一种地基太赫兹测云雷达系统及其探测方法与流程

本发明涉及气象雷达主动遥感技术领域，尤其涉及一种地基太赫兹测云雷达系统及其探测方法。

背景技术：

云在地气系统中起着非常重要的作用，通过影响太阳对地球的短波辐射和地球向外辐射的长波，影响地气系统的辐射收支平衡；云是成云致雨的主要载体，影响着整个地球的水分循环；云也是影响当前气候研究和天气预报不确定性因素的主要来源。云在主要遥感手段分为被动遥感和主动遥感，其中被动遥感手段可获取云的宏观物理特征，覆盖范围大，纵向和横向分辨率低，主动遥感手段发展较晚，但也取得了较大进展，并得到了广泛的应用。

在过去20多年期间，受硬件技术水平的推动以及云在地球气候扮演决定研究的需求影响，国内外大力推动毫米波(35ghz和94ghz最为典型)云观测雷达的研制，并且这些雷达在云观测上获得了很大的成功，得到了极为广泛的应用。具体说，3毫米波云观测雷达可用于长期观测云雨演化过程，能够获取云剖面宏微观信息以及云内部动力学过程，能够提供较高的空间时间分辨率。云观测雷达发展经历了几个阶段，其中美国arm毫米波云雷达观测计划标志着毫米波雷达用于气象云观测；cloudsat卫星携带的94ghz云观测雷达标志着全球云观测的开始；计划于2018年发射的earthcare卫星携带的94ghz多普勒云观测雷达将标志着全球云动力学观测的开始。而目前世界上已有相关国家在研制太赫兹频段云观测雷达，主要用于解决当前冰云遥感能力不足以及探索该雷达在雾霾等方面的应用，这将表明太赫兹频段云雷达将成为今后云雷达发展的重要方向。

1989年，美国马萨诸塞大学的mead论述了215ghz雷达系统，并定量观测了层积云和雾的实验，天顶观测距离97-1900m；1990年，mead等人又研制了225ghz非相参雷达系统，开展了降雪观测；2010年，德国h.essen等人研制了220ghz全固态测云雷达，将用于降雪和云的探测。我国在“十二五”期间也开展了相关频段云雷达原理样机的研制。然而，迄今为止，没有采用脉冲压缩工作体制、收发分离方式的实用性地基卷云观测雷达的专利。

技术实现要素：

本发明提供一种地基太赫兹测云雷达系统及其探测方法，采用线性调频工作体制且脉宽可调，可以获取较高的距离分辨率，降低对系统发射功率的要求，可以满足地面近距离到远距离的云观测，提供较高云剖面雷达反射率因子信息，并可进一步获取观测区域云时空云气象宏微观信息，同时也可用于环境中雾霾等微小颗粒的探测。

