一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪制造技术

本发明专利技术公开了一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，所述可配置数字谱仪包括：高速AD模块、处理模块、通讯模块和设置于上位机的控制模块；处理模块通过FPGA实现，其中，高速AD模块，用于根据处理模块发送的采样命令，设置采样模式进行信号采样，并对被采信号进行模数转换后发送至处理模块；处理模块，用于接收并解析配置指令，发送采样命令至高速AD模块，并接收采样信号，根据配置指令，设置延时数量，完成采样信号的频分或时分处理并发送至通讯模块；通讯模块，用于将收到的配置指令发送至处理模块，并以一定速率将收到的数字信号发送至控制模块；控制模块，用于生成配置指令发送至通讯模块，并接收通讯模块发送的数字信号。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪
本专利技术涉及被动遥感领域，尤其涉及一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪。
技术介绍
作为一种被动遥感器，星载、地基微波辐射计是观测大气的重要技术手段。不同频段的微波辐射计可以应用到不同的科学目标探测。微波辐射计可以测得大气温湿度廓线，其是影响全球气象与气候变化的重要参数。微波辐射计临边探测可以得到大气中痕量气体的现状，了解污染物的输送及其复杂性，对研究气候变化极其必要。微波高光谱概念在2011年由美国麻省理工林肯实验室提出，与常规的辐射计相比显著提高了温湿度廓线的反演精度和垂直分辨率。对于谱分析来说，系统带宽越宽则可以一次获取大气更完整的谱信息，例如50G～60G的氧气吸收谱就需要10GHz带宽的处理能力。同时系统谱分辨率越高则包含更多的细节信息。精细观测大气成分的分子谱线需要后端谱仪具备频谱分辨率高且带宽较宽的能力。高光谱辐射计将观测频段带宽划分为更细的子带，获取更详细谱信息。高光谱微波辐射计适应目前高精度、定量化、精细化遥感的发展趋势。传统的谱分析采用模拟滤波器组方法。模拟滤波器组方法采用多个模拟滤波器。相比于模拟滤波器组，数字谱仪利用数字化技术，具有很高的机械稳定性、热稳定性和更高的频谱分辨率。其中，延时相关方法相对于FFT、数字滤波器方案具有更简洁的时序结构，有利于进一步的ASIC设计。相比于FFT，延时相关方法可以获得更多有效积分时间。目前已有的模拟滤波器组的辐射计通道数都很有限。林肯实验室研制的高光谱微波大气探测仪，118.75GHz频段具有10GHz带宽，36个通道；183.31GHz频段具有10GHz带宽，16个通道。我国风云卫星中50～60GHz频段：早期4通道，中期7通道，目前12-13通道。北京航空航天大学研制的地基K波段高光谱微波辐射计频率范围18-26GHz，具有80通道。其采用滤波器组方案，第一级：通道切换/频段串行粗分；第二级：梳状滤波器组/通道并行细分。这种方案不适应星载辐射计快速扫描观测，且滤波器庞大，通道数提升空间也很有限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种高光谱微波辐射计中可配置的数字谱仪。本专利技术提出了一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，所述可配置数字谱仪包括：高速AD模块、处理模块、通讯模块和设置于上位机的控制模块；处理模块通过FPGA实现，其中，所述高速AD模块，用于根据处理模块发送的采样命令，设置采样模式进行信号采样，并对被采信号进行模数转换后发送至处理模块；所述处理模块，用于接收并解析配置指令，发送采样命令至高速AD模块，并接收模数转换后的采样信号，根据配置指令，设置延时数量，完成采样信号的频分或时分处理并发送至串口模块；所述通讯模块，用于将收到的配置指令发送至处理模块，并以一定速率将收到的数字信号发送至控制模块；所述控制模块，用于生成配置指令发送至通讯模块，还用于接收通讯模块发送的数字信号。作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述配置指令包括包头和数据体；其中，所述数据体包括：寄存器标识符、寄存器长度、延时相关参数标识符、延时相关参数、采样通道数标识符和采样通道数。作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述处理模块包括：配置命令接收解析单元、信号接收分配单元、频分算法处理单元、直接延时相关处理单元、时分算法处理单元和采样命令发送单元；其中，所述配置命令接收解析单元，用于接收并解析配置指令，根据寄存器标识符，获得寄存器长度A，根据延时相关参数标识符，获得延时相关参数k，根据采样通道数标识符，获得采样通道数c，将寄存器长度A、延时相关参数k和采样通道数c发送至信号接收分配单元；所述信号接收分配单元，用于接收高速AD模块发送的采样信号，根据寄存器长度A、延时相关参数k和采样通道数c进行判断：如果延时相关参数k和采样通道数c均大于1，将采样信号、延时相关参数k和采样通道数c转发至频分算法处理单元；如果寄存器长度A和采样通道数c均等于1且延时相关参数k大于1，将采样信号和延时相关参数k转发至直接延时相关处理单元；如果寄存器长度A大于1且延时相关参数k大于1，将采样信号、寄存器长度A和延时相关参数k转发至时分算法处理单元；所述频分算法处理单元，用于根据延时相关参数k和采样通道数c，在频域对采样信号进行并行滤波及延时相关处理，相乘累加得到处理后的数字信号发送至通讯模块；所述直接延时相关处理单元，用于根据延时相关参数k，对采样信号在时域进行延时处理，相乘累加得到延时相关结果发送至通讯模块；所述时分算法处理单元，用于根据寄存器长度A和延时相关参数k，对采样信号进行串并转换，在时域缓存进行延时处理，相乘累加得到处理后的数字信号发送至通讯模块；所述采样命令发送单元，用于根据采样通道数c生成采样命令并发送至高速AD模块。作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述频分算法处理单元的具体处理过程为：根据采样通道数c，设置滤波器的个数为c，对采样信号进行并行滤波，得到c路滤波后的子带信号；根据延时相关参数k，将c路信号的每一路的延时通道个数设置为k/c，每个延时通道的时长设置为ΔT，ΔT为一个采样时钟周期，对c路信号进行并行计算，得到处理后的数字信号并发送至串口模块。作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述直接延时相关处理单元的具体处理过程为：根据延时相关参数k，设置延时通道的个数为k，每个延时通道的时长设置为ΔT；对每组延时数据与原始的采样信号进行相乘累加操作得到延时相关结果；将延时相关结果发送至通讯模块。作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述时分算法处理单元的具体处理过程为：根据寄存器长度A，设置移位寄存器的长度为A，从而使得串并通道的个数为A；对收到的采样信号进行数字串并转换得到A路信号；对A路信号进行移位处理；根据延时相关参数k，将移位后的A路信号的每一路的延时通道个数设置为k，每个延时通道的时长设置为ΔT，对A路信号进行并行计算，完成A*(k+1)组乘法与累加，得到处理后的数字信号并发送至通讯模块。作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述高速AD模块的具体实现过程为：根据收到的采样命令，得到采样通道数c，设置c路采样模式进行采样；对采样信号进行模数转换并发送至处理模块。作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述可配置数字谱仪还包括时钟模块，用于为高速AD模块提供采样时钟，并提供同步的时钟给处理模块与现有技术相比，本专利技术的优势在于：1、本专利技术提出一种可配置数字谱仪，通过上位机配置延时数量以控制频谱通道数；采用延时相关算法实现谱分析通道数量的配置，只需要增加延时模块，不需要重新改写整个单元；2、本专利技术的可配置数字谱仪提供了频分、时分两种算法，更大提高谱仪带宽和频谱分辨率；3、本专利技术的可配置数字谱仪具有流水线简洁结构，更适合芯片化设计，为满足星载低功耗提供了可行方案；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，其特征在于，所述可配置数字谱仪包括：高速AD模块、处理模块、通讯模块和设置于上位机的控制模块；处理模块通过FPGA实现，其中，/n所述高速AD模块，用于根据处理模块发送的采样命令，设置采样模式进行信号采样，并对被采信号进行模数转换后发送至处理模块；/n所述处理模块，用于接收并解析配置指令，发送采样命令至高速AD模块，并接收模数转换后的采样信号，根据配置指令，设置延时数量，完成采样信号的频分或时分处理并发送至串口模块；/n所述通讯模块，用于将收到的配置指令发送至处理模块，并以一定速率将收到的数字信号发送至控制模块；/n所述控制模块，用于生成配置指令发送至通讯模块，还用于接收通讯模块发送的数字信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，其特征在于，所述可配置数字谱仪包括：高速AD模块、处理模块、通讯模块和设置于上位机的控制模块；处理模块通过FPGA实现，其中，
所述高速AD模块，用于根据处理模块发送的采样命令，设置采样模式进行信号采样，并对被采信号进行模数转换后发送至处理模块；
所述处理模块，用于接收并解析配置指令，发送采样命令至高速AD模块，并接收模数转换后的采样信号，根据配置指令，设置延时数量，完成采样信号的频分或时分处理并发送至串口模块；
所述通讯模块，用于将收到的配置指令发送至处理模块，并以一定速率将收到的数字信号发送至控制模块；
所述控制模块，用于生成配置指令发送至通讯模块，还用于接收通讯模块发送的数字信号。


