一种大气水汽微波探测谱分析系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种大气水汽微波探测谱分析系统，包括依次串联的：天线与馈电模块、接收机模块、数据采集模块、功率谱计算模块、积分平均模块和主控计算机；所述天线和馈电模块用于探测并接收22.235GHz±0.25GHz微波段大气水汽吸收线谱及窗口频率的辐射亮温信号；所述接收机模块用于将探测信号分成两路正交模拟信号；所述数据采集模块用于将两路正交模拟信号转化为两路正交数字信号；所述功率谱计算模块用于对两路正交数字信号进行快速傅里叶变换，并将两路正交信号幅度谱平方后相加产生功率谱；所述积分平均模块用于对连续产生的单帧幅度谱实现积分平均；所述主控计算机用于根据幅度谱值反演出大气湿度、水汽廓线。
【专利说明】
一种大气水汽微波探测谱分析系统
技术领域
[0001]本发明涉及气象探测领域，特别涉及一种大气水汽微波探测谱分析系统。
【背景技术】
[0002]地球大气层的各种气体中，只有氧及水汽是微波谱中呈现出明显的吸收带的成分。水汽由分子内部转动能级的跃迀发射或吸收辐射，在微波及远红外谱中产生旋转谱线。通过在最大吸收处及其附近频率的辐射测量可以确定大气的水汽和温度从平流层低端至整个中气层沿高度的剖面分布。
[0003]大气温度和湿度廓线作为重要的气象参数，对于观测大气的变化并理解其变化的过程具有重要意义。相对于无线电探空仪(雷达)体积庞大、成本较高，需要复杂的安装及运行条件等弊端，地基微波/毫米波辐射计具有维护成本低、运行可靠等特点。近年来，作为一种可靠的大气温度、湿度廓线的探测技术得到快速的发展，逐渐成为一种提供业务数据服务的手段。地基微波辐射计的优点在于对云中液态水的灵敏度较高，对于大气成分吸收谱线的探测具有非常好的观测效果，通过反演算法可以从探测到的频谱确定探测气体的垂直分布图。在陆地上空，被动微波遥感是目前最准确、成本最低的垂直液态水通量测量手段。
[0004]传统微波辐射计通常为一个窄带系统，观测地物在频率通道内的平均亮温。随着遥感技术的发展，为解决宽频谱范围内观测不同频谱通道内对应亮温的需求，产生了具有精细频谱分析能力的地基微波辐射频谱分析仪。这种具备精细频谱分析能力的新型微波辐射计也是近年来被动遥感器的技术发展方向之一。在微波波段，具有谱分析能力的微波辐射计其主要应用是利用微波段的水汽及氧气吸收谱线进行大气温度、湿度廓线的遥感测量。早期用于此类探测目的的微波辐射计通常采用滤波组形式的后端，实现若干个相邻频率通道的观测，体积庞大且不易实现大数量通道的探测，真正意义上的连续谱线测量能力受到了极大限制。
[0005]近年来，随着数字电子技术的高速发展及太赫兹技术研究的深入开展，利用太赫兹谱段丰富的分子吸收谱线，在对地观测领域进行大气痕量气体探测，以及在空间探测领域进行宇宙行星际分子云成分探测的需求越来越强烈，这些新的应用有力地促进了具备谱分析能力的微波辐射计发展。美国NASA的EOS-Aura卫星所搭载的临边辐射计(MLS)，就是一种采用谱分析技术的微波辐射计。目前国际上已利用纯数字手段，FPGA技术和Acqiris信号分析仪，实现了具备连续谱线测量能力的光谱仪。
[0006]目前，微波辐射频谱分析系统的接收机前端采用单路输出方式将大气水汽探测数据送入后端进行数据处理。根据奈奎斯特采样定律，采样率大于或等于数据带宽两倍时，采样数据的结果才能完整保留原始信号中的信息。在宽频带谱分析工作方式下需要实现IGHz带宽观测范围，那么频谱分析仪需至少达到2GHz采样率的要求，这对于后端对高速采样数据进行实时处理要求更高，在硬件资源及时序正确性等方面难以实现；也使谱分析系统实现快速傅里叶变换处理时难以提高变换点数，不利于提高系统灵敏度。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服目前微波辐射频谱分析系统存在的上述缺陷，提供了一种大气水汽微波探测谱分析系统，该系统的接收机模块采用两级本振输出两路正交信号，降低了数据采集模块的采样率；整个系统具有成本低，性能高、功耗低、灵敏度高的特点。
[0008]为实现上述目的，本发明提供了一种大气水汽微波探测谱分析系统，包括依次串联的:天线与馈电模块、接收机模块、数据采集模块、功率谱计算模块、积分平均模块和主控计算机;
