一種用于測(cè)云的地面太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種用于測(cè)云的地面太赫茲雷達(dá)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(duì)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(guò)影響太陽(yáng)短波福射和地球長(zhǎng)波福射，控制 地球能量收支。云的分布特性及其演化運(yùn)動(dòng)過(guò)程的監(jiān)測(cè)對(duì)于研究全球氣候變化、天氣預(yù)報(bào) 等具有非常重要的作用。
[0003] 目前研究測(cè)云的手段主要是微波雷達(dá)，具體包括微波福射計(jì)、機(jī)投探空儀W及毫 米波測(cè)云雷達(dá)等。其中，微波福射計(jì)和機(jī)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(cè)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(jì)和機(jī)投探空儀，毫米波雷達(dá)對(duì)云粒子具有更高探測(cè)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(dá)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(duì)電磁波的散射特性，通過(guò)對(duì)云雷達(dá)回波來(lái)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(guó)宇航局成功發(fā)射的第一個(gè)毫米波測(cè)云雷 達(dá)衛(wèi)星--CloudSat，該衛(wèi)星的主要載荷就是一臺(tái)工作波段為94GHz的云剖面雷達(dá)（cloud profiling radar,簡(jiǎn)稱(chēng)CPR)，用于實(shí)現(xiàn)云層內(nèi)部信息的測(cè)量。但是，毫米波雷達(dá)對(duì)于厚云探 測(cè)比較有效，由于其對(duì)粒徑較小的云粒子穿透性過(guò)強(qiáng)，回波強(qiáng)度較弱，因此對(duì)薄云探測(cè)效果 不佳，甚至無(wú)法探測(cè)。
[0005] 研究云的另外一種手段是激光雷達(dá)，例如CALIPS0激光雷達(dá)提供了大量對(duì)流層頂 的薄冰云信息。但是激光穿透力較弱，僅可W測(cè)量云層表面，對(duì)云內(nèi)部信息無(wú)法獲取。
[0006] 但是，已有的云測(cè)量手段還存在一定的局限性：
[0007] (1)微波雷達(dá)對(duì)粒徑較小的云粒子穿透性過(guò)強(qiáng)，回波強(qiáng)度較弱，對(duì)薄云和極薄云甚 至無(wú)法探測(cè)；
[000引 （2)激光雷達(dá)穿透力較弱，僅可W測(cè)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(cè)；
[0009] (3)對(duì)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(jìn)行高精度的探測(cè)和反演，需要波長(zhǎng)更接近微粒子尺度的探測(cè)系統(tǒng)，并提供更高分辨率 和靈敏度。
[0010] 隨著毫米波測(cè)云雷達(dá)等測(cè)云手段的應(yīng)用，下一個(gè)大氣窗口頻段用于測(cè)云成為必然 趨勢(shì)。近年來(lái)，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(cè)等 應(yīng)用中具有潛在而重要的科學(xué)與應(yīng)用價(jià)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(cè)云的地面太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)薄云和極 薄云內(nèi)外部結(jié)構(gòu)探測(cè)，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(wèn)題，本發(fā)明是該樣實(shí)現(xiàn)的：
[0013] 一種用于測(cè)云的地面太赫茲雷達(dá)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(xiàn)模塊、太赫茲信號(hào)處理模塊和上位機(jī)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(hào)源完成太赫茲信號(hào)的 產(chǎn)生與功率放大，然后通過(guò)太赫茲收發(fā)天線(xiàn)模塊發(fā)射出去；發(fā)射出去的太赫茲信號(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)為化Hz ;
[0015] 太赫茲接收模塊，用于完成參考信號(hào)源的產(chǎn)生、中頻信號(hào)源的產(chǎn)生、對(duì)太赫茲收發(fā) 天線(xiàn)模塊接收的太赫茲回波信號(hào)的下變頻和二次中頻處理，然后發(fā)送給太赫茲信號(hào)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(dòng) 態(tài)范圍優(yōu)于60地；
[0016] 太赫茲信號(hào)處理模塊，用于實(shí)現(xiàn)太赫茲回波的二次中頻信號(hào)的采集、存儲(chǔ)與處 理；
[0017] 上位機(jī)模塊分別與太赫茲信號(hào)處理模塊和太赫茲接收模塊進(jìn)行通信，W實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 傳輸與頻綜控制。
