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毫米波大气臭氧探测辐射计系统设计

班磊 何杰颖 张升伟

班磊, 何杰颖, 张升伟. 毫米波大气臭氧探测辐射计系统设计[J]. 空间科学学报, 2024, 44(2): 318-325. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0053
引用本文: 班磊, 何杰颖, 张升伟. 毫米波大气臭氧探测辐射计系统设计[J]. 空间科学学报, 2024, 44(2): 318-325. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0053
BAN Lei, HE Jieying, ZHANG Shengwei. System Design of Millimeter Wave Atmospheric Ozone Radiometer (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(2): 318-325 doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0053
Citation: BAN Lei, HE Jieying, ZHANG Shengwei. System Design of Millimeter Wave Atmospheric Ozone Radiometer (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(2): 318-325 doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0053

毫米波大气臭氧探测辐射计系统设计

doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0053 cstr: 32142.14.cjss2024.02.2023-0053
基金项目: 中国科学院青年交叉团队项目资助 (JCTD-2021-10)
详细信息
    作者简介:
    • 班磊:男, 1998年3月出生于内蒙古自治区锡林郭勒盟, 中国科学院国家空间科学中心硕士, 主要研究方向为微波、毫米波辐射计系统设计. E-mail: leiban915@163.com
  • 中图分类号: TP73

System Design of Millimeter Wave Atmospheric Ozone Radiometer

  • 摘要: 平流层臭氧浓度对于地球气候变化和生态环境有着重要影响. 具有谱分析能力的高光谱毫米波辐射计是一种用来探测大气痕量气体的被动式微波遥感器, 能够有效探测大气臭氧垂直廓线, 在空间地球科学领域中具有十分重要的应用价值. 本文研制了一种探测平流层大气臭氧吸收谱线的新型高光谱毫米波臭氧辐射计系统, 该系统结构包括射频接收机和数字后端谱分析仪. 射频接收机部分采用超外差结构获取142.175 GHz±100 MHz带宽信号, 数字后端谱分析部分采用高性能模数转换器对输入模拟信号进行5×108 sample·s–1采样, 14 bit量化, 输入信号3 dB带宽200 MHz, 通过高性能现场可编程门阵列(FPGA)获取信号功率谱, 实现了探测通道数16384, 谱分辨率12.2 kHz. 根据辐射计系统关键模块的设计方案、器件选型和测试方法, 开展大气探测实验, 并将实验结果与大气辐射传输模拟软件(ARTS)仿真结果进行对比, 得出系统灵敏度及各项指标可以满足大气臭氧反演需求, 验证了系统设计的正确性, 满足平流层臭氧浓度监测、预警及其导致的气候变化研究的应用需求.

     

  • 图  1  大气臭氧毫米波辐射计系统原理

    Figure  1.  Block diagram of atmospheric ozone millimeter wave radiometer system

    图  2  射频接收机实物

    Figure  2.  RF receiver physical map

    图  3  射频接收机频谱特性曲线

    Figure  3.  Spectrum characteristic curve of RF receiver

    图  4  辐射计数字后端系统结构

    Figure  4.  Diagram of the radiometer digital back-end system structure

    图  5  JESD204 B接口结构

    Figure  5.  JESD204 B interface structure

    图  6  JESD204 B接口传输仿真结果

    Figure  6.  JESD204 B interface transmission simulation results

    图  7  输入375 MHz正弦波信号时输出的信号功率谱

    Figure  7.  Output power spectrum of the 375 MHz sin wave input signal

    图  8  I路信号时域

    Figure  8.  I signal time domain diagram

    图  9  Q路信号时域

    Figure  9.  Q signal time domain diagram

    图  10  大气、冷源、热源吸收谱线

    Figure  10.  Atmosphere, cold source, heat source absorption lines

    图  11  大气吸收谱线仿真结果

    Figure  11.  Simulation results of atmospheric absorption lines

    图  12  测量大气臭氧谱线对应亮温与仿真结果的对比(蓝色曲线为经过两点定标后获得的大气臭氧吸收谱线对应亮温, 红色曲线为相应频段仿真结果)

    Figure  12.  Brightness temperature corresponding to the measured atmospheric ozone spectral line and the simulation results (The blue curve represents the ozone absorption spectral line corresponding to the brightness temperature obtained after two-point calibration, while the red curve depicts the simulation result of the corresponding frequency band)

