一种用于测云的地面太赫兹雷达系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及雷达技术领域，特别是设及一种用于测云的地面太赫兹雷达系统。
【背景技术】
[0002] 云是全球气候模型中最重要的也是最难确定的气象要素之一，它对地球能量平 衡、气候变化W及天气演变具有重要作用。云通过影响太阳短波福射和地球长波福射，控制 地球能量收支。云的分布特性及其演化运动过程的监测对于研究全球气候变化、天气预报 等具有非常重要的作用。
[0003] 目前研究测云的手段主要是微波雷达，具体包括微波福射计、机投探空仪W及毫 米波测云雷达等。其中，微波福射计和机投探空仪可W获得一定云信息，但是不能穿透厚云 的表层探测其垂直尺度W及内部结构，也不能获得云粒子的大小和形状、冰水含量等微观 特性。
[0004] 相比于微波福射计和机投探空仪，毫米波雷达对云粒子具有更高探测灵敏度，具 有穿透云的能力，因此在宏观上不仅可W描述云厚、云高等云外部结构，还可W描述云层 数、垂直剖面变化等的云内部物理结构；而且，毫米波雷达发出的毫米波更加接近于云粒子 的尺度，它利用云粒子对电磁波的散射特性，通过对云雷达回波来分析云的微观特性，包括 云粒子的大小、形状、冰水含量等信息。2004年美国宇航局成功发射的第一个毫米波测云雷 达卫星--CloudSat，该卫星的主要载荷就是一台工作波段为94GHz的云剖面雷达（cloud profiling radar,简称CPR)，用于实现云层内部信息的测量。但是，毫米波雷达对于厚云探 测比较有效，由于其对粒径较小的云粒子穿透性过强，回波强度较弱，因此对薄云探测效果 不佳，甚至无法探测。
[0005] 研究云的另外一种手段是激光雷达，例如CALIPS0激光雷达提供了大量对流层顶 的薄冰云信息。但是激光穿透力较弱，仅可W测量云层表面，对云内部信息无法获取。
[0006] 但是，已有的云测量手段还存在一定的局限性：
[0007] (1)微波雷达对粒径较小的云粒子穿透性过强，回波强度较弱，对薄云和极薄云甚 至无法探测；
[000引 （2)激光雷达穿透力较弱，仅可W测量云层表面，因此仅仅能够提供云层表面信 息，不能伸入云内部做云结构的S维探测；
[0009] (3)对于极薄云和晴空大气微粒子变化，如云粒子大小和形状、云粒子的、冰水含 量进行高精度的探测和反演，需要波长更接近微粒子尺度的探测系统，并提供更高分辨率 和灵敏度。
[0010] 随着毫米波测云雷达等测云手段的应用，下一个大气窗口频段用于测云成为必然 趋势。近年来，随着太赫兹源技术的不断发展，太赫兹波化1T化?lOTHz)在气象探测等 应用中具有潜在而重要的科学与应用价值，引起了相关学者的兴趣，成为了新的研究方向。
【发明内容】
[0011] 有鉴于此，本发明提供了一种用于测云的地面太赫兹雷达系统，其实现薄云和极 薄云内外部结构探测，而且能够提供更高分辨率和灵敏度。
[0012] 为了解决上述技术问题，本发明是该样实现的：
[0013] 一种用于测云的地面太赫兹雷达系统，包括：太赫兹发射模块、太赫兹接收模块、 太赫兹收发天线模块、太赫兹信号处理模块和上位机模块；
[0014] 太赫兹发射模块，用于利用太赫兹接收模块产生的中频信号源完成太赫兹信号的 产生与功率放大，然后通过太赫兹收发天线模块发射出去；发射出去的太赫兹信号的中屯、 频率为220GHz，工作带宽为5GHz，发射功率为200mW，脉冲宽度为100ns?3 y S范围内可调 且调节步长为l(K)ns，脉冲重复频率为化Hz?lOKHz范围内可调且调节步长为化Hz ;
[0015] 太赫兹接收模块，用于完成参考信号源的产生、中频信号源的产生、对太赫兹收发 天线模块接收的太赫兹回波信号的下变频和二次中频处理，然后发送给太赫兹信号处理模 块；该太赫兹接收模块的中屯、频率为220GHz，工作带宽为5GHz，接收灵敏度优于-80地m，动 态范围优于60地；
[0016] 太赫兹信号处理模块，用于实现太赫兹回波的二次中频信号的采集、存储与处 理；
[0017] 上位机模块分别与太赫兹信号处理模块和太赫兹接收模块进行通信，W实现数据 传输与频综控制。
[001引优选地，该系统进一步包括太赫兹内定标模块，该太赫兹内定标模块从太赫兹发 射模块中获取发射的太赫兹信号，并对其进行与太赫兹接收模块相同的下变频处理，然后 发送给太赫兹接收模块进行二次中频处理，获得的内定标二次中频信号发送给太赫兹信号 处理模块；太赫兹信号处理模块进一步根据内定标二次中频信号检验太赫兹发射信号的发 射功率和频点是否偏移，根据发射功率偏移值调整太赫兹发射模块的放大功率，根据频点 偏移调整太赫兹接收模块的中频信号源的产生。
