CN115575957A - 一种毫米波大气臭氧成分探测仪 - Google Patents

一种毫米波大气臭氧成分探测仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波大气臭氧探测仪，用于探测平流层的臭氧分布，探测仪包括：天线、射频/中频接收机和频谱分析系统；其中，天线，用于接收大气臭氧的毫米波辐射；射频/中频接收机，用于采用超外差混频体制，基于锁相本振对天线接收到的毫米波辐射信号进行频率下变换、放大及滤波处理；频谱分析系统，用于根据上位机的控制指令，基于改进的滤波器组结构并与FFT结构结合，实现对处理后的毫米波辐射信号进行快速傅里叶变换，输出整个频带的功率谱信号并发送至上位机进行臭氧成分探测分析。本发明可实现60kHz高光谱分辨率；探测带宽1GHz，能产生对平流层和中间层臭氧的良好测量响应，同时满足了低功耗、低重量和小型化的要求。

Description

一种毫米波大气臭氧成分探测仪
技术领域
本发明属于微波遥感技术领域，尤其涉及一种毫米波大气臭氧探测仪。
背景技术
随着大气探测科学的不断发展，人们开发了多种不同的技术来测量臭氧廓线。但大多都有其局限性：使用无线电探空仪、气球和飞机进行现场测量这类直接方法的主要缺点是飞行高度限制，难以到达平流层上部；激光雷达具有很好的垂直分辨率，但存在仅在夜间和晴空条件下测量的缺点；光学遥感器采用红外高光谱技术，可以提高大气廓线探测性能，但云雾等遮挡减少了大气信息的获取。
毫米波辐射计是一种用来接收在天线视场范围内的各种物体自身所辐射、散射或反射的毫米波噪声能量，并把它等效变换成黑体温度表示出来的一种无源毫米波遥感电子仪器。毫米波辐射测量是一种被动探测技术，它基于对在毫米波范围内经历旋转跃迁的分子发射的辐射进行检测和分析。毫米波臭氧成分探测仪是一种被动式的毫米波遥感器，也就是对平流层臭氧含量进行测量的毫米波辐射计。大气平流层顶部(upper stratosphere)至中间层(mesosphere)的臭氧毫米波辐射测量可通过机载或陆基遥感测量仪进行探测。毫米波臭氧成分探测仪能够在24小时内和不同天气条件下以高时间分辨率测量平流层及中间层顶(20-70km)臭氧廓线，并且可以拥有成百上千个连续频谱探测通道和数吉赫兹的探测带宽，且可以根据探测需求调整探测通道数。毫米波波辐射计可以探测大气层化学成分，尤其是在谱线狭窄的痕量气体的探测方面更有优势，同时也可用于深空探测和射电天文领域。
随着谱分析技术在毫米波辐射计后端广泛应用，已发展出多种形式的毫米波探测频谱分析系统。随着计算机技术及数字信号处理技术的快速发展，采用滤波器组形式的辐射计系统可用于实现若干个相邻频率通道的观测，但其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的限制。基于傅里叶变换的数字光谱仪可通过快速傅里叶变换(FFT)实现频谱分析技术，在通道数及频谱分辨率方面更具优势，但直接进行FFT进行谱分析容易存在频谱泄露的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种毫米波大气臭氧成分探测仪，用于地基或机载探测。
为了实现上述目的，本发明提出了一种毫米波大气臭氧成分探测仪，用于探测平流层的臭氧分布，所述探测仪包括：天线、射频/中频接收机和频谱分析系统；其中，
所述天线，用于接收大气臭氧的毫米波辐射；
所述射频/中频接收机，用于采用超外差混频体制，基于锁相本振对天线接收到的毫米波辐射信号进行频率下变换、放大及滤波处理；
所述频谱分析系统，用于根据上位机的控制指令，基于改进的滤波器组结构并与FFT结构结合，实现对处理后的毫米波辐射信号进行快速傅里叶变换，输出整个频带的功率谱信号并发送至上位机进行臭氧成分探测分析。
作为上述探测仪的一种改进，所述天线为喇叭天线，主探测频率为142.175GHz。
作为上述探测仪的一种改进，所述射频/中频接收机包括依次连接的低噪声放大器、混频器、中频放大器和带通滤波器，其中混频器通过采用锁相环使得本振稳定为142.675GHz，完成射频至中频的频率下变换。
作为上述探测仪的一种改进，所述频谱分析系统包括高速数字采集模块、数字信号处理模块和控制传输模块；其中，
所述高速数字采集模块，用于对射频/中频接收机发送的中频信号进行采样量化，向数字信号处理模块发送量化后的数据并进行通讯；
所述数字信号处理模块，基于FPGA实现，用于对量化后的数据进行数字下变频和数字信道化处理；
