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一种用于测的地面太赫兹雷达系统

阅读:805发布:2024-02-07

专利汇可以提供一种用于测的地面太赫兹雷达系统专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 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,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。,下面是一种用于测的地面太赫兹雷达系统专利的具体信息内容。

1.一种用于测的地面太赫兹雷达系统,其特征在于,包括:太赫兹发射模、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、上位机模块以及太赫兹内定标模块;
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;
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;
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;
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100MHz;
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F0和功分器G1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~
18.853GHz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~18.763GHz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模块。
2.如权利要求1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0dBm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10mW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±1GHz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模块。
3.如权利要求1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~18.763GHz的信号输出提取18.04GHz~18.45GHz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。
4.如权利要求1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°。
5.如权利要求1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。

说明书全文

一种用于测的地面太赫兹雷达系统

技术领域

[0001] 本发明涉及雷达技术领域,特别是涉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、气候变化以及天气演变具有重要作用。云通过影响太阳短波辐射和地球长波辐射,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,具体包括微波辐射计、机投探空仪以及毫米波测云雷达等。其中,微波辐射计和机投探空仪可以获得一定云信息,但是不能穿透厚云的表层探测其垂直尺度以及内部结构,也不能获得云粒子的大小和形状、含量等微观特性。
[0004] 相比于微波辐射计和机投探空仪,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,因此在宏观上不仅可以描述云厚、云高等云外部结构,还可以描述云层数、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CALIPSO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,仅可以测量云层表面,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;
[0008] (2)激光雷达穿透力较弱,仅可以测量云层表面,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三维探测;
[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(0.1THz~10THz)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,本发明是这样实现的:
[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、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;
[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;
[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,以实现数据传输与频综控制。
[0018] 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、太赫兹功率放大器耦合器
[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+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0dBm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10mW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±1GHz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] 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100MHz;
[0026] 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F0和功分器G1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~18.853GHz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~18.763GHz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;
[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;
