一種用于測云的地面太赫茲雷達系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及雷達技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種用于測云的地面太赫茲雷達系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 云是全球氣候模型中最重要的也是最難確定的氣象要素之一，它對地球能量平 衡、氣候變化W及天氣演變具有重要作用。云通過影響太陽短波福射和地球長波福射，控制 地球能量收支。云的分布特性及其演化運動過程的監(jiān)測對于研究全球氣候變化、天氣預(yù)報 等具有非常重要的作用。
[0003] 目前研究測云的手段主要是微波雷達，具體包括微波福射計、機投探空儀W及毫 米波測云雷達等。其中，微波福射計和機投探空儀可W獲得一定云信息，但是不能穿透厚云 的表層探測其垂直尺度W及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也不能獲得云粒子的大小和形狀、冰水含量等微觀 特性。
[0004] 相比于微波福射計和機投探空儀，毫米波雷達對云粒子具有更高探測靈敏度，具 有穿透云的能力，因此在宏觀上不僅可W描述云厚、云高等云外部結(jié)構(gòu)，還可W描述云層 數(shù)、垂直剖面變化等的云內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)；而且，毫米波雷達發(fā)出的毫米波更加接近于云粒子 的尺度，它利用云粒子對電磁波的散射特性，通過對云雷達回波來分析云的微觀特性，包括 云粒子的大小、形狀、冰水含量等信息。2004年美國宇航局成功發(fā)射的第一個毫米波測云雷 達衛(wèi)星--CloudSat，該衛(wèi)星的主要載荷就是一臺工作波段為94GHz的云剖面雷達（cloud profiling radar,簡稱CPR)，用于實現(xiàn)云層內(nèi)部信息的測量。但是，毫米波雷達對于厚云探 測比較有效，由于其對粒徑較小的云粒子穿透性過強，回波強度較弱，因此對薄云探測效果 不佳，甚至無法探測。
[0005] 研究云的另外一種手段是激光雷達，例如CALIPS0激光雷達提供了大量對流層頂 的薄冰云信息。但是激光穿透力較弱，僅可W測量云層表面，對云內(nèi)部信息無法獲取。
[0006] 但是，已有的云測量手段還存在一定的局限性：
[0007] (1)微波雷達對粒徑較小的云粒子穿透性過強，回波強度較弱，對薄云和極薄云甚 至無法探測；
[000引 （2)激光雷達穿透力較弱，僅可W測量云層表面，因此僅僅能夠提供云層表面信 息，不能伸入云內(nèi)部做云結(jié)構(gòu)的S維探測；
[0009] (3)對于極薄云和晴空大氣微粒子變化，如云粒子大小和形狀、云粒子的、冰水含 量進行高精度的探測和反演，需要波長更接近微粒子尺度的探測系統(tǒng)，并提供更高分辨率 和靈敏度。
[0010] 隨著毫米波測云雷達等測云手段的應(yīng)用，下一個大氣窗口頻段用于測云成為必然 趨勢。近年來，隨著太赫茲源技術(shù)的不斷發(fā)展，太赫茲波化1T化?lOTHz)在氣象探測等 應(yīng)用中具有潛在而重要的科學(xué)與應(yīng)用價值，引起了相關(guān)學(xué)者的興趣，成為了新的研究方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種用于測云的地面太赫茲雷達系統(tǒng)，其實現(xiàn)薄云和極 薄云內(nèi)外部結(jié)構(gòu)探測，而且能夠提供更高分辨率和靈敏度。
[0012] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是該樣實現(xiàn)的：
