k波段微波辐射谱仪的设计与实现

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1、•中国科学院大学密级：UniversityofChineseAcademy,ofSciences硕士学位论文K波段徹波辐射谱仪的设计与实现課：.絮厂等.：•--、•'....、忍.->•,-.、:：：讀絲作者姓名:指导教师：.舰-mm懇中国剰^院空象与应用研究中心学位类别:工程硕+学科专业:电子与通信工程研宄所：中国甜举院空充中心丨••2015年5月关于学位论文使用权声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经著作权人授权，不得将本论文转借他人并复印、抄录、拍照、或以任何方式传播。否则，引起有碍著作权人著作权益之问题，将可能承担法律责任。关于学位论文使用授权的说明本

2、人完全了解中国科学院XXX所有关保存、使用学位论文的规定，即：中国科学院XXX所有权保留学位论文的副本，允许该论文被査阅；中国科学院XXX所可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该论文。(涉密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：m导师签名;日期:aoi£-关于学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研宄工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。签名：揪导师签名:日期

3、：S-密级:硕士学位论文K波段微波辐射谱仪的设计与实现作者姓名：封天指导教师:张升伟研究员中国科学院空间科学与应用研究中心学位类别:工程硕士学科专业:电子与通信工程研究所:中国科学院空间科学与应用研究中心2015年5月DesignandImplementofK-bandMicrowaveRadiometerwithaFastFourierTransformSpectrumAnalysisBankendBy[TianFeng]AThesisSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillme

4、ntoftherequirementForthedegreeofMasterof[ElectronicsandCommunicationEngineering][CenterforSpaceScienceandAppliedResearchChineseAcademyofSciences]May,2015摘要水汽是地球大气的关键组成成分，由于分子内部转动能级的跃迁发射或吸收辐射，在微波及远红外区域会产生旋转谱线。微波辐射计通过对水汽最大吸收频点及其附近频率的辐射测量可以确定大气水汽沿垂直高度的剖面分布。在微波段到亚毫米波段具有谱分析技术的微波辐射计用于探测和测量广泛存在于

5、行星、彗星大气层中的分子谱线。这种具有频谱分析能力的微波辐射计可提供几十MHz到1-2GHz连续频谱观测范围，并将连续的宽频谱分为上千个频率探测通道用于观测气态分子云在不同频率通道对应辐射亮温。微波辐射数字谱分析仪是具有精细频谱分析能力的微波辐射计，是近年来被动微波遥感器的技术发展方向之一。本文主要内容如下：（1）简述了微波辐射传递理论及气体吸收发射原理，以及基于快速傅里叶变换算法（FFT）的K波段微波辐射数字谱分析系统的实现原理及设计指标。K波段微波辐射数字谱仪主要由微波辐射正交接收机和后端数字谱分析系统组成。正交接收机主要用于接收大气水汽在最大吸收频点22.235GH

6、z处的微波辐射信号并进行频率下变换，并将输入信号分成I/Q两路正交信号，在满足奈奎斯特采样定理的前提下后效降低了谱分析后端为实现高速数据处理的时序要求；阐述了数字谱分析后端硬件平台XILINX公司7系列下带有4DSP高速模拟子卡的Kintex-7-FPGA评估开发套件，给出相关硬件参数及资源情况；（2）完成了基于FPGA技术的后端数字谱分析系统的技术实现，详细阐述了FPGA模块设计的硬件层次结构及设计过程，主要包括数据传输及校正单元、SPI串行总线单元、MMCM时钟单元、定点数-浮点数转换单元、快速傅里叶变换及功率谱计算单元、DPRAM非相干累计单元。详细阐述各个单元的实

7、现方案及程序流程，采用ISE14.7开发软件进行编程实现，并使用Modelsim仿真工具和Chipscope在线逻辑分析仪实现各个模块的功能仿真并验证后端数字谱分析系统各个单元的时序正确性；给出了典型波形信号的频谱分析结果，验证了系统的谱分析功能；（3）搭建完成K波段地基辐射计数字谱分析系统，通过试验获取了大气水汽在22.235GHz及其附近频率吸收谱线，频率分辨率15kHz，可实时连续观测。利用FPGA丰富的硬件资源实现了低功耗和小型化设计，具有方便移植、可扩展的特点，为今后的系统升级奠定基础，也为其它频段的微波、毫米波及亚