2.根据权利要求1所述的用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，其特征在于，所述配置指令包括包头和数据体；其中，
所述数据体包括：寄存器标识符、寄存器长度、延时相关参数标识符、延时相关参数、采样通道数标识符和采样通道数。


3.根据权利要求2所述的用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，其特征在于，所述处理模块包括：配置命令接收解析单元、信号接收分配单元、频分算法处理单元、直接延时相关处理单元、时分算法处理单元和采样命令发送单元；其中，
所述配置命令接收解析单元，用于接收并解析配置指令，根据寄存器标识符，获得寄存器长度A，根据延时相关参数标识符，获得延时相关参数k，根据采样通道数标识符，获得采样通道数c，将寄存器长度A、延时相关参数k和采样通道数c发送至信号接收分配单元；
所述信号接收分配单元，用于接收高速AD模块发送的采样信号，根据寄存器长度A、延时相关参数k和采样通道数c进行判断：如果延时相关参数k和采样通道数c均大于1，将采样信号、延时相关参数k和采样通道数c转发至频分算法处理单元；如果寄存器长度A和采样通道数c均等于1且延时相关参数k大于1，将采样信号和延时相关参数k转发至直接延时相关处理单元；如果寄存器长度A大于1且延时相关参数k大于1，将采样信号、寄存器长度A和延时相关参数k转发至时分算法处理单元；
所述频分算法处理单元，用于根据延时相关参数k和采样通道数c，在频域对采样信号进行并行滤波及延时相关处理，相乘累加得到处理后的数字信号发送至通讯模块；
所述直接延时相关处理单元，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆浩，王振占，张升伟，刘璟怡，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11