[0013] 一種用于測云的地面太赫茲雷達系統(tǒng)，包括：太赫茲發(fā)射模塊、太赫茲接收模塊、 太赫茲收發(fā)天線模塊、太赫茲信號處理模塊和上位機模塊；
[0014] 太赫茲發(fā)射模塊，用于利用太赫茲接收模塊產(chǎn)生的中頻信號源完成太赫茲信號的 產(chǎn)生與功率放大，然后通過太赫茲收發(fā)天線模塊發(fā)射出去；發(fā)射出去的太赫茲信號的中屯、 頻率為220GHz，工作帶寬為5GHz，發(fā)射功率為200mW，脈沖寬度為100ns?3 y S范圍內(nèi)可調(diào) 且調(diào)節(jié)步長為l(K)ns，脈沖重復(fù)頻率為化Hz?lOKHz范圍內(nèi)可調(diào)且調(diào)節(jié)步長為化Hz ;
[0015] 太赫茲接收模塊，用于完成參考信號源的產(chǎn)生、中頻信號源的產(chǎn)生、對太赫茲收發(fā) 天線模塊接收的太赫茲回波信號的下變頻和二次中頻處理，然后發(fā)送給太赫茲信號處理模 塊；該太赫茲接收模塊的中屯、頻率為220GHz，工作帶寬為5GHz，接收靈敏度優(yōu)于-80地m，動 態(tài)范圍優(yōu)于60地；
[0016] 太赫茲信號處理模塊，用于實現(xiàn)太赫茲回波的二次中頻信號的采集、存儲與處 理；
[0017] 上位機模塊分別與太赫茲信號處理模塊和太赫茲接收模塊進行通信，W實現(xiàn)數(shù)據(jù) 傳輸與頻綜控制。
[001引優(yōu)選地，該系統(tǒng)進一步包括太赫茲內(nèi)定標模塊，該太赫茲內(nèi)定標模塊從太赫茲發(fā) 射模塊中獲取發(fā)射的太赫茲信號，并對其進行與太赫茲接收模塊相同的下變頻處理，然后 發(fā)送給太赫茲接收模塊進行二次中頻處理，獲得的內(nèi)定標二次中頻信號發(fā)送給太赫茲信號 處理模塊；太赫茲信號處理模塊進一步根據(jù)內(nèi)定標二次中頻信號檢驗太赫茲發(fā)射信號的發(fā) 射功率和頻點是否偏移，根據(jù)發(fā)射功率偏移值調(diào)整太赫茲發(fā)射模塊的放大功率，根據(jù)頻點 偏移調(diào)整太赫茲接收模塊的中頻信號源的產(chǎn)生。
[0019] 優(yōu)選地，所述太赫茲發(fā)射模塊包括太赫茲倍頻鏈路、太赫茲功率放大器和禪合 器；
[0020] 所述太赫茲倍頻鏈路，用于將太赫茲接收模塊產(chǎn)生的中頻信號源倍頻得到太赫茲 頻段的信號；倍頻采用二倍頻+二倍頻+ =倍頻的級聯(lián)方式實現(xiàn)：首先接收太赫茲接收模 塊提供的頻率為18. 33GHz±0. 208GHz、功率為0地m的信號，通過一個兩個二倍頻器組成的 E波段四倍頻器和一個E波段濾波器得到73. 2GHz ±0. 832GHz的輸出，然后經(jīng)過E波段功率 合成器得到73. 2GHz±0. 832GHz、功率為300加的輸出，最后驅(qū)動220GHz S倍頻器，由S倍 頻器最終實現(xiàn)220GHz ±2. 5GHz，功率為lOmW的發(fā)射信號，發(fā)射給太赫茲功率放大器；
[0021] 其中，E波段四倍頻器由兩個二倍頻器組成，分別是Ka二倍頻器和E波段二倍頻 器，Ka二倍頻器將18. 33GHz±0. 208GHz的信號倍頻為頻率為36. 666GHz±lGHz信號，再由 E波段二倍頻器倍頻為73. 333GHz ±0. 832GHz的信號；
[0022] 太赫茲功率放大器，用于將太赫茲倍頻鏈路輸出的太赫茲信號進行功率放大；
[0023] 禪合器，用于將太赫茲功率放大器產(chǎn)生的信號輸出給太赫茲收發(fā)天線模塊和太赫 茲內(nèi)定標模塊。
[0024] 優(yōu)選地，所述太赫茲接收模塊包括參考模塊、二次中頻模塊、本振模塊和下變頻接 收鏈路模塊；
[0025] 參考模塊，用于為太赫茲接收模塊產(chǎn)生參考頻率源，參考頻率源為lOOMHz ;