为了达到上述目的，本发明提供一种地基太赫兹测云雷达系统，包含：

线性调频信号产生模块，用于产生脉宽可调的线性调频信号；

频率综合器模块，其电性连接线性调频信号产生模块，用于产生发射激励信号、接收激励信号、二次下变频本振信号和全局时钟信号；

太赫兹发射模块，其电性连接频率综合器模块，用于在发射激励信号的激励下产生太赫兹发射信号；

收发分离天线模块，其电性连接太赫兹发射模块，用于发射太赫兹信号并接收太赫兹回波信号；

太赫兹接收模块，其电性连接收发分离天线模块和频率综合器模块，用于接收太赫兹回波信号，在接收激励信号的激励下将太赫兹回波信号转换为中频信号；

中频信号接收处理模块，其电性连接频率综合器模块太赫兹接收模块，用于根据二次下变频本振信号对接收到的中频信号进行二次下变频，产生基带信号；

信号处理模块，其电性连接中频信号接收处理模块和太赫兹发射模块，用于实现对基带信号的采集、存储与处理，以及对地基太赫兹测云雷达系统中各个模块的控制和通讯；

上位机，其电性连接信号处理模块，用于根据信号处理模块的信号处理结果完成云观测数据反演处理。

所述的太赫兹发射模块包含：

太赫兹发射倍频链路，其电性连接频率综合器模块，用于将频率综合器模块提供的发射激励信号进行12次倍频，获得发射太赫兹信号；

耦合器，其电性连接太赫兹发射倍频链路，用于坚持发射机实时频率、功率信息，标定雷达的发射信号；

功放模块，其电性连接耦合器和收发分离天线模块，用于对太赫兹发射倍频链路提供的发射太赫兹信号进行功率放大后输出给收发分离天线模块；

内定标组件，其电性连接耦合器和信号处理模块，用于测量发射机实时频率和功率信息。

所述的太赫兹接收模块包含：

太赫兹接收倍频链路，其电性连接频率综合器模块，用于将频率综合器模块提供的接收激励信号进行6次倍频，获得本振信号；

放大滤波模块，其电性连接太赫兹接收倍频链路，用于对本振信号进行放大滤波；

谐波混频器，其电性连接放大滤波模块、收发分离天线模块和中频信号接收处理模块，用于将从收发分离天线模块接收到的太赫兹回波信号和太赫兹接收倍频链路的本振信号混频生成中频信号。

所述的收发分离天线模块包含：

发射天线，其电性连接太赫兹发射模块中的功放模块，用于发射太赫兹信号；

接收天线，其电性连接太赫兹接收模块中的谐波混频器，用于接收太赫兹回波信号。

本发明还提供一种地基太赫兹测云雷达系统的探测方法，包含以下步骤：

步骤s1、线性调频信号产生模块产生脉宽可调的线性调频信号；

步骤s2、频率综合器模块根据线性调频信号产生k波段激励信号源；

所述的k波段激励信号源包含：发射激励信号、接收激励信号、二次下变频本振信号和全局时钟信号；

步骤s3、太赫兹发射模块在发射激励信号的激励下产生太赫兹发射信号，通过发射天线发射；

步骤s4、太赫兹接收模块在接收激励信号的激励下将通过接收天线收到的太赫兹回波信号转换为中频信号；

步骤s5、中频信号接收处理模块对中频信号进行二次下变频，产生基带信号；

步骤s6、信号处理模块对基带信号进行信号处理；

步骤s7、上位机根据信号处理模块的信号处理结果完成云观测数据反演处理。

所述的步骤s3具体包含以下步骤：

步骤s3.1、太赫兹发射倍频链路将发射激励信号进行12次倍频，获得发射太赫兹信号；

步骤s3.2、功放模块将发射太赫兹信号进行功率放大后输出给发射天线。

所述的步骤s4具体包含以下步骤：

步骤s4.1、太赫兹接收倍频链路将接收激励信号进行6次倍频，获得本振信号；

步骤s4.2、放大滤波模块对本振信号进行放大滤波；

步骤s4.3、谐波混频器将本振信号和从接收天线接收到的太赫兹回波信号混频生成中频信号。

所述的步骤s6中，信号处理模块对基带信号进行信号处理的方法具体包含以下步骤：

步骤s6.1、对接收到的基带信号中的iq分量进行时域积累；

步骤s6.2、对iq分量合并后的时域复信号进行脉冲压缩以获得距离—幅度信息；

步骤s6.3、对脉冲压缩处理后的同一距离库幅度与其相应的数学期望进行差运算，消除直流信号导致的零频杂波信号的干扰；

步骤s6.4、对去直流信号进行加窗处理以提高带外抑制；

步骤s6.5、对同一距离门上的数据进行距离维fft变换；

步骤s6.6、对距离维fft变换后的每列脉冲信号序列分别求其模平方并相加以得到对应脉冲信号的功率谱密度数据；

步骤s6.7、对获得的功率谱密度数据求平均，获得回波信号功率；

步骤s6.8、对距离维fft变换后的方位维数据进行方位维fft变换，提取多普勒谱信息。

所述的步骤s7中，上位机根据信号处理模块的信号处理结果完成云观测数据反演处理的方法包含：根据获得的回波信号功率和气象雷达方程以及距离信息解算出不同距离的雷达反射率因子数据；根据多普勒谱信息获取云粒子运动信息。