所述控制传输模块，用于向上位机发送数字信号处理模块处理后的数据，还用于执行上位机的控制指令，控制数字信号处理模块工作。
作为上述探测仪的一种改进，所述高速数字采集模块采用高速ADC芯片，在2GHz采样时钟下对中频信号进行高速采样量化输出高速串行的数字中频信号。
作为上述探测仪的一种改进，所述数字信号处理模块包括数字下变频单元、多相滤波与快速傅里叶变换单元；其中，
所述数字下变频单元，用于通过数控振荡器产生相互正交的数字本振源信号余弦波和正弦波，和输入的数字中频信号相乘，得到正交的I路零频信号和Q路零频信号；
所述多相滤波与快速傅里叶变换单元，包括D个多相分支模块和FFT模块，其中，
所述多相分支模块，用于对正交的I路零频信号和Q路零频信号分别进行移相、抽取操作并通过数字滤波器，生成多相分支信号，完成频域的信道划分；所述FFT模块，用于对全部多相分支信号进行并行FFT操作，整合输出整个频带的功率谱信号至上位机。
作为上述探测仪的一种改进，所述多相分支模块的处理过程具体包括：
接收机中经过ADC后的数字信号s(n)分别经移相处理后依次进行D倍抽取，得到抽取后的低速信号
Figure 628834DEST_PATH_IMAGE001
，其中p表示时域信道代号，m表示数据流点数，D为2的整数次幂；
低速信号
Figure 550522DEST_PATH_IMAGE001
分别经过每个时域信道的单位冲击响应函数
Figure 159358DEST_PATH_IMAGE002
，得到对应的输出
Figure 332850DEST_PATH_IMAGE003
。
作为上述探测仪的一种改进，所述FFT模块的处理过程具体包括：
将所有多相分支模块的输出
Figure 471095DEST_PATH_IMAGE003
均经过FFT IP核，得到执行一次M点FFT的输出信号
Figure 439051DEST_PATH_IMAGE004
，其中，p表示时域信道代号；
每一路
Figure 659817DEST_PATH_IMAGE004
分别经过FPGA ROM存储的复数旋转因子
Figure 496055DEST_PATH_IMAGE005
，经数据相乘模块后进行复数的乘法运算，累加后通过FFT以及并转串的数据处理，得到
Figure 361243DEST_PATH_IMAGE006
个复数点的结果
Figure 500100DEST_PATH_IMAGE007
并输出至上位机：
Figure 208162DEST_PATH_IMAGE008
其中，k表示频域信道代号。
作为上述探测仪的一种改进，所述控制传输模块基于ARM运行的协议栈，采用设定的交互协议进行数据的传输与指令的交互；所述交互协议包括：ADC与FPGA间数据传输的JESD204B协议，ARM与FPGA间通讯的AXI-Stream协议以及通过千兆以太网实现与上位机数据交互的TCP协议。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明的毫米波大气臭氧成分探测仪具有16384个探测通道，可实现60kHz高光谱分辨率；
2、本发明的探测带宽达到1GHz，与高光谱分辨率结合，产生了对平流层和中间层臭氧的良好测量响应，同时满足了低功耗、低重量和小型化的要求；
3、本发明的探测频率采用了142.175GHz，臭氧在此频段相较于110.8GHz有更强的辐射跃迁，在相同灵敏度接收机条件下可更加精确测量出臭氧光谱；
4、本发明的接收机采用超外差混频体制，锁相本振，具有灵敏度高、系统控制逻辑简单等特点；
5、本发明基于快速傅里叶变换的数字光谱仪，具有高光谱分辨率，可实现以60kHz 的高光谱分辨率观察142.175GHz的臭氧旋转发射线，并且在带宽、光谱分辨率和稳定性之间提供了良好的折衷；
6、本发明相比于现有滤波器组结构和FFT结构谱分析系统，通过改进滤波器组结构并与FFT结构巧妙结合，有效的节省了滤波器组结构的资源，并实现了大带宽多通道的探测，有效地提高了基于滤波器组结构的数字谱仪的频谱分辨率，并抑制了部分频谱泄露；
7、本发明涉及的谱分析系统基于大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)，FPGA满足了基于FFT技术的宽频谱光谱仪单位时间内需要进行庞大数据运算处理的要求且FPGA系统门数已接近千万门，具有体系结构完整逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点。
附图说明
图1是大气臭氧成分探测仪系统框图；
