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

1、臨邊探測論文：臨邊探測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】大氣臨邊探測是一種新的大氣觀測方式，它既具有 天底觀測方式的高空間覆蓋范圍，同時又具有掩星觀測方式的高垂直 分辨率,可有效監(jiān)測臭氧、氣溶膠濃度、溫室效應(yīng)示蹤氣體以及在對 流層和平流層臭氧化學中具有重要影響的痕量氣體(如：N02、BrOOCIO 和 SO2 的全球分布。但是，我國在軌運行的各類衛(wèi)星還沒有裝 載能得到各種大氣成分的臨邊探測儀，國內(nèi)相關(guān)的研究剛剛起步。本 文總結(jié)并闡述當代微波臨邊探測儀采用的技術(shù)手段及其發(fā)展情況，設(shè) 計一個高對流層/低平流層大氣毫米波輻射臨邊探測儀 (MLS-UTLS , 對 118GHz天線

2、性能進行了仿真，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，為后續(xù)研究提供技術(shù)先導。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，介紹了目前臨邊探 測頻帶選取時一般程序。分析了臨邊觀測方式的幾何、觀測狀態(tài)對系 統(tǒng)垂直分辨率影響、系統(tǒng)靈敏度、觀測高度的上限與下限，并且介紹了國外已發(fā)展的臨邊探測儀系統(tǒng)設(shè)計原理和方法，總結(jié)比較了各自的 性能指標。分析總結(jié)了當代微波臨邊探測儀常使用的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，包括準光學理論、頻率選擇表面的原理和設(shè)計方法、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)計要求、混頻器發(fā)展、超導 混頻器常配合使用的制冷機技術(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，設(shè)計了一個高對流層/低平流層大氣毫米波輻射臨邊探測儀（MLSUTLS）,用以探測對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)的探測頻帶、 對應(yīng)的探測目標、系統(tǒng)靈敏度、垂直分辨率、頻率分辨率等系統(tǒng)指標。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。采用準光學器件極化柵網(wǎng)、頻率選擇表面分離 從轉(zhuǎn)換鏡傳輸過來的輻射信號。折疊式法布里 -珀羅環(huán)形諧振功分器 實現(xiàn)輻射信號與本振信號的混合，并將他們饋入至輻射計的

4、混頻器 中。常溫肖特基二極管混頻器實現(xiàn)輻射信號下變頻。設(shè)計了二次中頻轉(zhuǎn)換模塊,包括一級中頻信號的頻帶分離模塊、二級本振信號產(chǎn)生模 塊和二次下變頻器，給出了詳細的設(shè)計框圖。經(jīng)過二次變頻后，將信號 變換到中心頻率統(tǒng)一為 900MHz 帶寬為 1300MHZ 勺中頻信號。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)合的方式實現(xiàn)，采用四種不同帶寬、不同分辨率的濾波器組實現(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應(yīng)的探測成分和 其實現(xiàn)方式。最后對本振產(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)定標流程進行了相關(guān)考慮。 最后介紹了利用數(shù)字自相關(guān)原理進 行頻譜檢測的方法

5、，采用 FPGA 技術(shù)設(shè)計了一個自相關(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 算模塊組成。使用流水線和乒乓 RAM 分時存儲、讀取數(shù)據(jù)，能夠連續(xù) 不斷地對 A/D 采集數(shù)據(jù)進行緩沖處理，并有效地減少系統(tǒng)運算時間。給出了自相關(guān)頻譜儀的結(jié)構(gòu)框圖，詳細介紹了各模塊的實現(xiàn)，并在 ISE 環(huán)境中對各模塊進行功能仿真?！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