于數(shù)據(jù)帶寬兩倍時(shí)，采樣數(shù)據(jù)的結(jié)果才能完整保留原始信號中的信息。在寬頻帶譜分析工作方式下需要實(shí)現(xiàn)IGHz帶寬觀測范圍，那么頻譜分析儀需至少達(dá)到2GHz采樣率的要求，這對于后端對高速采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理要求更高，在硬件資源及時(shí)序正確性等方面難以實(shí)現(xiàn)；也使譜分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換處理時(shí)難以提高變換點(diǎn)數(shù)，不利于提高系統(tǒng)靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服目前微波輻射頻譜分析系統(tǒng)存在的上述缺陷，提供了一種大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)的接收機(jī)模塊采用兩級本振輸出兩路正交信號，降低了數(shù)據(jù)采集模塊的采樣率；整個(gè)系統(tǒng)具有成本低，性能高、功耗低、靈敏度高的特點(diǎn)。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)的:天線與饋電模塊、接收機(jī)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、功率譜計(jì)算模塊、積分平均模塊和主控計(jì)算機(jī);
[0009]所述天線和饋電模塊用于探測并接收22.235GHz ±0.25GHz微波段大氣水汽吸收線譜及窗口頻率的輻射亮溫信號；包括天線和饋電單元；
[0010]所述接收機(jī)模塊用于由同一溫補(bǔ)晶振經(jīng)功分器后分頻產(chǎn)生兩級本振，一級本振17.548GHz，二級本振4.387GHz，實(shí)現(xiàn)對天線及饋電模塊輸出的探測信號進(jìn)行兩級下變頻；其中一次下變頻后產(chǎn)生的中頻信號經(jīng)放大、濾波處理后進(jìn)行90度功分，將探測信號分成兩路正交模擬信號；
[0011]所述數(shù)據(jù)采集模塊用于將接收機(jī)模塊輸出的兩路正交模擬信號轉(zhuǎn)化為兩路正交數(shù)字信號，并產(chǎn)生所需頻率的時(shí)鐘信號；包括:數(shù)據(jù)采集芯片和時(shí)鐘發(fā)生芯片；
[0012]所述功率譜計(jì)算模塊，用于對數(shù)據(jù)采集模塊輸出兩路正交數(shù)字信號進(jìn)行快速傅里葉變換，實(shí)現(xiàn)從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)化，并將兩路正交信號幅度譜平方后相加產(chǎn)生功率譜；
[0013]所述積分平均模塊用于對連續(xù)產(chǎn)生的單幀幅度譜實(shí)現(xiàn)積分平均；
[0014]所述主控計(jì)算機(jī)用于根據(jù)幅度譜值計(jì)算大氣水汽的輻射亮溫，從而反演出大氣濕度、水汽廓線。
[0015]上述技術(shù)方案中，所述系統(tǒng)還包括依次串聯(lián)的:自校正模塊、微處理器模塊和總線通訊模塊；其中所述總線通訊模塊與所述數(shù)據(jù)采集模塊相連；
[0016]所述自校正模塊:用于對板極間線路長度差別引起的采樣數(shù)據(jù)與時(shí)鐘之間中心對齊的相位偏移進(jìn)行校準(zhǔn)，保證系統(tǒng)在高速數(shù)據(jù)傳輸速率下能夠正確采樣；
[0017]所述微處理器模塊:用于為整個(gè)系統(tǒng)提供正常的工作時(shí)序，發(fā)送控制指令；包括:微處理器芯片；
[0018]所述總線通訊模塊:用于通過串行通訊總線向所述數(shù)據(jù)采集芯片發(fā)送配置數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)采集芯片向微處理器模塊發(fā)送位寬7比特、速率500MSPS的低壓差分的數(shù)據(jù)采集信號，使時(shí)鐘發(fā)生芯片發(fā)送頻率為250MHz低壓差分時(shí)鐘信號。
[0019]上述技術(shù)方案中，所述接收機(jī)模塊包括:隔離器、一級放大器、一級帶通濾波器、一級混頻器、第一中放、自動(dòng)增益控制單元、90度電橋、二級混頻器、第二中放、兩個(gè)二級帶通濾波器和兩個(gè)二級放大器；
[0020]所述隔離器用于防止接收機(jī)模塊內(nèi)部信號泄露；
[0021]所述一級放大器用于對所述天線和饋電模塊輸出的探測信號進(jìn)行放大；