图2是探测仪射频接收机组成框图；
图3是数字信号处理单元组成框图；
图4是多相滤波器组结构数字信道化原理框图；
图5是并行FFT单元原理框图；
图6是控制传输模块流程框图。
具体实施方式
为了实现上述目的，本发明设计了一种毫米波大气臭氧成分探测仪。
毫米波大气臭氧成分探测仪包括：天线、射频/中频接收机、频谱分析单元。其中，
天线，用于接收大气臭氧的毫米波辐射；
射频/中频接收机，用于对天线接收到的毫米波辐射信号进行频率下变换、放大、滤波等处理；
频谱分析单元，完成中频信号的高速采集、频谱分析、数据传输并控制探测仪工作状态。
其中的高速数字采集模块，用于负责完成来自接收机中频信号的采样量化，向数字信号处理模块发送数据并进行通讯；
数字信号处理模块，用于对高速数字采集模块传输的数据进行数字下变频、数字信道化处理；
控制传输模块，向计算机发送数据并进行通讯，并执行计算机的控制指令，控制系统工作状态。
天线为喇叭天线，主探测频率为142.175GHz，探测要素为平流层臭氧的分布。
射频/中频接收机包括：低噪声放大器、混频器、带通滤波器、中频放大器。接收机采用超外差混频体制，本振采用锁相本振。信号首先经过低噪声放大，由混频器完成射频至中频的频率下变换，然后经过中频放大滤波后，输出至频谱分析模块进行中频模拟信号量化处理和频谱分析。
高速数字采集模块采用高速ADC芯片，在2GHz采样时钟下将模拟输入信号进行高速采样量化并将高速串行信号输出给数字信号处理模块。
数字信号处理模块包括：数字下变频（DDC），多相滤波与快速傅里叶变换（FFT），数字信号处理模块由集成了ARM处理器的FPGA电路板作为主控，通过高速接口协议接收来自数字采集模块的串行信号。信号首先经过数字下变频电路处理完成中频至基带的频率下变换，再经过多相滤波电路与快速傅里叶变换模块完成宽带信号在频域的信道划分和抽取操作，最终输出若干个低速率的子频带信号。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例
本发明的实施例提出了一种毫米波大气臭氧探测仪。如图1所示，为大气臭氧成分探测仪系统框图。该毫米波大气臭氧成分探测仪包括：天线、射频/中频接收机、频谱分析系统。频谱分析系统由高速数字采集模块、数字信号处理模块和控制传输模块。天线为喇叭天线，主探测频率为142.175GHz；控制传输模块，用于控制系统工作状态，向计算机发送数据并进行通讯，执行计算机的控制指令；高速数字采集模块采用高速ADC芯片，在2GHz采样时钟下完成对接收机前端输出的中频探测信号进行采集量化并对硬件板级间线路差别引起的偏移进行校正，保证系统在高速数据传输下能够正确传输数据；
探测仪射频接收机组成框图，如图2所示，包括：低噪声放大器、混频器、中频放大器、带通滤波器。接收机采用超外差射频前端。由于吸收峰频率探测对本振信号的稳定度要求较高，为保证频率稳定度，系统采用锁相本振。喇叭天线接收到信号，首先经过低噪声放大，再经过混频器完成射频至中频的频率下变换，然后经过中频放大滤波，滤波器选频以后输出至高速数字采集模块进行量化处理。
数字信号处理模块组成框图，如图3所示，包括数字下变频（DDC）电路，多相滤波电路与快速傅里叶变换（FFT）。数字下变频（DDC）电路的主要功能是由数控振荡器的产生相互正交的数字本振源信号余弦波和正弦波然后和输入的数字中频信号相乘，得到正交的两路I/Q零频信号送给数字基带处理。之后将宽带信号送入多相处理器和FFT电路，输出
Figure 457878DEST_PATH_IMAGE009
通道的功率谱信号，以达到12kHz的频谱分辨率。
多相滤波单元与快速傅里叶变换（FFT）单元原理框图，如图4所示，s(n) 为接收机中经过ADC后的数字信号，
Figure 570715DEST_PATH_IMAGE010
为经过
Figure 880473DEST_PATH_IMAGE011
倍抽取后的低速信号。多相系统支路中存在
Figure 75831DEST_PATH_IMAGE011
个滤波器的单位冲击响应
Figure 129238DEST_PATH_IMAGE012
,
Figure 969018DEST_PATH_IMAGE013
为子信道滤波通道中第
Figure 574312DEST_PATH_IMAGE014
路输出信号。传统的低通滤波器组结构各支路的输出为：
Figure 866753DEST_PATH_IMAGE015
其中