所述的地基太赫兹测云雷达系统的工作频率范围为237.9ghz～238ghz，工作带宽为2～100mhz、中心频率可调、功率输出大于5w、脉冲宽度为2μs～1ms，脉冲最小步长为2μs、脉冲重复频率为500hz～15khz。

本发明采用线性调频工作体制且脉宽可调，可以获取较高的距离分辨率，降低对系统发射功率的要求，可以满足地面近距离到远距离的云观测，提供较高云剖面雷达反射率因子信息，并可进一步获取观测区域云时空云气象宏微观信息，同时也可用于环境中雾霾等微小颗粒的探测。

附图说明

图1是本发明提供的地基太赫兹测云雷达系统的结构框图。

图2是信号处理模块对基带信号进行信号处理的方法流程图。

具体实施方式

以下根据图1～图2，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种地基太赫兹测云雷达系统，包含：

线性调频信号产生模块1，用于产生线性调频信号，以获取较高云剖面分辨率，该线性调频信号的脉宽2μs～1ms可调；

频率综合器模块2，其电性连接线性调频信号产生模块1，用于产生k波段激励信号源，该k波段激励信号源包含：发射激励信号(带宽约8.3mhz)、接收激励信号(带宽为9.89375ghz的点频信号)、二次下变频本振信号(工作频率500mhz)、以及全局时钟信号(工作频率为100mhz点频信号)；

太赫兹发射模块3，其电性连接频率综合器模块2，用于在发射激励信号的激励下产生太赫兹发射信号；

收发分离天线模块5，其电性连接太赫兹发射模块3，用于发射太赫兹信号并接收太赫兹回波信号，同时保证收发的隔离；

太赫兹接收模块4，其电性连接收发分离天线模块5和频率综合器模块2，用于接收太赫兹回波信号，在接收激励信号的激励下将太赫兹回波信号转换为中频信号；

中频信号接收处理模块6，其电性连接频率综合器模块2和太赫兹接收模块4，用于根据二次下变频本振信号对接收到的中频信号进行二次下变频，产生基带信号；

信号处理模块7，其电性连接中频信号接收处理模块6和太赫兹发射模块3，用于实现对基带信号的采集、存储与处理，以及对地基太赫兹测云雷达系统中各个模块的控制和通讯；

上位机8，其电性连接信号处理模块7(本实施例中，上位机8通过422通信接口或光纤通信接口连接信号处理模块7)，用于根据信号处理模块7的信号处理结果完成云观测数据反演处理，得到雷达反射率因子、云粒子有效半径、云水含量等云宏微观可视化结果。

如图1所示，所述的太赫兹发射模块3包含：

太赫兹发射倍频链路301，其电性连接频率综合器模块2，用于将频率综合器模块2提供的发射激励信号进行12次倍频，获得频率为237.9ghz～238ghz的发射太赫兹信号；本实施例中，该太赫兹发射倍频链路301采用三次谐波混频器，输出功率超过15mw；

耦合器302，其电性连接太赫兹发射倍频链路301，用于坚持发射机实时频率、功率信息，标定雷达的发射信号；

功放模块303，其电性连接耦合器302和收发分离天线模块5，用于对太赫兹发射倍频链路301提供的发射太赫兹信号进行功率放大后输出给收发分离天线模块5；本实施例中，该功放模块303采用行波管真空管放大器，最终发射太赫兹信号的发射功率大于5w，工作带宽2～100mhz(中心频点可调，带宽可调)，脉冲宽度2μs～1ms可调，脉冲重复频率500hz～15khz；

内定标组件304，其电性连接耦合器302和信号处理模块7，用于测量发射机实时频率和功率信息。

如图1所示，所述的太赫兹接收模块4包含：

太赫兹接收倍频链路401，其电性连接频率综合器模块2，用于将频率综合器模块2提供的接收激励信号进行6次倍频，获得频率为118.725ghz(中心频率可调)的本振信号(输出功率约5mw)；

