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红外干涉仪器实时数据处理技术研究

刘加庆  
【摘要】:干涉仪器具有高光谱分辨率、高光通量、多通道、宽光谱覆盖等优点,是空间遥感技术和大气探测技术的重要发展方向。星载干涉仪器获取的高分辨率大气红外辐射谱,在环境应用中可用于大气化学组分、空气污染物、痕迹气体及温室气体探测;在气象应用中,可用于反演大气温湿度、水汽等的垂直廓线;另外还可用于行星大气组分探测。干涉仪器基于干涉原理,获取的干涉数据须经光谱反演才能获得目标光谱。由于干涉仪器的高分辨率和宽波段等特点,其数据获取量非常大,存在数传瓶颈。因此有必要对仪器获取数据进行在轨处理以降低仪器在轨数据存储和下传数据量。本论文主要研究红外干涉仪器的实时数据处理技术。 论文首先介绍了傅里叶光谱仪及其在轨数据处理技术的发展情况,阐述了国际上星载干涉仪器的典型处理方案。深入调研和研究了干涉数据的光谱反演理论,以此为基础,提出基于光谱复原和有效光谱提取的实时数据处理方案。 论文在对国内外星载数据处理系统的硬件平台进行广泛调研的基础上,并结合数据处理运算量大、算法结构规则、实时性要求较高等星上数据处理的特点,确定了Xilinx FPGA作为数据处理实现硬件。并给出了一种FPGA抗辐射能力增强的处理系统方案。 论文介绍了星载干涉仪器数据的整体处理流程,包含星上实时数据处理部分和地面后续处理部分。重点阐述了实时数据处理总体方案和相关算法原理、数学模型和性能分析。包括毛刺检测/校正算法、非线性校正算法、零点检测算法、FFT算法、相位校正算法、光谱编码算法、干涉数据叠加均值算法等。 论文给出了数据处理系统的FPGA硬件实现。包括数据处理板卡设计、相关算法的FPGA实现、PCIE数据接口、上位机程序和硬件实现结果分析。 研究结果表明,本课题提出的数据处理方案和相关算法设计是合理和可行的。通过对干涉仪器数据的实时处理,可实现下传数据量的降低。本课题的研究结果对于红外干涉仪器实时数据处理技术的深入研究及其工程化具有重要参考价值。


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