Figure 723850DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 542771DEST_PATH_IMAGE017
为信道数目；D为抽取倍数。多相DFT滤波器组结构是对传统低通结构的改进。定义
Figure 194332DEST_PATH_IMAGE018
，第k路信道输出为：
Figure 367212DEST_PATH_IMAGE019
定义：
Figure 762421DEST_PATH_IMAGE020
，有
Figure 311214DEST_PATH_IMAGE021
定义
Figure 523889DEST_PATH_IMAGE022
将
Figure 790923DEST_PATH_IMAGE023
代入上式可得
Figure 114457DEST_PATH_IMAGE024
其中，令多相支路数
Figure 517756DEST_PATH_IMAGE025
，若每条支路取
Figure 901333DEST_PATH_IMAGE026
点执行一次DFT，则可得到
Figure 655662DEST_PATH_IMAGE027
个复数点结果。若每条支路取
Figure 543675DEST_PATH_IMAGE028
点为一组执行一次DFT，则总点数为
Figure 67060DEST_PATH_IMAGE029
点，则
Figure 621539DEST_PATH_IMAGE030
，
原表达式为：
Figure 597585DEST_PATH_IMAGE031
其中
Figure 262921DEST_PATH_IMAGE032
，经过
Figure 906392DEST_PATH_IMAGE033
点累积可拓展为：
Figure 241559DEST_PATH_IMAGE034
Figure 95114DEST_PATH_IMAGE035
Figure 173928DEST_PATH_IMAGE036
(7)
将其原始公式整合可得：
Figure 671906DEST_PATH_IMAGE037
所以由并行FFT原理则可知，最终该结构可得到
Figure 305537DEST_PATH_IMAGE038
个复数点结果。需要说明，本实施例以此示例，采用超过16路的D路多相分支模块，以及超过1024点的M点FFT模块，可以得到
Figure 521755DEST_PATH_IMAGE006
个复数点结果(
Figure 528894DEST_PATH_IMAGE039
必须满足2的整数次方)。
具体的FFT结构原理框图，如图5所示，1024点 FFT 模块首先利用 FFT IP 核同时完成16路， 每一路1024点的 FFT，流水线IP的方式可以保证数据的实时性，旋转因子存储模块是通过FPGA ROM存储复数旋转因子，数据相乘模块对前面的结果进行复数的乘法运算，累加后通过并转串最终可以得到16384个复数点的结果。该结构充分利用硬件资源，降低处理器计算难度，便于工艺实现。
控制传输模块，流程框图如图6所示，通过DMA(直接内存存取)技术，采用以AXI-Stream协议建立ARM与FPGA间数据传输结构；基于ARM，通过由SDK软件环境集成的TCP/IP网络协议栈—LwIP (Lightweight IP)1.4.1 库，建立 LwIP 通讯测试工程，检验通讯功能。模块传输层采用TCP协议，通过千兆以太网实现指令和数据回传。
与传统的毫米波辐射计频谱仪相比，本发明提出的毫米波大气臭氧成分探测仪具有以下特点：
1、接收机采用超外差混频体制，锁相本振。具有灵敏度高、系统控制逻辑简单等特点。
2、系统为基于快速傅里叶变换的数字光谱仪，具有高光谱分辨率，可实现以60kHz 的高光谱分辨率观察142.175GHz的臭氧旋转发射线，并且在带宽、光谱分辨率和稳定性之间提供了良好的折衷。
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。

Claims (9)

1.一种毫米波大气臭氧成分探测仪，用于探测平流层的臭氧分布，其特征在于，所述探测仪包括：天线、射频/中频接收机和频谱分析系统；其中，
所述天线，用于接收大气臭氧的毫米波辐射；
所述射频/中频接收机，用于采用超外差混频体制，基于锁相本振对天线接收到的毫米波辐射信号进行频率下变换、放大及滤波处理；
所述频谱分析系统，用于根据上位机的控制指令，基于改进的滤波器组结构并与FFT结构结合，实现对处理后的毫米波辐射信号进行快速傅里叶变换，输出整个频带的功率谱信号并发送至上位机进行臭氧成分探测分析。