[0009]所述天线和馈电模块用于探测并接收22.235GHz ±0.25GHz微波段大气水汽吸收线谱及窗口频率的辐射亮温信号；包括天线和馈电单元；
[0010]所述接收机模块用于由同一温补晶振经功分器后分频产生两级本振，一级本振17.548GHz，二级本振4.387GHz，实现对天线及馈电模块输出的探测信号进行两级下变频；其中一次下变频后产生的中频信号经放大、滤波处理后进行90度功分，将探测信号分成两路正交模拟信号；
[0011]所述数据采集模块用于将接收机模块输出的两路正交模拟信号转化为两路正交数字信号，并产生所需频率的时钟信号；包括:数据采集芯片和时钟发生芯片；
[0012]所述功率谱计算模块，用于对数据采集模块输出两路正交数字信号进行快速傅里叶变换，实现从时域到频域的转化，并将两路正交信号幅度谱平方后相加产生功率谱；
[0013]所述积分平均模块用于对连续产生的单帧幅度谱实现积分平均；
[0014]所述主控计算机用于根据幅度谱值计算大气水汽的辐射亮温，从而反演出大气湿度、水汽廓线。
[0015]上述技术方案中，所述系统还包括依次串联的:自校正模块、微处理器模块和总线通讯模块；其中所述总线通讯模块与所述数据采集模块相连；
[0016]所述自校正模块:用于对板极间线路长度差别引起的采样数据与时钟之间中心对齐的相位偏移进行校准，保证系统在高速数据传输速率下能够正确采样；
[0017]所述微处理器模块:用于为整个系统提供正常的工作时序，发送控制指令；包括:微处理器芯片；
[0018]所述总线通讯模块:用于通过串行通讯总线向所述数据采集芯片发送配置数据，使数据采集芯片向微处理器模块发送位宽7比特、速率500MSPS的低压差分的数据采集信号，使时钟发生芯片发送频率为250MHz低压差分时钟信号。
[0019]上述技术方案中，所述接收机模块包括:隔离器、一级放大器、一级带通滤波器、一级混频器、第一中放、自动增益控制单元、90度电桥、二级混频器、第二中放、两个二级带通滤波器和两个二级放大器；
[0020]所述隔离器用于防止接收机模块内部信号泄露；
[0021]所述一级放大器用于对所述天线和馈电模块输出的探测信号进行放大；
[0022]所述一级带通滤波器用于对所述一级放大器输出的信号进行放大及带外抑制，产生一个中心频率为22.235GHz带宽为500MHz射频信号；
[0023]所述一级混频器用于完成所述一级带通滤波器输出的射频信号至一级中频信号的频率下变换处理；
[0024]所述第一中放用于对所述一级混频器输出的信号进行放大及带外抑制，产生一个中心频率为4.687GHz带宽为500MHz的一级中频信号；
[0025]所述自动增益控制单元用于稳定接收机模块的系统增益，使接收机模块的输出电压保持在恒定电平上；
[0026]所述90度电桥用于对所述第一中放输出的一级中频信号进行功分，输出两路正交模拟信号；
[0027]所述二级混频器用于对所述90度电桥输出的两路模拟正交信号经进行一级中频信号至二级中频信号的频率下变换处理；
[0028]所述第二中放用于将两路模拟正交信号直接输出，作为全功率辐射计的应用；
[0029]所述两个带通滤波器和两个二级放大器分别用于对两路模拟正交信号进行处理，产生两路中心频率为0.3GHz，频带宽度为500MHz的二级中频信号。
[0030]上述技术方案中，所述功率谱计算模块包括:两个16k-快速傅里叶变换蝶形运算引擎、两个乘法器和一个加法器；
[0031]所述16k-快速傅里叶变换蝶形运算引擎有独立的存储结构，用于存储数据采集模块的输入数据及蝶形运算中间结果；工作频率为250MHz，实现一次对2'点科学数据进行快速傅里叶变换，其中M为正整数，实现数字信号从时域到频域的变换，并具备同时对当前一帧数据进行快速傅里叶变换，输出上一帧数据的结果，并加载下一帧输入数据的能力，实现连续的快速傅里叶变换；
[0032]所述两个乘法器分别对两个16k-快速傅里叶变换蝶形运算引擎输出的复频域对应分量进行平方运算；
[0033]所述加法器将两个乘法器的输出结果进行求和运算，输出探测信号的单帧幅度谱值。
