和灵敏度。
[0035] 此外，更高的雷达频率使得冰水含量（IWC)和反射率狂）之间具有更好的相关性， 提高了云层冰水含量反演的精度，为进行更加贴近实际的云产品反演与晴空端流监测和估 计提高了基础。
[0036] 本发明的其应用价值体现在于；①探测云层的精细=维垂直结构，有助于认识云 是如何影响当地或大尺度大气情况W及云对福射环境的影响机制。②定量评估天气和气候 预报模式中云的作用，进而改进天气和气候预报的质量。
【附图说明】
[0037] 图1为太赫兹测云雷达系统的组成框图；
[003引图2为太赫兹倍频链路的示意图；
[0039] 图3为太赫兹接收模块中本振模块的示意图；
[0040] 图4为下变频接收链路模块（太赫兹内定标模块）的示意图；
[0041] 图5为太赫兹信号处理模块的示意图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[00创太赫兹信号的中屯、频率可W为ll0GHz、150GHz、220GHz、340GHz，工作带宽为 300MHz?5細Z (分辨率最高可达3cm)、功率输出为200mW?100W，脉冲宽度为100ns? 3 y S (步长为10化S)，脉冲重复频率（PRF)为1?lOKHz (步长为化Hz)。
[0044] 太赫兹雷达系统的参数需要针对云的特点进行具体分析和筛选。
[0045] (1)确定中屯、频率
[0046] 不同探测频段对气象目标的敏感性不同。在上述110GHz、150GHz、220GHz和 340GHz等大气窗口处，衰减相对较小，每公里的单程衰减约为5?6地，且随着海拔高度的 增加，大气中水分含量迅速降低，太赫兹波段的大气衰减也快速下降，因此优先在上述大气 窗口处选择发射频点。同时，1 lOGHz、150GHz发射窗口由于波长较长，穿透性过强，回波强度 较弱，无法满足对薄云和极薄云的探测能力；而340GHz大气窗口由于发射频率过高，当前 太赫兹器件发展水平有限，故本发明中W探测云为主要目的的太赫兹雷达中屯、频率选定为 220細Z。
[0047] 似确定功率输出
[0048] 测云时，需要考虑到雷达作用距离。一般来说，地面测云的距离为1000m?1500m， 而且本发明的太赫兹雷达还需要在模拟云室和高山山顶开展云测量试验，因此需要根据实 际应用距离和式（1)的雷达气象方程确定太赫兹信号的功率输出。
[0049]
【主权项】
1. 一种用于测云的地面太赫兹雷达系统，其特征在于，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； 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心频率 为220GHz，工作带宽为5GHz，发射功率为200mW，脉冲宽度为IOOns?3 μ S范围内可调且调 节步长为l〇〇ns，脉冲重复频率为IKHz?IOKHz范围内可调且调节步长为IKHz ; 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心频率为220GHz，工作带宽为5GHz，接收灵敏度优于-80dBm，动态 范围优于60dB ; 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； 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，以实现数据传输 与频综控制。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，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。
3. 如权利要求2所述的系统，其特征在于，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耦合器； 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+三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OdBm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300mW的输出，最后驱动220GHz三倍频器，由三倍频 器最终实现220GHz ±2. 5GHz，功率为IOmW的发射信号，发射给太赫兹功率放大器； 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 ± IGHz信号，再由E波段 二倍频器倍频为73. 333GHz ±0. 832GHz的信号； 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； 耦合器，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t吴块。
4. 如权利要求2所述的系统，其特征在于，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； 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IOOMHz ; 本振模块，用于为太赫兹接收模块以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R)和功分器Gl处理后分为两路， 一路依次经过滤波器L1、放大器F1、混频器H1、滤波器L2、放大器F2处理后产生1路 17. 83GHz?18. 853 GHz的信号输出；功分器Gl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H2、滤波器L4、放大器F4处理后经由功分器G2产生2路17. 74GHz? 18. 763 GHz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 以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； 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； 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 丰旲块。
5. 如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述下变频接收链路模块，从本振信号产生 的17. 74GHz?18. 763 GHz的信号输出提取18. 04GHz?18. 45 GHz的信号经过三倍频器、 滤波器L5、放大器F5、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。
6. 如权利要求2所述的系统，其特征在于，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50dBi，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喇叭天线，喇叭天线 中的接收天线增益为30dBi，波束宽度为8°。喇叭天线中的发射天线增益为20dBi，波束宽 度为15°。
7. 如权利要求2所述的系统，其特征在于，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和千兆以太网模块；模数转换器、存储器B、DSP和千兆以太网 模块均与FPGA相连，存储器A与DSP相连； 模数转换器采用AD9254芯片，FPGA采用Altera EP2S90F1020芯片，DSP采用 TMS320C6455芯片，存储器B采用128MB SDRAM，存储器A采用512MB DDR2。
【专利摘要】本发明公开了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；太赫兹发射模块发射出去的太赫兹信号的中心频率为220GHz，工作带宽为5GHz，发射功率为200mW，脉冲宽度为100ns～3μs范围内可调且调节步长为100ns，脉冲重复频率为1KHz～10KHz范围内可调且调节步长为1KHz。相比于激光雷达和毫米波雷达，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三维结构探测，从而不仅能够获得云厚、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。
【IPC分类】G01S13-95
【公开号】CN104569980
【申请号】CN201510040930
【发明人】王世涛, 胡伟东, 刘帅, 边明明, 麻丽香, 孙玉成, 王磊
【申请人】中国空间技术研究院
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月27日