临边探测论文：临边探测痕量气体双偏置卡塞格伦天线数字自相关频谱仪

1、临边探测论文：临边探测痕量气体双偏置卡塞格伦天线数字自相关频谱仪【中文摘要】大气临边探测是一种新的大气观测方式，它既具有 天底观测方式的高空间覆盖范围，同时又具有掩星观测方式的高垂直 分辨率,可有效监测臭氧、气溶胶浓度、温室效应示踪气体以及在对 流层和平流层臭氧化学中具有重要影响的痕量气体(如：N02、BrOOCIO 和 SO2 的全球分布。但是，我国在轨运行的各类卫星还没有装 载能得到各种大气成分的临边探测仪，国内相关的研究刚刚起步。本 文总结并阐述当代微波临边探测仪采用的技术手段及其发展情况，设 计一个高对流层/低平流层大气毫米波辐射临边探测仪 (MLS-UTLS , 对 118GHz天线

2、性能进行了仿真，完成了基于 FPGA 技术的数字自相关 谱仪的方案设计，为后续研究提供技术先导。在基础理论方面，本文总 结并阐述了大气辐射传输一般理论和分子光谱学，介绍了目前临边探 测频带选取时一般程序。分析了临边观测方式的几何、观测状态对系 统垂直分辨率影响、系统灵敏度、观测高度的上限与下限，并且介绍了国外已发展的临边探测仪系统设计原理和方法，总结比较了各自的 性能指标。分析总结了当代微波临边探测仪常使用的系统设计技术，包括准光学理论、频率选择表面的原理和设计方法、极化分离线栅应 用考虑、卡塞格伦天线结构分析、馈源设计要求、混频器发展、超导 混频器常配合使用的制冷机技术发展以及频谱仪的发展。

3、参考已有系统,继承以往优秀的经验，设计了一个高对流层/低平流层大气毫米波辐射临边探测仪（MLSUTLS）,用以探测对流层顶部和平流层底部的 大气辐射吸收亮温，反演出大气温度、气压、湿度及微量和痕量气体 成分的密度及其分布变化。本文提出了 MLS-UTLSg 统的探测频带、 对应的探测目标、系统灵敏度、垂直分辨率、频率分辨率等系统指标。利用 TICAR公司的 Grasp 9 软件分析了卡式天线在 118GHZ 勺天线方 向图和天线辐射效率。采用准光学器件极化栅网、频率选择表面分离 从转换镜传输过来的辐射信号。折叠式法布里 -珀罗环形谐振功分器 实现辐射信号与本振信号的混合，并将他们馈入至辐射计的

4、混频器 中。常温肖特基二极管混频器实现辐射信号下变频。设计了二次中频转换模块,包括一级中频信号的频带分离模块、二级本振信号产生模 块和二次下变频器，给出了详细的设计框图。经过二次变频后，将信号 变换到中心频率统一为 900MHz 带宽为 1300MHZ 勺中频信号。后端 频谱分析仪由滤波器组结构和数字自相关频谱仪相结合的方式实现，采用四种不同带宽、不同分辨率的滤波器组实现频谱分析，以覆盖不 同海拔范围。 并且以表格的形式给出了各滤波器组对应的探测成分和 其实现方式。最后对本振产生子系统选择、系统的数控单元功能要求 和系统定标流程进行了相关考虑。 最后介绍了利用数字自相关原理进 行频谱检测的方法

5、，采用 FPGA 技术设计了一个自相关频谱仪，分析带 宽 12.5MHz，频谱分辨率为 0.15MHz 自相关频谱仪由 ADC 器件、核心 控制单元、乒乓RAM 数据缓冲模块、累加器模块、FFT 模块和求模运 算模块组成。使用流水线和乒乓 RAM 分时存储、读取数据，能够连续 不断地对 A/D 采集数据进行缓冲处理，并有效地减少系统运算时间。给出了自相关频谱仪的结构框图，详细介绍了各模块的实现，并在 ISE 环境中对各模块进行功能仿真。【英文摘要】 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