[0022]所述一級帶通濾波器用于對所述一級放大器輸出的信號進(jìn)行放大及帶外抑制，產(chǎn)生一個(gè)中心頻率為22.235GHz帶寬為500MHz射頻信號；
[0023]所述一級混頻器用于完成所述一級帶通濾波器輸出的射頻信號至一級中頻信號的頻率下變換處理；
[0024]所述第一中放用于對所述一級混頻器輸出的信號進(jìn)行放大及帶外抑制，產(chǎn)生一個(gè)中心頻率為4.687GHz帶寬為500MHz的一級中頻信號；
[0025]所述自動(dòng)增益控制單元用于穩(wěn)定接收機(jī)模塊的系統(tǒng)增益，使接收機(jī)模塊的輸出電壓保持在恒定電平上；
[0026]所述90度電橋用于對所述第一中放輸出的一級中頻信號進(jìn)行功分，輸出兩路正交模擬信號；
[0027]所述二級混頻器用于對所述90度電橋輸出的兩路模擬正交信號經(jīng)進(jìn)行一級中頻信號至二級中頻信號的頻率下變換處理；
[0028]所述第二中放用于將兩路模擬正交信號直接輸出，作為全功率輻射計(jì)的應(yīng)用；
[0029]所述兩個(gè)帶通濾波器和兩個(gè)二級放大器分別用于對兩路模擬正交信號進(jìn)行處理，產(chǎn)生兩路中心頻率為0.3GHz，頻帶寬度為500MHz的二級中頻信號。
[0030]上述技術(shù)方案中，所述功率譜計(jì)算模塊包括:兩個(gè)16k-快速傅里葉變換蝶形運(yùn)算引擎、兩個(gè)乘法器和一個(gè)加法器；
[0031]所述16k-快速傅里葉變換蝶形運(yùn)算引擎有獨(dú)立的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集模塊的輸入數(shù)據(jù)及蝶形運(yùn)算中間結(jié)果；工作頻率為250MHz，實(shí)現(xiàn)一次對2'點(diǎn)科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，其中M為正整數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號從時(shí)域到頻域的變換，并具備同時(shí)對當(dāng)前一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，輸出上一幀數(shù)據(jù)的結(jié)果，并加載下一幀輸入數(shù)據(jù)的能力，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的快速傅里葉變換；
[0032]所述兩個(gè)乘法器分別對兩個(gè)16k-快速傅里葉變換蝶形運(yùn)算引擎輸出的復(fù)頻域?qū)?yīng)分量進(jìn)行平方運(yùn)算；
[0033]所述加法器將兩個(gè)乘法器的輸出結(jié)果進(jìn)行求和運(yùn)算，輸出探測信號的單幀幅度譜值。
[0034]上述技術(shù)方案中，所述積分平均模塊包括:雙端口存儲(chǔ)器；所述雙端口存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)深度為2M，工作時(shí)鐘為250MHz ;所述雙端口存儲(chǔ)器的兩個(gè)端口獨(dú)立配置、獨(dú)立工作；一個(gè)端口工作在寫狀態(tài)，另一端口工作在讀狀態(tài)；在內(nèi)部狀態(tài)機(jī)的控制下對雙端口存儲(chǔ)器的兩個(gè)端口產(chǎn)生寫控制信號及讀控制信號，并產(chǎn)生響應(yīng)寫地址及讀地址信號。
[0035]上述技術(shù)方案中，所述雙端口存儲(chǔ)器從讀端口讀入上一幀幅度譜值，與當(dāng)前一幀幅度譜值進(jìn)行累加平均后在寫信號控制下通過寫端口輸入所述雙端口存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器內(nèi)，其累計(jì)次數(shù)對應(yīng)積分時(shí)間，從而對兩幀幅度譜值實(shí)現(xiàn)積分平均，并輸出平均后的幅度譜值。
[0036]本發(fā)明的一種大氣水汽微波探測譜分析儀的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0037]1、本發(fā)明的系統(tǒng)的接收機(jī)模塊采用超外差二級本振調(diào)頻體制，降低了接收機(jī)成本；通過前置濾波器濾除第一次混頻的鏡像頻率，并采用混合電橋進(jìn)行90度功分，確保了相位精度達(dá)到要求；