2.根据权利要求1所述的毫米波大气臭氧成分探测仪，其特征在于，所述天线为喇叭天线，主探测频率为142.175GHz。
3.根据权利要求1所述的毫米波大气臭氧成分探测仪，其特征在于，所述射频/中频接收机包括依次连接的低噪声放大器、混频器、中频放大器和带通滤波器，其中，所述混频器通过采用锁相环使得本振稳定为142.675GHz，完成射频至中频的频率下变换。
4.根据权利要求1所述的毫米波大气臭氧成分探测仪，其特征在于，所述频谱分析系统包括高速数字采集模块、数字信号处理模块和控制传输模块；其中，
所述高速数字采集模块，用于对射频/中频接收机发送的中频信号进行采样量化，向数字信号处理模块发送量化后的数据并进行通讯；
所述数字信号处理模块，基于FPGA实现，用于对量化后的数据进行数字下变频和数字信道化处理；
所述控制传输模块，用于向上位机发送数字信号处理模块处理后的数据，还用于执行上位机的控制指令，控制数字信号处理模块工作。
5.根据权利要求4所述的毫米波大气臭氧成分探测仪，其特征在于，所述高速数字采集模块采用高速ADC芯片，在2GHz采样时钟下对中频信号进行高速采样量化输出高速串行的数字中频信号。
6.根据权利要求4所述的毫米波大气臭氧成分探测仪，其特征在于，所述数字信号处理模块包括数字下变频单元、多相滤波与快速傅里叶变换单元；其中，
所述数字下变频单元，用于通过数控振荡器产生相互正交的数字本振源信号余弦波和正弦波，和输入的数字中频信号相乘，得到正交的I路零频信号和Q路零频信号；
所述多相滤波与快速傅里叶变换单元，包括D个多相分支模块和FFT模块，其中，
所述多相分支模块，用于对正交的I路零频信号和Q路零频信号分别进行移相、抽取操作并通过数字滤波器，生成多相分支信号，完成频域的信道划分；
所述FFT模块，用于对全部多相分支信号进行并行FFT操作，整合输出整个频带的功率谱信号至上位机。
7.根据权利要求6所述的毫米波大气臭氧成分探测仪，其特征在于，所述多相分支模块的处理过程具体包括：
接收机中经过ADC后的数字信号s(n)分别经移相处理后依次进行D倍抽取，得到抽取后的低速信号
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中p表示时域信道代号，m表示数据流点数，D为2的整数次幂；
低速信号
Figure 861523DEST_PATH_IMAGE001
分别经过每个时域信道的单位冲击响应函数
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，得到对应的输出
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
8.根据权利要求7所述的毫米波大气臭氧成分探测仪，其特征在于，所述FFT模块的处理过程具体包括：
将所有多相分支模块的输出
Figure 152565DEST_PATH_IMAGE003
均经过FFT IP核，得到执行一次M点FFT的输出信号
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，其中，M为2的整数次幂；
每一路
Figure 807668DEST_PATH_IMAGE004
分别经过FPGA ROM存储的复数旋转因子
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，经数据相乘模块进行复数的乘法运算，累加后通过FFT以及并转串的数据处理，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE006
个复数点的结果
Figure DEST_PATH_IMAGE007
并输出至上位机：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中，k表示频域信道代号。
9.根据权利要求4所述的毫米波大气臭氧成分探测仪，其特征在于，所述控制传输模块基于ARM运行的协议栈，采用设定的交互协议进行数据的传输与指令的交互；
所述交互协议包括：ADC与FPGA间数据传输的JESD204B协议，ARM与FPGA间通讯的AXI-Stream协议，以及通过千兆以太网实现与上位机数据交互的TCP协议。
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Citations (5)

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