[0026] 本振模塊，用于為太赫茲接收模塊W及太赫茲發(fā)射模塊產(chǎn)生中頻信號源；該本振 模塊通過將2. 18GHz?3. 203GHz的跳頻信號通過放大器F0和功分器G1處理后分為兩 路，一路依次經(jīng)過濾波器11、放大器F1、混頻器H1、濾波器L2、放大器巧處理后產(chǎn)生1路 17. 83GHz?18. 853GHz的信號輸出；功分器G1處理后產(chǎn)生的另一路信號依次經(jīng)過濾波器 L3、放大器F3、混頻器肥、濾波器L4、放大器F4處理后經(jīng)由功分器G2產(chǎn)生2路17. 74細Z? 18. 763GHz的信號輸出；其中17. 83GHz?18. 853GHz的信號輸出給太赫茲發(fā)射模塊，作為 太赫茲發(fā)射模塊的中頻信號源；17. 74GHz?18. 763GHz的信號輸出給下變頻接收鏈路模塊 W及太赫茲內(nèi)定標模塊，作為下變頻接收鏈路模塊及太赫茲內(nèi)定標模塊的中頻信號源；
[0027] 下變頻接收鏈路模塊，用于對太赫茲收發(fā)天線模塊中接收天線所獲得的太赫茲雷 達測云回波信號進行下變頻；
[002引二次中頻模塊，用于將太赫茲接收鏈路模塊或太赫茲內(nèi)定標模塊的1080MHz輸出 和固定本振源產(chǎn)生的1020MHz信號進行混頻得到60MHz二次中頻信號，輸出給太赫茲信號 處理模塊。
[0029] 優(yōu)選地，所述下變頻接收鏈路模塊，從本振信號產(chǎn)生的17. 74GHz?18. 763GHz的 信號輸出提取18. 04GHz?18. 45GHz的信號經(jīng)過S倍頻器、濾波器L5、放大器巧、濾波器 L6、放大器F6、二倍頻器后，與太赫茲接收天線模塊所接收到的217. 56GHz?222. 48GHz的 回波信號進行混頻得到1080MHz的二次中頻輸出。
[0030] 優(yōu)選地，所述太赫茲收發(fā)天線模塊包括太赫茲發(fā)射天線和太赫茲接收天線；應(yīng)用 于高山山頂測云時，太赫茲發(fā)射天線和太赫茲接收天線的形式為卡塞格倫天線，卡塞格倫 天線增益為50地i，波束寬度不大于0. 7° ;應(yīng)用于模擬云室時，太赫茲發(fā)射天線和太赫茲接 收天線的形式為卿趴天線，卿趴天線中的接收天線增益為30地i，波束寬度為8°。卿趴天 線中的發(fā)射天線增益為20地i，波束寬度為15°。
[0031] 優(yōu)選地，所述太赫茲信號處理模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲器A、存儲器B、FPGA、DSP 和千兆W太網(wǎng)模塊；模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲器B、DSP和千兆W太網(wǎng)模塊均與FPGA相連，存儲器A 與DSP相連；模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用AD9254巧片，F(xiàn)PGA采用Altera EP2S90F1020巧片，DSP采用 TMS320C6455巧片，存儲器B采用128MB SDRAM，存儲器A采用512MB孤R2。
[0032] 有益效果；
[0033] 相比于激光雷達和毫米波雷達，本發(fā)明的太赫茲測云雷達系統(tǒng)采用了一組適用于 云探測的參數(shù)，能夠深入薄云和極薄云進行云的立體=維結(jié)構(gòu)探測，從而不僅能夠云厚、云 高、云層數(shù)、垂直剖面變化等宏觀結(jié)構(gòu)，還能夠獲得云粒子的大小、形狀、冰水含量等微觀結(jié) 構(gòu)。
[0034] 而且，太赫茲信號的波長更接近云粒子尺度，云粒子反射回波具有更好的方向性， 能夠?qū)υ茖舆M行更精細的立體=維結(jié)構(gòu)探測，從而提高系統(tǒng)分辨率