[0038]2、本發(fā)明的系統(tǒng)的接收機(jī)模塊對探測信號經(jīng)過90度功分形成兩路正交信號并行實(shí)時(shí)處理，在滿足奈奎斯特采樣定理的前提下有效降低了譜分析后端為實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理的時(shí)序要求，在滿足硬件資源消耗下保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性；
[0039]3、本發(fā)明的系統(tǒng)的功率譜計(jì)算模塊基于單幀數(shù)據(jù)16k_FFT算法，頻譜分辨率達(dá)到15Khz，具備精細(xì)譜分析能力，不僅能夠提供高分辨率的水汽廓線，而且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷地觀測，提供天氣過程演化的全過程數(shù)據(jù)；
[0040]4、本發(fā)明的積分平均模塊對幅度譜進(jìn)行積分平均，有效減小背景噪聲的影響，有效提高微波輻射計(jì)頻譜分析儀系統(tǒng)探測微弱信號的能力。
【附圖說明】
[0041]圖1是本發(fā)明的大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)的組成框圖；
[0042]圖2是本發(fā)明的接收機(jī)模塊的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖和對本發(fā)明做進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)地說明。
[0044]如圖1所示，一種大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)的:天線與饋電模塊、接收機(jī)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、功率譜計(jì)算模塊、積分平均模塊和主控計(jì)算機(jī)；
[0045]所述天線和饋電模塊:用于探測并接收22.235GHz±0.25GHz微波段大氣水汽吸收線譜及窗口頻率的輻射亮溫信號；包括天線和饋電單元；
[0046]所述接收機(jī)模塊:用于由同一溫補(bǔ)晶振經(jīng)功分器后分頻產(chǎn)生兩級本振，一級本振
17.548GHz，二級本振4.387GHz，實(shí)現(xiàn)對天線及饋電模塊輸出的探測信號進(jìn)行兩級下變頻；其中一次下變頻后產(chǎn)生的中頻信號經(jīng)放大、濾波處理后進(jìn)行90度功分，將探測信號分成兩路正交模擬信號。
[0047]如圖2所示，所述接收機(jī)模塊包括:隔離器、低噪聲放大器(LNA)、帶通濾波器、一級混頻器、一中放、自動(dòng)增益控制單元(AGC)、90度電橋、二級混頻器、二中放、兩個(gè)二級帶通濾波器和兩個(gè)二級放大器；
[0048]所述隔離器用于防止接收機(jī)模塊內(nèi)部信號泄露；
[0049]所述一級放大器用于對所述天線和饋電模塊輸出的探測信號進(jìn)行放大；
[0050]所述一級帶通濾波器用于對所述一級放大器輸出的信號進(jìn)行放大及帶外抑制，產(chǎn)生一個(gè)中心頻率為22.235GHz帶寬為500MHz射頻信號；
[0051]所述一級混頻器用于完成所述一級帶通濾波器輸出的射頻信號至一級中頻信號的頻率下變換處理；
[0052]所述第一中放用于對所述一級混頻器輸出的信號進(jìn)行放大及帶外抑制，產(chǎn)生一個(gè)中心頻率為4.687GHz帶寬為500MHz的一級中頻信號；
[0053]所述自動(dòng)增益控制單元用于穩(wěn)定接收機(jī)模塊的系統(tǒng)增益，使接收機(jī)模塊的輸出電壓保持在恒定電平上；
[0054]所述90度電橋用于對所述第一中放輸出的一級中頻信號進(jìn)行功分，輸出兩路正交模擬信號；
[0055]所述二級混頻器用于對所述90度電橋輸出的兩路模擬正交信號經(jīng)進(jìn)行一級中頻信號至二級中頻信號的頻率下變換處理；
[0056]所述第二中放用于將兩路模擬正交信號直接輸出，作為全功率輻射計(jì)的應(yīng)用；
[0057]所述兩個(gè)帶通濾波器和兩個(gè)二級放大器分別用于對兩路模擬正交信號進(jìn)行處理，產(chǎn)生兩路中心頻率為0.3GHz，頻帶寬度為500MHz的二級中頻信號。
[0058]數(shù)據(jù)采集模塊，用于將接收機(jī)模塊輸出的兩路正交模擬信號轉(zhuǎn)化為兩路正交數(shù)字信號，并產(chǎn)生所需頻率的時(shí)鐘信號；包括:數(shù)據(jù)采集芯片和時(shí)鐘發(fā)生芯片。