[0034]上述技术方案中，所述积分平均模块包括:双端口存储器；所述双端口存储器的存储深度为2M，工作时钟为250MHz ;所述双端口存储器的两个端口独立配置、独立工作；一个端口工作在写状态，另一端口工作在读状态；在内部状态机的控制下对双端口存储器的两个端口产生写控制信号及读控制信号，并产生响应写地址及读地址信号。
[0035]上述技术方案中，所述双端口存储器从读端口读入上一帧幅度谱值，与当前一帧幅度谱值进行累加平均后在写信号控制下通过写端口输入所述双端口存储器的存储器内，其累计次数对应积分时间，从而对两帧幅度谱值实现积分平均，并输出平均后的幅度谱值。
[0036]本发明的一种大气水汽微波探测谱分析仪的优点在于:
[0037]1、本发明的系统的接收机模块采用超外差二级本振调频体制，降低了接收机成本；通过前置滤波器滤除第一次混频的镜像频率，并采用混合电桥进行90度功分，确保了相位精度达到要求；
[0038]2、本发明的系统的接收机模块对探测信号经过90度功分形成两路正交信号并行实时处理，在满足奈奎斯特采样定理的前提下有效降低了谱分析后端为实现高速数据处理的时序要求，在满足硬件资源消耗下保证了系统运行的稳定性及准确性；
[0039]3、本发明的系统的功率谱计算模块基于单帧数据16k_FFT算法，频谱分辨率达到15Khz，具备精细谱分析能力，不仅能够提供高分辨率的水汽廓线，而且可实现连续不断地观测，提供天气过程演化的全过程数据；
[0040]4、本发明的积分平均模块对幅度谱进行积分平均，有效减小背景噪声的影响，有效提高微波辐射计频谱分析仪系统探测微弱信号的能力。
【附图说明】
[0041]图1是本发明的大气水汽微波探测谱分析系统的组成框图；
[0042]图2是本发明的接收机模块的结构组成示意图。
【具体实施方式】
[0043]下面结合附图和对本发明做进一步进行详细地说明。
[0044]如图1所示，一种大气水汽微波探测谱分析系统，包括依次串联的:天线与馈电模块、接收机模块、数据采集模块、功率谱计算模块、积分平均模块和主控计算机；
[0045]所述天线和馈电模块:用于探测并接收22.235GHz±0.25GHz微波段大气水汽吸收线谱及窗口频率的辐射亮温信号；包括天线和馈电单元；
[0046]所述接收机模块:用于由同一温补晶振经功分器后分频产生两级本振，一级本振
17.548GHz，二级本振4.387GHz，实现对天线及馈电模块输出的探测信号进行两级下变频；其中一次下变频后产生的中频信号经放大、滤波处理后进行90度功分，将探测信号分成两路正交模拟信号。
[0047]如图2所示，所述接收机模块包括:隔离器、低噪声放大器(LNA)、带通滤波器、一级混频器、一中放、自动增益控制单元(AGC)、90度电桥、二级混频器、二中放、两个二级带通滤波器和两个二级放大器；
[0048]所述隔离器用于防止接收机模块内部信号泄露；
[0049]所述一级放大器用于对所述天线和馈电模块输出的探测信号进行放大；
[0050]所述一级带通滤波器用于对所述一级放大器输出的信号进行放大及带外抑制，产生一个中心频率为22.235GHz带宽为500MHz射频信号；
[0051]所述一级混频器用于完成所述一级带通滤波器输出的射频信号至一级中频信号的频率下变换处理；
[0052]所述第一中放用于对所述一级混频器输出的信号进行放大及带外抑制，产生一个中心频率为4.687GHz带宽为500MHz的一级中频信号；
[0053]所述自动增益控制单元用于稳定接收机模块的系统增益，使接收机模块的输出电压保持在恒定电平上；
[0054]所述90度电桥用于对所述第一中放输出的一级中频信号进行功分，输出两路正交模拟信号；
[0055]所述二级混频器用于对所述90度电桥输出的两路模拟正交信号经进行一级中频信号至二级中频信号的频率下变换处理；
[0056]所述第二中放用于将两路模拟正交信号直接输出，作为全功率辐射计的应用；
[0057]所述两个带通滤波器和两个二级放大器分别用于对两路模拟正交信号进行处理，产生两路中心频率为0.3GHz，频带宽度为500MHz的二级中频信号。
[0058]数据采集模块，用于将接收机模块输出的两路正交模拟信号转化为两路正交数字信号，并产生所需频率的时钟信号；包括:数据采集芯片和时钟发生芯片。