放大滤波模块402，其电性连接太赫兹接收倍频链路401，用于对本振信号进行放大滤波；

谐波混频器403，其电性连接放大滤波模块402、收发分离天线模块5和中频信号接收处理模块6，用于将从收发分离天线模块5接收到的太赫兹回波信号和太赫兹接收倍频链路401的本振信号混频生成中频信号(中心频点在500mhz)。

如图1所示，所述的收发分离天线模块5包含：

发射天线501，其电性连接太赫兹发射模块3中的功放模块303，用于发射太赫兹信号；

接收天线502，其电性连接太赫兹接收模块4中的谐波混频器403，用于接收太赫兹回波信号。

本发明还提供一种地基太赫兹测云雷达的探测方法，包含以下步骤：

步骤s1、线性调频信号产生模块产生脉宽2μs～1ms可调的线性调频信号；

步骤s2、频率综合器模块根据线性调频信号产生k波段激励信号源；

所述的k波段激励信号源包含：发射激励信号、接收激励信号、二次下变频本振信号和全局时钟信号；

步骤s3、太赫兹发射模块在发射激励信号的激励下产生太赫兹发射信号，通过发射天线发射；

步骤s4、太赫兹接收模块在接收激励信号的激励下将通过接收天线收到的太赫兹回波信号转换为中频信号；

步骤s5、中频信号接收处理模块对中频信号进行二次下变频，产生基带信号；

步骤s6、信号处理模块对基带信号进行信号处理；

步骤s7、上位机根据信号处理模块的信号处理结果完成云观测数据反演处理。

所述的步骤s3具体包含以下步骤：

步骤s3.1、太赫兹发射倍频链路将发射激励信号进行12次倍频，获得频率为237.9ghz～238ghz的发射太赫兹信号；

步骤s3.2、功放模块将发射太赫兹信号进行功率放大后输出给发射天线；

最终发射太赫兹信号的发射功率大于5w，工作带宽100mhz(中心频点可调，带宽可调)，脉冲宽度2μs～1ms可调，脉冲重复频率500hz～15khz。

所述的步骤s4具体包含以下步骤：

步骤s4.1、太赫兹接收倍频链路将接收激励信号进行6次倍频，获得频率为118.725ghz(中心频率可调)的本振信号(输出功率约5mw)；

步骤s4.2、放大滤波模块对本振信号进行放大滤波；

步骤s4.3、谐波混频器将本振信号和从接收天线接收到的太赫兹回波信号混频生成中频信号(中心频点在500mhz)。

如图2所示，所述的步骤s6中，信号处理模块对基带信号进行信号处理的方法具体包含以下步骤：

步骤s6.1、本实施例中，对1024列脉冲信号iq分量进行信号处理，将1204列脉冲信号数据分解成64组，每组为相邻的16个脉冲信号组成；对接收到的基带信号中的每16个相邻脉冲信号的iq分量进行时域积累(也称相干积分)；

该步骤主要在回波信噪比较低情况下用于提升信噪比，以使气象信号显露出来；

步骤s6.2、对iq分量合并后的时域复信号进行脉冲压缩以获得距离—幅度信息；

其中，雷达作用距离范围取1km～12km，距离库长为50m；

步骤s6.3、对脉冲压缩处理后的同一距离库幅度与其相应的数学期望进行差运算，以消除直流信号导致的零频杂波信号的干扰；

步骤s6.4、对去直流信号进行加窗处理以提高带外抑制；具体采用窗形式以及加几层窗需根据实际情况进行调整，初步可采用常用的海明、海宁或矩形窗等方式；

步骤s6.5、对同一距离门上的数据进行距离维fft变换；

步骤s6.6、对距离维fft变换后的每列脉冲信号数据序列分别求其模平方并相加以得到对应脉冲信号的功率谱密度数据；

步骤s6.7、对获得的64组功率谱密度数据求平均，用于降低功率谱较大的脉动性，即完成谱平均步骤同时获得回波信号功率；

步骤s6.8、对距离维fft变换后的方位维64组数据进行方位维fft变换，提取多普勒谱信息。

所述的步骤s7中，上位机根据信号处理模块的信号处理结果完成云观测数据反演处理的方法包含：根据获得的回波信号功率和气象雷达方程以及距离信息解算出不同距离的雷达反射率因子数据；

