基于FPGA的微波輻射計(jì)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式的微波遙感器，用于全天時(shí)、全天候地觀測全球大氣溫度和濕度、降雨量等空間氣象資料，在全球性水文循環(huán)探測、地質(zhì)與資源調(diào)查、海洋環(huán)境與海況檢測、災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)與檢測等研究中發(fā)揮了重要作用。由于微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式的遙感器，其靈敏度要求很高，同時(shí)，由于當(dāng)今遙感儀器的設(shè)計(jì)越來越趨于高功能密度及小型化，因此，要求多通道微波輻射計(jì)的數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)具有高可靠性、高分辨率、實(shí)時(shí)性好、體積小、重量輕、功耗低以及可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。以往多數(shù)微波輻射計(jì)數(shù)控系統(tǒng)中采用的以80C31為核心的設(shè)計(jì)，由于受微處理器芯片和外圍電路的限制，擴(kuò)展性差，所占體積較大，且需要多塊電路板協(xié)調(diào)工作，功耗較大。鑒于FPGA功能強(qiáng)大、邏輯速度快、功耗低及可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，本文采用FPGA為核心進(jìn)行微波輻射計(jì)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的低功耗和輕小型化。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　5頻段雙極化微波輻射計(jì)共10個(gè)通道，其中每個(gè)頻段結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由天線單元、接收機(jī)單元、定標(biāo)單元、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、測溫電路等功能模塊組成。接收機(jī)單元包括內(nèi)檢波、低頻放大、積分等部分[1]。接收機(jī)的輸入端通過電子開關(guān)周期地在天線單元和定標(biāo)單元之間切換，同時(shí)噪聲源在加電和不加電兩種狀態(tài)下與匹配負(fù)載耦合，從而使定標(biāo)源產(chǎn)生高、低不同的亮溫，5個(gè)頻段共用一套數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)。

　　數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)接收遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)注入指令包，控制系統(tǒng)開關(guān)機(jī)和噪聲源上下電，系統(tǒng)上電后，由接收機(jī)單元接收的模擬信號(hào)送入數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，AGC自動(dòng)增益控制、工作狀態(tài)控制以及與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信?？梢?，數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)在微波輻射計(jì)各模塊中處于至關(guān)重要的位置。

　　1.1 數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　數(shù)控系統(tǒng)由FPGA及外圍電路、數(shù)據(jù)采集電路、AGC自動(dòng)增益控制電路、系統(tǒng)開關(guān)控制電路、電平轉(zhuǎn)換電路、總線接口電路等部分組成，如圖2所示。

　　FPGA根據(jù)系統(tǒng)既定的時(shí)序或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)注入的控制指令，通過電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，控制數(shù)據(jù)采集電路完成科學(xué)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的采集，并控制AGC自動(dòng)增益控制電路為多通道微波輻射計(jì)冷源和熱源的定標(biāo)提供AGC調(diào)整值[2]。同時(shí)，F(xiàn)PGA通過控制電平控制系統(tǒng)開關(guān)，由控制電路完成整個(gè)系統(tǒng)、接收機(jī)和噪聲源的開關(guān)機(jī)功能，并完成科學(xué)數(shù)據(jù)包到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的回傳。