臨邊探測(cè)論文：臨邊探測(cè)痕量氣體雙偏置卡塞格倫天線數(shù)字自相關(guān)頻譜儀

1、臨邊探測(cè)論文：臨邊探測(cè)痕量氣體雙偏置卡塞格倫天線數(shù)字自相關(guān)頻譜儀【中文摘要】大氣臨邊探測(cè)是一種新的大氣觀測(cè)方式，它既具有 天底觀測(cè)方式的高空間覆蓋范圍，同時(shí)又具有掩星觀測(cè)方式的高垂直 分辨率,可有效監(jiān)測(cè)臭氧、氣溶膠濃度、溫室效應(yīng)示蹤氣體以及在對(duì) 流層和平流層臭氧化學(xué)中具有重要影響的痕量氣體(如：N02、BrOOCIO 和 SO2 的全球分布。但是，我國(guó)在軌運(yùn)行的各類衛(wèi)星還沒(méi)有裝 載能得到各種大氣成分的臨邊探測(cè)儀，國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究剛剛起步。本 文總結(jié)并闡述當(dāng)代微波臨邊探測(cè)儀采用的技術(shù)手段及其發(fā)展情況，設(shè) 計(jì)一個(gè)高對(duì)流層/低平流層大氣毫米波輻射臨邊探測(cè)儀 (MLS-UTLS , 對(duì) 118GHz天線

2、性能進(jìn)行了仿真，完成了基于 FPGA 技術(shù)的數(shù)字自相關(guān) 譜儀的方案設(shè)計(jì)，為后續(xù)研究提供技術(shù)先導(dǎo)。在基礎(chǔ)理論方面，本文總 結(jié)并闡述了大氣輻射傳輸一般理論和分子光譜學(xué)，介紹了目前臨邊探 測(cè)頻帶選取時(shí)一般程序。分析了臨邊觀測(cè)方式的幾何、觀測(cè)狀態(tài)對(duì)系 統(tǒng)垂直分辨率影響、系統(tǒng)靈敏度、觀測(cè)高度的上限與下限，并且介紹了國(guó)外已發(fā)展的臨邊探測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和方法，總結(jié)比較了各自的 性能指標(biāo)。分析總結(jié)了當(dāng)代微波臨邊探測(cè)儀常使用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，包括準(zhǔn)光學(xué)理論、頻率選擇表面的原理和設(shè)計(jì)方法、極化分離線柵應(yīng) 用考慮、卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)分析、饋源設(shè)計(jì)要求、混頻器發(fā)展、超導(dǎo) 混頻器常配合使用的制冷機(jī)技術(shù)發(fā)展以及頻譜儀的發(fā)展。

3、參考已有系統(tǒng),繼承以往優(yōu)秀的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)高對(duì)流層/低平流層大氣毫米波輻射臨邊探測(cè)儀（MLSUTLS）,用以探測(cè)對(duì)流層頂部和平流層底部的 大氣輻射吸收亮溫，反演出大氣溫度、氣壓、濕度及微量和痕量氣體 成分的密度及其分布變化。本文提出了 MLS-UTLSg 統(tǒng)的探測(cè)頻帶、 對(duì)應(yīng)的探測(cè)目標(biāo)、系統(tǒng)靈敏度、垂直分辨率、頻率分辨率等系統(tǒng)指標(biāo)。利用 TICAR公司的 Grasp 9 軟件分析了卡式天線在 118GHZ 勺天線方 向圖和天線輻射效率。采用準(zhǔn)光學(xué)器件極化柵網(wǎng)、頻率選擇表面分離 從轉(zhuǎn)換鏡傳輸過(guò)來(lái)的輻射信號(hào)。折疊式法布里 -珀羅環(huán)形諧振功分器 實(shí)現(xiàn)輻射信號(hào)與本振信號(hào)的混合，并將他們饋入至輻射計(jì)的

4、混頻器 中。常溫肖特基二極管混頻器實(shí)現(xiàn)輻射信號(hào)下變頻。設(shè)計(jì)了二次中頻轉(zhuǎn)換模塊,包括一級(jí)中頻信號(hào)的頻帶分離模塊、二級(jí)本振信號(hào)產(chǎn)生模 塊和二次下變頻器，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)框圖。經(jīng)過(guò)二次變頻后，將信號(hào) 變換到中心頻率統(tǒng)一為 900MHz 帶寬為 1300MHZ 勺中頻信號(hào)。后端 頻譜分析儀由濾波器組結(jié)構(gòu)和數(shù)字自相關(guān)頻譜儀相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，采用四種不同帶寬、不同分辨率的濾波器組實(shí)現(xiàn)頻譜分析，以覆蓋不 同海拔范圍。 并且以表格的形式給出了各濾波器組對(duì)應(yīng)的探測(cè)成分和 其實(shí)現(xiàn)方式。最后對(duì)本振產(chǎn)生子系統(tǒng)選擇、系統(tǒng)的數(shù)控單元功能要求 和系統(tǒng)定標(biāo)流程進(jìn)行了相關(guān)考慮。 最后介紹了利用數(shù)字自相關(guān)原理進(jìn) 行頻譜檢測(cè)的方法

5、，采用 FPGA 技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)自相關(guān)頻譜儀，分析帶 寬 12.5MHz，頻譜分辨率為 0.15MHz 自相關(guān)頻譜儀由 ADC 器件、核心 控制單元、乒乓RAM 數(shù)據(jù)緩沖模塊、累加器模塊、FFT 模塊和求模運(yùn) 算模塊組成。使用流水線和乒乓 RAM 分時(shí)存儲(chǔ)、讀取數(shù)據(jù)，能夠連續(xù) 不斷地對(duì) A/D 采集數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖處理，并有效地減少系統(tǒng)運(yùn)算時(shí)間。給出了自相關(guān)頻譜儀的結(jié)構(gòu)框圖，詳細(xì)介紹了各模塊的實(shí)現(xiàn)，并在 ISE 環(huán)境中對(duì)各模塊進(jìn)行功能仿真?！居⑽恼?Atmospheric limb sounding is a newobservationmethod, with high spatial co

6、verage of the nadir observation as well ashigh vertical resoluti on of the occultatio n method。It can effectivly monitor the global distribution of ozone, aerosols andtrace gases ( such as: NO2 , BrO, OCIO, and SO2 ) which play importantroles in ozone dissipatingprocess throughtropospheric to strato

7、spheric 。 So far, in our country,various types ofsatellites in orbit are not yet capable of provid ing data and informationon atmospheric composition 。 Fortunately,observ ing atmospheric compositi on from sky has bee n started。This article summarizes and elaborates the developme nt of modernmicrowav

8、e limb sounding techniques。It provides acomprehensive understanding of principles and methods used in the limbsoun ders which has bee n developeddesig n a millimeter-wave limbsoun der used for higher troposphere / lower stratosphere atmosphericmeasureme nt, which aims to provide a referenee for the applicationsystem。I simulate theantenna performa nee at 118Ghz and desig n an auto