[0059]功率谱计算模块，用于对数据采集模块输出两路正交数字信号进行快速傅里叶变换，实现从时域到频域的转化，并将两路正交信号幅度谱平方后相加产生功率谱；包括:两个16k-快速傅里叶变换(FFT)蝶形运算引擎、两个乘法器和一个加法器；
[0060]所述16k-快速傅里叶变换蝶形运算引擎有独立的存储结构，用于存储数据采集模块的输入数据及蝶形运算中间结果；工作频率为250MHz，实现一次对2'点科学数据进行快速傅里叶变换，其中M为正整数；在本实施例中，M= 14，由此实现数字信号从时域到频域的变换，并具备同时对当前一帧数据进行快速傅里叶变换，输出上一帧数据的结果，并加载下一帧输入数据的能力，实现连续的快速傅里叶变换；
[0061]所述两个乘法器分别对两个16k-快速傅里叶变换蝶形运算引擎输出的复频域对应分量进行平方运算；
[0062]所述加法器将两个乘法器的输出结果进行求和运算，输出探测信号的单帧幅度谱值。
[0063]所述积分平均模块:用于对连续产生的单帧幅度谱实现积分平均；包括:双端口存储器；
[0064]所述双端口存储器的存储深度为2m，工作时钟为250MHz ;所述双端口存储器的两个端口独立配置、独立工作；一个端口工作在写状态，另一端口工作在读状态；在内部状态机的控制下对双端口存储器的两个端口产生写控制信号及读控制信号，并产生响应写地址及读地址信号。
[0065]所述双端口存储器从读端口读入上一帧幅度谱值，与当前一帧幅度谱值进行累加平均后在写信号控制下通过写端口输入所述双端口存储器的存储器内，其累计次数对应积分时间，从而对两帧幅度谱值实现积分平均，并输出平均后的幅度谱值。该模块可以有效减小由随机噪声信号可能产生的较大起伏影响，并提高探测微弱信号的能力。
[0066]所述主控计算机用于根据幅度谱值计算大气水汽的辐射亮温，从而反演出大气湿度、水汽廓线。
[0067]此外，所述系统还包括依次串联的:自校正模块、微处理器模块和总线通讯模块；其中所述总线通讯模块与所述数据采集模块相连；
[0068]所述自校正模块用于对板极间线路长度差别引起的采样数据与时钟之间中心对齐的相位偏移进行校准，保证系统在高速数据传输速率下能够正确采样；
[0069]所述微处理器模块用于为整个系统提供正常的工作时序，发送控制指令；包括:微处理器芯片；
[0070]所述总线通讯模块用于通过串行通讯总线向所述数据采集芯片发送配置数据，使数据采集芯片向微处理器模块发送位宽7比特速率500MSPS的低压差分(LVDS)数据采集信号，使时钟发生芯片发送频率为250MHz低压差分时钟信号；随后系统工作在两种模式下:
[0071]校正模式:微处理器模块通过总线通讯模块向数据采集模块发送一组特殊的配置数据，将数据采集模块的输出配置成一组连续递增的阶梯信号发送至微处理器模块输入端，通过对数据采集模块输出信号的连续性进行判别，调整延迟控制信号值，校正系统由内部电路结构所产生的数据传输延迟，恢复数据信号与时钟信号中心对齐的相位关系，达到在高速数据传输率下能够正确捕捉数据的目的。自校正过程结束后，延迟控制信号值保持当前状态不变，自校正模块将相应控制信号置高表示测试模式有效并返回至微处理器模块。
[0072]正常工作模式:微处理器模块根据校正模式下返回有效的控制信号，通过总线通讯模块对数据采集模块重新进行配置，使其工作在正常采样模式下并对接收机输出的两路正交信号数据进行采集。
[0073]最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种大气水汽微波探测谱分析系统，包括依次串联的:天线与馈电模块、接收机模块、数据采集模块、功率谱计算模块、积分平均模块和主控计算机； 所述天线和馈电模块用于探测并接收22.235GHz ±0.25GHz微波段大气水汽吸收线谱及窗口频率的辐射亮温信号；包括天线和馈电单元； 所述接收机模块用于由同一温补晶振经功分器后分频产生两级本振，一级本振17.548GHz，二级本振4.387GHz，实现对天线及馈电模块输出的探测信号进行两级下变频；其中一次下变频后产生的中频信号经放大、滤波处理后进行90度功分，将探测信号分成两路正交模拟信号； 所述数据采集模块用于将接收机模块输出的两路正交模拟信号转化为两路正交数字信号，并产生所需频率的时钟信号；包括:数据采集芯片和时钟发生芯片； 所述功率谱计算模块，用于对数据采集模块输出两路正交数字信号进行快速傅里叶变换，实现从时域到频域的转化，并将两路正交信号幅度谱平方后相加产生功率谱； 所述积分平均模块用于对连续产生的单帧幅度谱实现积分平均； 所述主控计算机用于根据幅度谱值计算大气水汽的辐射亮温，从而反演出大气湿度、水汽廓线。