[0028] 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。
[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°。
[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。
[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三维结构探测,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三维结构探测,从而提高系统分辨率和灵敏度。
[0035] 此外,更高的雷达频率使得冰水含量(IWC)和反射率(Z)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湍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探测云层的精细三维垂直结构,有助于认识云是如何影响当地或大尺度大气情况以及云对辐射环境的影响机制。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
[0038] 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。
[0043] 太赫兹信号的中心频率可以为110GHz、150GHz、220GHz、340GHz,工作带宽为300MHz~5GHz(分辨率最高可达3cm)、功率输出为200mW~100W,脉冲宽度为100ns~3μs(步长为100ns),脉冲重复频率(PRF)为1~10KHz(步长为1KHz)。
[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)确定中心频率
[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5~6dB,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,110GHz、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,故本发明中以探测云为主要目的的太赫兹雷达中心频率选定为220GHz。
[0047] (2)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]
[0050] 上式中参数的具体定义如下:
[0051] Pr:雷达接收到的回波功率的平均值(W)
[0052] Pt:雷达发射的脉冲功率(W)
[0053] G:雷达天线的有效增益(dBi)
[0054] θ:天线水平波束宽度(rad)
[0055] 天线垂直波束宽度(rad)
[0056] τ:发射脉冲宽度(s)
[0057] λ:雷达工作波长(m)
[0058] c:电磁波的传播速度3x108(m/s)
[0059] K:电磁波在空间传播时的衰减因子
[0060] r:目标距离(m)
[0061] Z:云反射因子
[0062] LΣ:总链路损耗(dB)
[0063] ln2:2的自然对数,取0.69315
[0064] 在本实例中,雷达天线的有效增益可以按照目前的加工水平在链路预算中取50dBi。反射率因子Z是一个和频率无关的云参量,边界云层反射率在-20dBz至10dBz之间,非降水云在-35dBz左右。针对气象目标的雷达距离方程,式(1)中各个参数取值如下:
[0065]
[0066] τ=0.3μs
[0067]
[0068] G=50dBi
[0069] LΣ=5dB
[0070] 当雷达发射脉冲功率Pt为200mW时,经过相干积累处理后,对于反射率在-20dBz的云层,探测距离可达3002米,满足云测量试验需求,故本发明中太赫兹雷达发射功率选定为200mW。
[0071] 在本实施例中,脉冲宽度为100ns~3μs(可调,步长为100ns),脉冲重复频率(PRF)为1KHz~10KHz(可调,步长为1KHz)。
[0072] (3)确定工作带宽
[0073] 系统工作带宽越宽,距离分辨率越高。本系统是应用于测云领域,通过对云参数建模,表明较小带宽可以提高云参数反演精度,但是带宽减小会导致距离分辨率的降低,在测云应用中,重点需要保障云参数反演精度。在权衡带宽、距离分辨率和反演精度指标的基础上,将太赫兹雷达测云工作带宽定为5GHz,此时本系统的距离分辨率优于3cm,可以满足测云精度需求。
[0074] (4)确定脉冲宽度和脉冲重复频率
[0075] 本实施例中,脉冲宽度为100ns~3μs(可调,步长为100ns),脉冲重复频率(PRF)为1KHz~10KHz(可调,步长为1KHz)。
[0076] (5)接收灵敏度优于-80dBm
[0077] 接收机灵敏度是反映太赫兹测云雷达系统接收性能的重要指标,主要和接收机的系统带宽和系统噪声系数有关。根据上述分析,当系统带宽为5GHz,系统噪声系数为12dB时,理论上本系统接收灵敏度为:
[0078] Prmin=-114+10lgΔf+NF=-114+10lg5+12=-87.41dBm
[0079] 其中,Δf为系统工作带宽,NF为系统噪声系数。在实际设计中,考虑环境及器件影响等会影响接收机的接收性能,故将太赫兹雷达系统接收机灵敏度定为优于-80dBm。
[0080] (6)动态范围优于60dB
[0081] 动态范围的要求主要取决于接收机接收到的信号功率的变化范围。本系统中,接收机动态范围主要受云层反射率因子Z影响,反射率因子Z是一个和频率无关的云参量,边界云层反射率在-20dBz至10dBz之间,非降水云在-35dBz左右。考虑本系统主要探测的云层反射率为-40dBz至10dBz之间,由此引起的接收信号功率变化为50dB;同时天线部分、馈线部分在宽频带内的增益变化约为3~5dB。综上可见,接收信号功率的变化约为53~55dB,因此将太赫兹雷达系统接收机动态范围定为优于60dB。
[0082] 基于上述参数选定,结合图1,本发明提供的用于测云的地面太赫兹雷达系统具体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。
[0083] 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100ns~3μs(可调,步长为100ns),脉冲重复频率为1KHz~10KHz(可调,步长为1KHz)。
[0084] 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。
[0085] 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。
[0086] 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。
[0087] 为了实现精度控制,本发明用于测云的地面太赫兹雷达系统还包括太赫兹内定标模块。如图1所示,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。
[0088] 下面结合附图对本发明地面太赫兹雷达系统中的各组成模块的实现进行详细描述。
[0089] ◎太赫兹发射模块
[0090] 如图1所示,太赫兹发射模块包括太赫兹倍频链路、太赫兹功率放大器、耦合器。其中,