[001引優(yōu)選地，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括太赫茲內(nèi)定標(biāo)模塊，該太赫茲內(nèi)定標(biāo)模塊從太赫茲發(fā) 射模塊中獲取發(fā)射的太赫茲信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)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(jìn)行二次中頻處理，獲得的內(nèi)定標(biāo)二次中頻信號(hào)發(fā)送給太赫茲信號(hào) 處理模塊；太赫茲信號(hào)處理模塊進(jìn)一步根據(jù)內(nèi)定標(biāo)二次中頻信號(hào)檢驗(yàn)太赫茲發(fā)射信號(hào)的發(fā) 射功率和頻點(diǎn)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(diǎn) 偏移調(diào)整太赫茲接收模塊的中頻信號(hào)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(hào)源倍頻得到太赫茲 頻段的信號(hào)；倍頻采用二倍頻+二倍頻+ =倍頻的級(jí)聯(lián)方式實(shí)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(hào)，通過(guò)一個(gè)兩個(gè)二倍頻器組成的 E波段四倍頻器和一個(gè)E波段濾波器得到73. 2GHz ±0. 832GHz的輸出，然后經(jīng)過(guò)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(dòng)220GHz S倍頻器，由S倍 頻器最終實(shí)現(xiàn)220GHz ±2. 5GHz，功率為lOmW的發(fā)射信號(hào)，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(gè)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(hào)倍頻為頻率為36. 666GHz±lGHz信號(hào)，再由 E波段二倍頻器倍頻為73. 333GHz ±0. 832GHz的信號(hào)；
[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(hào)進(jìn)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(hào)輸出給太赫茲收發(fā)天線(xiàn)模塊和太赫 茲內(nèi)定標(biāo)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(hào)源；該本振 模塊通過(guò)將2. 18GHz?3. 203GHz的跳頻信號(hào)通過(guò)放大器F0和功分器G1處理后分為兩 路，一路依次經(jīng)過(guò)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(hào)輸出；功分器G1處理后產(chǎn)生的另一路信號(hào)依次經(jīng)過(guò)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(xì)Z? 18. 763GHz的信號(hào)輸出；其中17. 83GHz?18. 853GHz的信號(hào)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(hào)源；17. 74GHz?18. 763GHz的信號(hào)輸出給下變頻接收鏈路模塊 W及太赫茲內(nèi)定標(biāo)模塊，作為下變頻接收鏈路模塊及太赫茲內(nèi)定標(biāo)模塊的中頻信號(hào)源；
[0027] 下變頻接收鏈路模塊，用于對(duì)太赫茲收發(fā)天線(xiàn)模塊中接收天線(xiàn)所獲得的太赫茲雷 達(dá)測(cè)云回波信號(hào)進(jìn)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(biāo)模塊的1080MHz輸出 和固定本振源產(chǎn)生的1020MHz信號(hào)進(jìn)行混頻得到60MHz二次中頻信號(hào)，輸出給太赫茲信號(hào) 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(hào)產(chǎn)生的17. 74GHz?18. 763GHz的 信號(hào)輸出提取18. 04GHz?18. 45GHz的信號(hào)經(jīng)過(guò)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(xiàn)模塊所接收到的217. 56GHz?222. 48GHz的 回波信號(hào)進(jìn)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(xiàn)模塊包括太赫茲發(fā)射天線(xiàn)和太赫茲接收天線(xiàn)；應(yīng)用 于高山山頂測(cè)云時(shí)，太赫茲發(fā)射天線(xiàn)和太赫茲接收天線(xiàn)的形式為卡塞格倫天線(xiàn)，卡塞格倫 天線(xiàn)增益為50地i，波束寬度不大于0. 7° ;應(yīng)用于模擬云室時(shí)，太赫茲發(fā)射天線(xiàn)和太赫茲接 收天線(xiàn)的形式為卿趴天線(xiàn)，卿趴天線(xiàn)中的接收天線(xiàn)增益為30地i，波束寬度為8°。卿趴天 線(xiàn)中的發(fā)射天線(xiàn)增益為20地i，波束寬度為15°。
[0031] 優(yōu)選地，所述太赫茲信號(hào)處理模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器A、存儲(chǔ)器B、FPGA、DSP 和千兆W太網(wǎng)模塊；模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器B、DSP和千兆W太網(wǎng)模塊均與FPGA相連，存儲(chǔ)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(chǔ)器B采用128MB SDRAM，存儲(chǔ)器A采用512MB孤R2。
[0032] 有益效果；
[0033] 相比于激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)，本發(fā)明的太赫茲測(cè)云雷達(dá)系統(tǒng)采用了一組適用于 云探測(cè)的參數(shù)，能夠深入薄云和極薄云進(jìn)行云的立體=維結(jié)構(gòu)探測(cè)，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(hào)的波長(zhǎng)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(jìn)行更精細(xì)的立體=維結(jié)構(gòu)探測(cè)，從而提高系統(tǒng)分辨率