[0059]功率譜計(jì)算模塊，用于對數(shù)據(jù)采集模塊輸出兩路正交數(shù)字信號進(jìn)行快速傅里葉變換，實(shí)現(xiàn)從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)化，并將兩路正交信號幅度譜平方后相加產(chǎn)生功率譜；包括:兩個(gè)16k-快速傅里葉變換(FFT)蝶形運(yùn)算引擎、兩個(gè)乘法器和一個(gè)加法器；
[0060]所述16k-快速傅里葉變換蝶形運(yùn)算引擎有獨(dú)立的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集模塊的輸入數(shù)據(jù)及蝶形運(yùn)算中間結(jié)果；工作頻率為250MHz，實(shí)現(xiàn)一次對2'點(diǎn)科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，其中M為正整數(shù)；在本實(shí)施例中，M= 14，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號從時(shí)域到頻域的變換，并具備同時(shí)對當(dāng)前一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，輸出上一幀數(shù)據(jù)的結(jié)果，并加載下一幀輸入數(shù)據(jù)的能力，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的快速傅里葉變換；
[0061]所述兩個(gè)乘法器分別對兩個(gè)16k-快速傅里葉變換蝶形運(yùn)算引擎輸出的復(fù)頻域?qū)?yīng)分量進(jìn)行平方運(yùn)算；
[0062]所述加法器將兩個(gè)乘法器的輸出結(jié)果進(jìn)行求和運(yùn)算，輸出探測信號的單幀幅度譜值。
[0063]所述積分平均模塊:用于對連續(xù)產(chǎn)生的單幀幅度譜實(shí)現(xiàn)積分平均；包括:雙端口存儲(chǔ)器；
[0064]所述雙端口存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)深度為2m，工作時(shí)鐘為250MHz ;所述雙端口存儲(chǔ)器的兩個(gè)端口獨(dú)立配置、獨(dú)立工作；一個(gè)端口工作在寫狀態(tài)，另一端口工作在讀狀態(tài)；在內(nèi)部狀態(tài)機(jī)的控制下對雙端口存儲(chǔ)器的兩個(gè)端口產(chǎn)生寫控制信號及讀控制信號，并產(chǎn)生響應(yīng)寫地址及讀地址信號。
[0065]所述雙端口存儲(chǔ)器從讀端口讀入上一幀幅度譜值，與當(dāng)前一幀幅度譜值進(jìn)行累加平均后在寫信號控制下通過寫端口輸入所述雙端口存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器內(nèi)，其累計(jì)次數(shù)對應(yīng)積分時(shí)間，從而對兩幀幅度譜值實(shí)現(xiàn)積分平均，并輸出平均后的幅度譜值。該模塊可以有效減小由隨機(jī)噪聲信號可能產(chǎn)生的較大起伏影響，并提高探測微弱信號的能力。
[0066]所述主控計(jì)算機(jī)用于根據(jù)幅度譜值計(jì)算大氣水汽的輻射亮溫，從而反演出大氣濕度、水汽廓線。
[0067]此外，所述系統(tǒng)還包括依次串聯(lián)的:自校正模塊、微處理器模塊和總線通訊模塊；其中所述總線通訊模塊與所述數(shù)據(jù)采集模塊相連；
[0068]所述自校正模塊用于對板極間線路長度差別引起的采樣數(shù)據(jù)與時(shí)鐘之間中心對齊的相位偏移進(jìn)行校準(zhǔn)，保證系統(tǒng)在高速數(shù)據(jù)傳輸速率下能夠正確采樣；
[0069]所述微處理器模塊用于為整個(gè)系統(tǒng)提供正常的工作時(shí)序，發(fā)送控制指令；包括:微處理器芯片；
[0070]所述總線通訊模塊用于通過串行通訊總線向所述數(shù)據(jù)采集芯片發(fā)送配置數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)采集芯片向微處理器模塊發(fā)送位寬7比特速率500MSPS的低壓差分(LVDS)數(shù)據(jù)采集信號，使時(shí)鐘發(fā)生芯片發(fā)送頻率為250MHz低壓差分時(shí)鐘信號；隨后系統(tǒng)工作在兩種模式下:
[0071]校正模式:微處理器模塊通過總線通訊模塊向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送一組特殊的配置數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)采集模塊的輸出配置成一組連續(xù)遞增的階梯信號發(fā)送至微處理器模塊輸入端，通過對數(shù)據(jù)采集模塊輸出信號的連續(xù)性進(jìn)行判別，調(diào)整延遲控制信號值，校正系統(tǒng)由內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸延遲，恢復(fù)數(shù)據(jù)信號與時(shí)鐘信號中心對齊的相位關(guān)系，達(dá)到在高速數(shù)據(jù)傳輸率下能夠正確捕捉數(shù)據(jù)的目的。自校正過程結(jié)束后，延遲控制信號值保持當(dāng)前狀態(tài)不變，自校正模塊將相應(yīng)控制信號置高表示測試模式有效并返回至微處理器模塊。
[0072]正常工作模式:微處理器模塊根據(jù)校正模式下返回有效的控制信號，通過總線通訊模塊對數(shù)據(jù)采集模塊重新進(jìn)行配置，使其工作在正常采樣模式下并對接收機(jī)輸出的兩路正交信號數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
[0073]最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)的:天線與饋電模塊、接收機(jī)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、功率譜計(jì)算模塊、積分平均模塊和主控計(jì)算機(jī)； 所述天線和饋電模塊用于探測并接收22.235GHz ±0.25GHz微波段大氣水汽吸收線譜及窗口頻率的輻射亮溫信號；包括天線和饋電單元； 所述接收機(jī)模塊用于由同一溫補(bǔ)晶振經(jīng)功分器后分頻產(chǎn)生兩級本振，一級本振17.548GHz，二級本振4.387GHz，實(shí)現(xiàn)對天線及饋電模塊輸出的探測信號進(jìn)行兩級下變頻；其中一次下變頻后產(chǎn)生的中頻信號經(jīng)放大、濾波處理后進(jìn)行90度功分，將探測信號分成兩路正交模擬信號； 所述數(shù)據(jù)采集模塊用于將接收機(jī)模塊輸出的兩路正交模擬信號轉(zhuǎn)化為兩路正交數(shù)字信號，并產(chǎn)生所需頻率的時(shí)鐘信號；包括:數(shù)據(jù)采集芯片和時(shí)鐘發(fā)生芯片； 所述功率譜計(jì)算模塊，用于對數(shù)據(jù)采集模塊輸出兩路正交數(shù)字信號進(jìn)行快速傅里葉變換，實(shí)現(xiàn)從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)化，并將兩路正交信號幅度譜平方后相加產(chǎn)生功率譜； 所述積分平均模塊用于對連續(xù)產(chǎn)生的單幀幅度譜實(shí)現(xiàn)積分平均； 所述主控計(jì)算機(jī)用于根據(jù)幅度譜值計(jì)算大氣水汽的輻射亮溫，從而反演出大氣濕度、水汽廓線。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括依次串聯(lián)的:自校正模塊、微處理器模塊和總線通訊模塊；其中所述總線通訊模塊與所述數(shù)據(jù)采集模塊相連； 所述自校正模塊:用于對板極間線路長度差別引起的采樣數(shù)據(jù)與時(shí)鐘之間中心對齊的相位偏移進(jìn)行校準(zhǔn)，保證系統(tǒng)在高速數(shù)據(jù)傳輸速率下能夠正確采樣； 所述微處理器模塊:用于為整個(gè)系統(tǒng)提供正常的工作時(shí)序，發(fā)送控制指令；包括:微處理器芯片； 所述總線通訊模塊:用于通過串行通訊總線向所述數(shù)據(jù)采集芯片發(fā)送配置數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)采集芯片向微處理器模塊發(fā)送位寬7比特、速率500MSPS的低壓差分的數(shù)據(jù)采集信號，使時(shí)鐘發(fā)生芯片發(fā)送頻率為250MHz低壓差分時(shí)鐘信號。