[0091] 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。
[0092] 本太赫兹倍频链路要实现频率为220GHz、工作带宽为5GHz,且输出功率达10mW以上,对高频功率放大器、二极管等关键器件要求很高,同时太赫兹倍频源不能采用高次倍频,倍频方式有×2×2×3和×3×2×2两种方式可选。×2×2×3倍频方式的频率关系为18.3GHz→36.6GHz→73.3GHz→220GHz,相比于×3×2×2倍频,该方式在前级驱动73.3GHz频段范围内有理想的功率放大器芯片,其输出功率可以使用功率合成技术实现较高的驱动功率;同时链路中最大功率输出约为300mW,目前二极管可以承受,此外,×2×2×3倍频方式体积小,功耗低,可满足系统要求。因此,如图2所示,在本实施例中的太赫兹倍频链路采用×2×2×3倍频级联方式实现,首先接收来自太赫兹接收模块的频率为18.33±
0.208GHz、功率为0dBm的本振信号,通过一个E波段四倍频器(由两个二倍频器组成)和一个E波段滤波器得到73.2±0.832GHz的输出,然后经过E波段功率合成器得到73.2±
0.832GHz、功率约300mW的输出,最后驱动220GHz三倍频器,三倍频最终实现220±2.5GHz,功率为10mW的发射信号,发射给太赫兹功率放大器。
[0093] 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(HMC598)将18.33±0.208GHz本振信号倍频为频率为36.666GHz±0.416GHz信号,再由E波段二倍频器(CHU3277)倍频为73.333GHz±0.832GHz的信号。
[0094] 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,以增大雷达的作用距离。太赫兹功率放大器采用折叠波导行波管放大器实现大带宽(5GHz,分辨率3cm)、200mW的功率输出。
[0095] 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模块。
[0096] ◎太赫兹接收模块
[0097] 如图1所示,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。在本实施例中,太赫兹接收模块中心频率为220GHz、工作带宽为5GHz、接收灵敏度优于-80dBm、动态范围优于60dB。
[0098] 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100MHz。
[0099] 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。如图3所示,本振模块通过将2.18~3.203GHz(步长为1MHz)的跳频信号(由跳频源模块发生器产生)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L1、放大器F1、混频器H1(与15.65GHz混频)、滤波器L2、放大器F2处理后产生1路17.83~18.853GHz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H2(与15.56GHz混频)、滤波器L4、放大器F4处理后经由功分器G2产生2路17.74~18.763GHz的信号输出;其中17.83~18.853GHz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;
17.74~18.763GHz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。
[0100] 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,如图4所示,从本振信号产生的17.74~18.763GHz的信号输出提取18.04~18.45GHz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217.56~222.48GHz的回波信号进行混频得到1080MHz的一次中频输出。
[0101] 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。
[0102] ◎太赫兹收发天线模块
[0103] 太赫兹收发天线模块包括太赫兹发射天线、太赫兹接收天线。
[0104] 在本实例中,太赫兹雷达需要在模拟云室和高山山顶开展云测量试验。在高山山顶时,太赫兹收发天线的形式为卡塞格伦天线,根据公式(1)的讨论,卡塞格伦天线增益为50dBi,波束宽度不大于0.7°。在模拟云室时,云室的大小为3.5m×3.5m,太赫兹收发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°。
[0105] ◎太赫兹内定标模块
[0106] 太赫兹内定标模块的结构与下变频接收链路模块的结构相同。如图4所示,太赫兹内定标模块由18.04~18.45GHz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’、二倍频器后与从太赫兹发射模块中的耦合器中获得的220GHz太赫兹发射信号进行下变频得到1080MHz的中频输出,并输出给太赫兹接收模块中的二次中频模块,得到60MHz二次中频信号,输出给太赫兹信号处理模块。
[0107] ◎太赫兹信号处理模块
[0108] 太赫兹信号处理模块实现太赫兹回波的二次中频信号的采集、存储与处理。
[0109] 太赫兹信号处理模块还根据来自太赫兹内定标模块的内定标中频信号实现太赫兹测云雷达系统的周期性内部校准和调整,检测太赫兹发射模块、太赫兹接收模块的漂移,以保证太赫兹测云雷达系统的稳定性和准确性。具体来说是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。
[0110] 如图1所示,该太赫兹信号处理模块包括模数转换器(AD)、存储器A、存储器B、现场可编程阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、千兆以太网模块。模数转换器、存储器B、数字信号处理器和千兆以太网模块均与现场可编程门阵列相连,存储器A与数字信号处理器相连。
[0111] 如图5所示,模数转换器采用AD9254芯片,实现14bit(比特),150MSPS(兆采样每秒)的数据采集能力,采用Altera EP2S90F1020(FPGA)以及TMS320C6455(DSP)实现不小于9600MMACS(兆乘加运算每秒)的运算能力,FPGA外挂了128MB SDRAM,DSP外挂了512MB DDR2。
[0112] ◎上位机模块
[0113] 上位机模块通过千兆以太网和串口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。上位机模块包括电脑主板、显示器,实现控制与显示功能。
[0114] 综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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