2.根据权利要求1所述的大气水汽微波探测谱分析系统，其特征在于，所述系统还包括依次串联的:自校正模块、微处理器模块和总线通讯模块；其中所述总线通讯模块与所述数据采集模块相连； 所述自校正模块:用于对板极间线路长度差别引起的采样数据与时钟之间中心对齐的相位偏移进行校准，保证系统在高速数据传输速率下能够正确采样； 所述微处理器模块:用于为整个系统提供正常的工作时序，发送控制指令；包括:微处理器芯片； 所述总线通讯模块:用于通过串行通讯总线向所述数据采集芯片发送配置数据，使数据采集芯片向微处理器模块发送位宽7比特、速率500MSPS的低压差分的数据采集信号，使时钟发生芯片发送频率为250MHz低压差分时钟信号。3.根据权利要求1-2所述的大气水汽微波探测谱分析系统，其特征在于，所述接收机模块包括:隔离器、一级放大器、一级带通滤波器、一级混频器、第一中放、自动增益控制单元、90度电桥、二级混频器、第二中放、两个二级带通滤波器和两个二级放大器； 所述隔离器用于防止接收机模块内部信号泄露； 所述一级放大器用于对所述天线和馈电模块输出的探测信号进行放大； 所述一级带通滤波器用于对所述一级放大器输出的信号进行放大及带外抑制，产生一个中心频率为22.235GHz带宽为500MHz射频信号； 所述一级混频器用于完成所述一级带通滤波器输出的射频信号至一级中频信号的频率下变换处理； 所述第一中放用于对所述一级混频器输出的信号进行放大及带外抑制，产生一个中心频率为4.687GHz带宽为500MHz的一级中频信号； 所述自动增益控制单元用于稳定接收机模块的系统增益，使接收机模块的输出电压保持在恒定电平上； 所述90度电桥用于对所述第一中放输出的一级中频信号进行功分，输出两路正交模拟信号； 所述二级混频器用于对所述90度电桥输出的两路模拟正交信号经进行一级中频信号至二级中频信号的频率下变换处理； 所述第二中放用于将两路模拟正交信号直接输出，作为全功率辐射计的应用； 所述两个带通滤波器和两个二级放大器分别用于对两路模拟正交信号进行处理，产生两路中心频率为0.3GHz，频带宽度为500MHz的二级中频信号。4.根据权利要求1-2所述的大气水汽微波探测谱分析系统，其特征在于，所述功率谱计算模块包括:两个16k-快速傅里叶变换蝶形运算引擎、两个乘法器和一个加法器； 所述16k-快速傅里叶变换蝶形运算引擎有独立的存储结构，用于存储数据采集模块的输入数据及蝶形运算中间结果；工作频率为250MHz，实现一次对2M点科学数据进行快速傅里叶变换，其中M为正整数，实现数字信号从时域到频域的变换，并具备同时对当前一帧数据进行快速傅里叶变换，输出上一帧数据的结果，并加载下一帧输入数据的能力，实现连续的快速傅里叶变换； 所述两个乘法器分别对两个16k-快速傅里叶变换蝶形运算引擎输出的复频域对应分量进行平方运算； 所述加法器将两个乘法器的输出结果进行求和运算，输出探测信号的单帧幅度谱值。5.根据权利要求4所述的大气水汽微波探测谱分析系统，其特征在于，所述积分平均模块包括:双端口存储器；所述双端口存储器的存储深度为2M，工作时钟为250MHz ;所述双端口存储器的两个端口独立配置、独立工作；一个端口工作在写状态，另一端口工作在读状态；在内部状态机的控制下对双端口存储器的两个端口产生写控制信号及读控制信号，并产生响应写地址及读地址信号。6.根据权利要求5所述的大气水汽微波探测谱分析系统，其特征在于，所述双端口存储器从读端口读入上一帧幅度谱值，与当前一帧幅度谱值进行累加平均后在写信号控制下通过写端口输入所述双端口存储器的存储器内，其累计次数对应积分时间，从而对两帧幅度谱值实现积分平均，并输出平均后的幅度谱值。
【文档编号】G01S13/95GK105988115SQ201510065359
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月6日
【发明人】封天, 张升伟, 王新彪, 张瑜
【申请人】中国科学院空间科学与应用研究中心