基于FPGA的微波輻射計數控系統設計與實(shí)現

　　微波輻射計是一種被動(dòng)式的微波遙感器，用于全天時(shí)、全天候地觀(guān)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)與資源調查、海洋環(huán)境與海況檢測、災害性天氣預報與檢測等研究中發(fā)揮了重要作用。由于微波輻射計是一種被動(dòng)式的遙感器，其靈敏度要求很高，同時(shí)，由于當今遙感儀器的設計越來(lái)越趨于高功能密度及小型化，因此，要求多通道微波輻射計的數據處理與控制系統具有高可靠性、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等特點(diǎn)。以往多數微波輻射計數控系統中采用的以80C31為核心的設計，由于受微處理器芯片和外圍電路的限制，擴展性差，所占體積較大，且需要多塊電路板協(xié)調工作，功耗較大。鑒于FPGA功能強大、邏輯速度快、功耗低及可移植性強等優(yōu)點(diǎn)，本文采用FPGA為核心進(jìn)行微波輻射計數控系統設計，實(shí)現了設備的低功耗和輕小型化。

　　1 系統結構

　　5頻段雙極化微波輻射計共10個(gè)通道，其中每個(gè)頻段結構框圖如圖1所示，由天線(xiàn)單元、接收機單元、定標單元、數據處理與控制系統、測溫電路等功能模塊組成。接收機單元包括內檢波、低頻放大、積分等部分[1]。接收機的輸入端通過(guò)電子開(kāi)關(guān)周期地在天線(xiàn)單元和定標單元之間切換，同時(shí)噪聲源在加電和不加電兩種狀態(tài)下與匹配負載耦合，從而使定標源產(chǎn)生高、低不同的亮溫，5個(gè)頻段共用一套數據處理與控制系統。

　　數據管理與控制系統接收遠程計算機注入指令包，控制系統開(kāi)關(guān)機和噪聲源上下電，系統上電后，由接收機單元接收的模擬信號送入數據處理與控制系統，由數據處理與控制系統進(jìn)行數據采集與存儲，AGC自動(dòng)增益控制、工作狀態(tài)控制以及與遠程計算機的數據通信?？梢?jiàn)，數據處理與控制系統在微波輻射計各模塊中處于至關(guān)重要的位置。

　　1.1 數控系統總體結構

　　數控系統由FPGA及外圍電路、數據采集電路、AGC自動(dòng)增益控制電路、系統開(kāi)關(guān)控制電路、電平轉換電路、總線(xiàn)接口電路等部分組成，如圖2所示。

　　FPGA根據系統既定的時(shí)序或遠程計算機注入的控制指令，通過(guò)電平轉換電路進(jìn)行轉換后，控制數據采集電路完成科學(xué)數據和溫度數據的采集，并控制AGC自動(dòng)增益控制電路為多通道微波輻射計冷源和熱源的定標提供AGC調整值[2]。同時(shí)，FPGA通過(guò)控制電平控制系統開(kāi)關(guān)，由控制電路完成整個(gè)系統、接收機和噪聲源的開(kāi)關(guān)機功能，并完成科學(xué)數據包到遠程計算機的回傳。