3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)，其特征在于，所述接收機(jī)模塊包括:隔離器、一級放大器、一級帶通濾波器、一級混頻器、第一中放、自動(dòng)增益控制單元、90度電橋、二級混頻器、第二中放、兩個(gè)二級帶通濾波器和兩個(gè)二級放大器； 所述隔離器用于防止接收機(jī)模塊內(nèi)部信號泄露； 所述一級放大器用于對所述天線和饋電模塊輸出的探測信號進(jìn)行放大； 所述一級帶通濾波器用于對所述一級放大器輸出的信號進(jìn)行放大及帶外抑制，產(chǎn)生一個(gè)中心頻率為22.235GHz帶寬為500MHz射頻信號； 所述一級混頻器用于完成所述一級帶通濾波器輸出的射頻信號至一級中頻信號的頻率下變換處理； 所述第一中放用于對所述一級混頻器輸出的信號進(jìn)行放大及帶外抑制，產(chǎn)生一個(gè)中心頻率為4.687GHz帶寬為500MHz的一級中頻信號； 所述自動(dòng)增益控制單元用于穩(wěn)定接收機(jī)模塊的系統(tǒng)增益，使接收機(jī)模塊的輸出電壓保持在恒定電平上； 所述90度電橋用于對所述第一中放輸出的一級中頻信號進(jìn)行功分，輸出兩路正交模擬信號； 所述二級混頻器用于對所述90度電橋輸出的兩路模擬正交信號經(jīng)進(jìn)行一級中頻信號至二級中頻信號的頻率下變換處理； 所述第二中放用于將兩路模擬正交信號直接輸出，作為全功率輻射計(jì)的應(yīng)用； 所述兩個(gè)帶通濾波器和兩個(gè)二級放大器分別用于對兩路模擬正交信號進(jìn)行處理，產(chǎn)生兩路中心頻率為0.3GHz，頻帶寬度為500MHz的二級中頻信號。4.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)，其特征在于，所述功率譜計(jì)算模塊包括:兩個(gè)16k-快速傅里葉變換蝶形運(yùn)算引擎、兩個(gè)乘法器和一個(gè)加法器； 所述16k-快速傅里葉變換蝶形運(yùn)算引擎有獨(dú)立的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集模塊的輸入數(shù)據(jù)及蝶形運(yùn)算中間結(jié)果；工作頻率為250MHz，實(shí)現(xiàn)一次對2M點(diǎn)科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，其中M為正整數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號從時(shí)域到頻域的變換，并具備同時(shí)對當(dāng)前一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，輸出上一幀數(shù)據(jù)的結(jié)果，并加載下一幀輸入數(shù)據(jù)的能力，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的快速傅里葉變換； 所述兩個(gè)乘法器分別對兩個(gè)16k-快速傅里葉變換蝶形運(yùn)算引擎輸出的復(fù)頻域?qū)?yīng)分量進(jìn)行平方運(yùn)算； 所述加法器將兩個(gè)乘法器的輸出結(jié)果進(jìn)行求和運(yùn)算，輸出探測信號的單幀幅度譜值。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)，其特征在于，所述積分平均模塊包括:雙端口存儲(chǔ)器；所述雙端口存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)深度為2M，工作時(shí)鐘為250MHz ;所述雙端口存儲(chǔ)器的兩個(gè)端口獨(dú)立配置、獨(dú)立工作；一個(gè)端口工作在寫狀態(tài)，另一端口工作在讀狀態(tài)；在內(nèi)部狀態(tài)機(jī)的控制下對雙端口存儲(chǔ)器的兩個(gè)端口產(chǎn)生寫控制信號及讀控制信號，并產(chǎn)生響應(yīng)寫地址及讀地址信號。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大氣水汽微波探測譜分析系統(tǒng)，其特征在于，所述雙端口存儲(chǔ)器從讀端口讀入上一幀幅度譜值，與當(dāng)前一幀幅度譜值進(jìn)行累加平均后在寫信號控制下通過寫端口輸入所述雙端口存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器內(nèi)，其累計(jì)次數(shù)對應(yīng)積分時(shí)間，從而對兩幀幅度譜值實(shí)現(xiàn)積分平均，并輸出平均后的幅度譜值。
【文檔編號】G01S13/95GK105988115SQ201510065359
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月6日
【發(fā)明人】封天, 張升偉, 王新彪, 張瑜
【申請人】中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心