根据多普勒谱信息获取云粒子运动信息。

对于太赫兹频段的大气窗口比较多，鉴于当前太赫兹频段硬件技术发展以及云观测的需求，同时结合国际电信联盟频段的划分，本发明提供的地基太赫兹测云雷达系统工作频率范围为237.9ghz～238ghz，工作带宽2～100mhz(可调)、中心频率可调、功率输出大于5w、脉冲宽度2μs～1ms(最小步长2μs)、脉冲重复频率为500hz～15khz(最小步长500hz，可调)。

考虑到太赫兹雷达系统的现有硬件发展水平以及针对云观测的需求，本发明选用线性调频脉冲(或调频连续波)工作体制。对于要求较高的区域数值预报模观测需求最优云剖面分辨率为0.3km，另外考虑到进一步研究云内部更为精细的信息，本雷达云剖面分辨率理论值为1.5m～300m(可调)。冰云通常处于距地面高度7、8km及以上的区域，为充分研究太赫兹测云雷达对冰云的探测能力，地基太赫兹测云雷达系统考虑安置在距地面高度约2km以上的区域进行观测(此时大气对237.9ghz～238ghz信号的双程衰减理论上约为2db)；对于雾霾或低空水云的观测可以安置在海拔高度为0m的位置进行观测。实际上，冰云观测的能力要求要高于对雾霾或低空水云的观测，下面将按照冰云观测需求进行参数设计介绍。具体雷达工作距离受发射功率、信号脉宽、天线增益、大气衰减以及云剖面分辨率等限制，具体可根据式(1)的气象雷达方程来对雷达系统各个参数进行权衡。

上式参数的具体定义如下：

rmax：雷达最远作用距离；

pt：雷达发射脉冲功率；

g：收发天线增益；

θ：天线方位角；

天线俯仰角；

τ’：云剖面分辨率所对应的压缩后脉冲时间；

k：电磁波在空间传播时的衰减因子；

z：雷达反射率因子；

b：信号发射带宽；

τ：雷达发射脉冲宽度；

smin：雷达接收机灵敏度；

λ：雷达载波波长；

la：双程大气衰减；

ls：系统损耗；

在本实例中，雷达发射功率5w、收发天线增益都为60.5dbi、天线方位角和俯仰角约为0.1°、脉压后有效脉宽约为0.33μs、k的二次方为0.93、反射率因子z为-40dbz、信号发射带宽为3mhz、发射脉冲宽度为1ms、系统灵敏度为-124dbw、波长约为1.3mm、双程大气衰减为2db、以及系统损耗为6db，此时计算得到作用距离约为12km，考虑到观测位置距地面高度约2km，卷云高度在距地面7、8km处就会出现，所以本太赫兹测云雷达系统理论上是能够满足卷云观测的。

本发明具有以下优点：

1、目前公开的太赫兹云探测雷达多采用普通脉冲工作方式，以较窄的脉冲获取一定分辨率，且以牺牲功率为代价，其最优云剖面分辨率仅为15m。而本发明采用线性调频脉冲压缩方案，不但可以获取较高的距离分辨率，还可以降低系统发射功率的要求。

2、目前公开的太赫兹云探测雷达多采用普通脉冲工作方式，为获得较好的距离分辨率其脉冲宽度在100ns～3μs范围内可调。而本发明选用不同脉宽用于观测不同区域(由于选用收发分离式系统也可采用一种脉冲宽度)，这也可兼容收发共用天线形式的太赫兹测云雷达。

3、目前公开的太赫兹云探测雷达多采用普通脉冲工作方式，尚未考虑利用多普勒测速的问题。本发明采用线性调频工作体制，且脉宽可调(范围2μs～1ms)，利用距离—多普勒二维数字信号处理方式可获取观测云区域多普勒信息，利用多普勒信息可用于获取雷达指向的云中粒子速度信息，可用于研究云动力学过程。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。