[0019] 优选地，所述太赫兹发射模块包括太赫兹倍频链路、太赫兹功率放大器和禪合 器；
[0020] 所述太赫兹倍频链路，用于将太赫兹接收模块产生的中频信号源倍频得到太赫兹 频段的信号；倍频采用二倍频+二倍频+ =倍频的级联方式实现：首先接收太赫兹接收模 块提供的频率为18. 33GHz±0. 208GHz、功率为0地m的信号，通过一个两个二倍频器组成的 E波段四倍频器和一个E波段滤波器得到73. 2GHz ±0. 832GHz的输出，然后经过E波段功率 合成器得到73. 2GHz±0. 832GHz、功率为300加的输出，最后驱动220GHz S倍频器，由S倍 频器最终实现220GHz ±2. 5GHz，功率为lOmW的发射信号，发射给太赫兹功率放大器；
[0021] 其中，E波段四倍频器由两个二倍频器组成，分别是Ka二倍频器和E波段二倍频 器，Ka二倍频器将18. 33GHz±0. 208GHz的信号倍频为频率为36. 666GHz±lGHz信号，再由 E波段二倍频器倍频为73. 333GHz ±0. 832GHz的信号；
[0022] 太赫兹功率放大器，用于将太赫兹倍频链路输出的太赫兹信号进行功率放大；
[0023] 禪合器，用于将太赫兹功率放大器产生的信号输出给太赫兹收发天线模块和太赫 兹内定标模块。
[0024] 优选地，所述太赫兹接收模块包括参考模块、二次中频模块、本振模块和下变频接 收链路模块；
[0025] 参考模块，用于为太赫兹接收模块产生参考频率源，参考频率源为lOOMHz ;
[0026] 本振模块，用于为太赫兹接收模块W及太赫兹发射模块产生中频信号源；该本振 模块通过将2. 18GHz?3. 203GHz的跳频信号通过放大器F0和功分器G1处理后分为两 路，一路依次经过滤波器11、放大器F1、混频器H1、滤波器L2、放大器巧处理后产生1路 17. 83GHz?18. 853GHz的信号输出；功分器G1处理后产生的另一路信号依次经过滤波器 L3、放大器F3、混频器肥、滤波器L4、放大器F4处理后经由功分器G2产生2路17. 74細Z? 18. 763GHz的信号输出；其中17. 83GHz?18. 853GHz的信号输出给太赫兹发射模块，作为 太赫兹发射模块的中频信号源；17. 74GHz?18. 763GHz的信号输出给下变频接收链路模块 W及太赫兹内定标模块，作为下变频接收链路模块及太赫兹内定标模块的中频信号源；
[0027] 下变频接收链路模块，用于对太赫兹收发天线模块中接收天线所获得的太赫兹雷 达测云回波信号进行下变频；
[002引二次中频模块，用于将太赫兹接收链路模块或太赫兹内定标模块的1080MHz输出 和固定本振源产生的1020MHz信号进行混频得到60MHz二次中频信号，输出给太赫兹信号 处理模块。
[0029] 优选地，所述下变频接收链路模块，从本振信号产生的17. 74GHz?18. 763GHz的 信号输出提取18. 04GHz?18. 45GHz的信号经过S倍频器、滤波器L5、放大器巧、滤波器 L6、放大器F6、二倍频器后，与太赫兹接收天线模块所接收到的217. 56GHz?222. 48GHz的 回波信号进行混频得到1080MHz的二次中频输出。
[0030] 优选地，所述太赫兹收发天线模块包括太赫兹发射天线和太赫兹接收天线；应用 于高山山顶测云时，太赫兹发射天线和太赫兹接收天线的形式为卡塞格伦天线，卡塞格伦 天线增益为50地i，波束宽度不大于0. 7° ;应用于模拟云室时，太赫兹发射天线和太赫兹接 收天线的形式为卿趴天线，卿趴天线中的接收天线增益为30地i，波束宽度为8°。卿趴天 线中的发射天线增益为20地i，波束宽度为15°。
[0031] 优选地，所述太赫兹信号处理模块包括模数转换器、存储器A、存储器B、FPGA、DSP 和千兆W太网模块；模数转换器、存储器B、DSP和千兆W太网模块均与FPGA相连，存储器A 与DSP相连；模数转换器采用AD9254巧片，FPGA采用Altera EP2S90F1020巧片，DSP采用 TMS320C6455巧片，存储器B采用128MB SDRAM，存储器A采用512MB孤R2。
[0032] 有益效果；
[0033] 相比于激光雷达和毫米波雷达，本发明的太赫兹测云雷达系统采用了一组适用于 云探测的参数，能够深入薄云和极薄云进行云的立体=维结构探测，从而不仅能够云厚、云 高、云层数、垂直剖面变化等宏观结构，还能够获得云粒子的大小、形状、冰水含量等微观结 构。
[0034] 而且，太赫兹信号的波长更接近云粒子尺度，云粒子反射回波具有更好的方向性， 能够对云层进行更精细的立体=维结构探测，从而提高系统分辨率