    表  1  ADC芯片主要参数

    Table  1.   Main parameters of ADC chip

    主要参数 数值
    通道数 4
    量化位宽 14 bit
    输入电压(峰值) 1.8 V
    输入饱和功率 >0 dBm
    输入阻抗 50 Ω
    输入带宽 375±100 MHz
    有效量化位数 ≥10 bit
    采样率 5×108 sample·s–1
    下载: 导出CSV
  • [1] LACIS A A, WUEBBLES D J, LOGAN J A. Radiative forcing of climate by changes in the vertical distribution of ozone[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1990, 95(D7): 9971-9981 doi: 10.1029/JD095iD07p09971
    [2] 白开旭. 全球大气臭氧总量变化趋势及其区域气候影响机制研究[D]. 上海: 华东师范大学, 2015

    BAI Kaixu. Investigations of the Long-Term Variability of Global Total Column Ozone and its Impacts on Regional Climate Change[D]. Shanghai: East China Normal University, 2015
    [3] DEL FRATE F, CASADIO S, ZEHNER C. Retrieval of ozone profiles by using GOME measurements and a neural network algorithm[C]//Proceedings of the IEEE 2000 International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Taking the Pulse of the Planet: the Role of Remote Sensing in Managing the Environment. Honolulu: IEEE, 2000: 205-207
    [4] 周颖, 黄云彪, 李东玲, 等. 一种改进型非交叉非对称C-T结构近红外微型光谱仪设计[J]. 仪器仪表学报, 2021, 42(5): 25-33

    ZHOU Ying, HUANG Yunbiao, LI Dongling, et al. Design of the improved micro near spectrometer based on non-cross asymmetric C-T structure[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2021, 42(5): 25-33
    [5] ULABY F T, MOORE R K, FUNG A K. Microwave Remote Sensing: Active and Passive. Volume I-Microwave Remote Sensing Fundamentals and Radiometry[M]. Norwood, MA: Addison-Wesley Publishing Company, 1981
    [6] FERNANDEZ S, MURK A, KÄMPFER N. GROMOS-C, a novel ground-based microwave radiometer for ozone measurement campaigns[J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2015, 8(7): 2649-2662 doi: 10.5194/amt-8-2649-2015
    [7] HILLIARD L, RACETTE P, BLACKWELL W, et al. Hyperspectral Microwave Atmospheric Sounder (HyMAS) architecture and design accommodations[C]//Proceedings of 2013 IEEE Aerospace Conference. Big Sky: IEEE, 2013: 1-11
    [8] XIE Y, CHEN J X, LIU D W, et al. Development and calibration of a K-band ground-based hyperspectral microwave radiometer for water vapor measurements[J]. Progress in Electromagnetics Research, 2013, 140: 415-438 doi: 10.2528/PIER13050704
    [9] MULLER S C, MURK A, MONSTEIN C, et al. Intercomparison of digital fast Fourier transform and acoustooptical spectrometers for microwave radiometry of the atmosphere[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2009, 47(7): 2233-2239 doi: 10.1109/TGRS.2009.2013695
    [10] JIN J D, YAO Q J, LI S, et al. The terahertz radiometer for APSOS project at Yangbajing observing station[C]//Proceedings of 2018 IEEE MTT-S International Wireless Symposium. Chengdu: IEEE, 2018: 1-4
    [11] HAGEN J, MURK A, RÜFENACHT R, et al. WIRA-C: a compact 142-GHz-radiometer for continuous middle-atmospheric wind measurements[J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2018, 11(9): 5007-5024 doi: 10.5194/amt-11-5007-2018
    [12] 王子懿, 沈三民, 杨峰, 等. 基于FPGA的高速大容量存储与传输系统[J]. 电子测量技术, 2021, 44(13): 150-155

    WANG Ziyi, SHEN Sanmin, YANG Feng, et al. High speed and large capacity storage and transmission system based on FPGA[J]. Electronic Measurement Technology, 2021, 44(13): 150-155
    [13] 栾卉, 赵凯. 微波辐射计接收机两点定标法误差分析及准确性验证[J]. 红外与毫米波学报, 2007, 26(4): 289-292 doi: 10.3321/j.issn:1001-9014.2007.04.011

    LUAN Hui, ZHAO Kai. Error analysis and accuracy validation of two-point calibration for microwave radiometer receiver[J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2007, 26(4): 289-292 doi: 10.3321/j.issn:1001-9014.2007.04.011
    [14] 许皓文, 陆浩, 王振占. 高光谱微波辐射计系统中2GHz带宽数字谱仪设计[J]. 电子学报, 2022, 50(6): 1472-1479 doi: 10.12263/DZXB.20201178

    XU Haowen, LU Hao, WANG Zhenzhan. Design of 2 GHz bandwidth digital spectrometer in hyperspectral microwave radiometer system[J]. Acta Electronica Sinica, 2022, 50(6): 1472-1479 doi: 10.12263/DZXB.20201178
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-06
  • 录用日期:  2024-03-26
  • 修回日期:  2023-05-16
  • 网络出版日期:  2023-12-04

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