[发明专利]一种基于太赫兹主动测云雷达的测云实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种主动雷达测云的实验方法，特别是涉及一种基于太赫兹主动测云雷达的测云实验装置及方法，属于雷达测量技术领域。

背景技术

大气中的能量分配和水循环是影响全球气候变化的主要因素，而云在上述过程中有不可忽视的作用。测云雷达是通过主动测量技术获取云特征参量的一种有效手段。它将固定形式的信号发射出去，利用探测器探测回波信号，将有效信息提取出来，并最终反演出需要的云信息，云雷达通常包含探测信号源、发射天线、接收天线、信号探测装置以及反演软件。

测云雷达主要是利用云粒子对探测信号源辐射波的散射特性，通过分析云的散射雷达回波信号来获取包括云的宏观和微观结构等各种特性。由于激光波长较短，其散射效应极强，但导致其探测信号穿透性变差，因此激光云雷达主要用途包括两类。第一类是采用较小功率和较小天线口径的云高仪，用作测量云底高度或云顶高度。第二类利用其激光较强的散射效应，采用较大功率的探测信号源和口径较大的天线，测量大气中的气溶胶参数，如气溶胶分子的种类、大小、密度等，为研究云的形成过程提供基础数据，对于厘米波、分米波、毫米波等波段微波源来说，由于其波长过长，其散射效应非常微弱，探测信号对云具有极强的穿透性，导致了回波信号非常微弱，从而使得该类测云雷达在测量时容易引入比较大的误差，导致云信息反演精度较差。

总体来说，激光雷达波长过短，云雾散射效应强，只能测量云底或云顶高度，无法测量云粒子的大小、浓度、滴谱分布、冰与液态水的含量等云层内部微观参量；毫米波云雷达虽然能够测量云的微观参量，但由于其波长相对较长，在测量精度上不如太赫兹波段。太赫兹波(0.1THz～10THz)波长介于激光和微波之间，其散射效应强度也介于二者之间，在云雷达应用中，能够同时兼顾测量云的宏观参数(如云量、云状、云高、云速等)和微观参量(如云粒子的大小、浓度、滴谱分布、冰与液态水的含量等)，目前国际上与太赫兹波云雷达最为接近的是频率为94GHz的毫米波雷达，在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，就将一台工作波段为94GHz的云剖面雷达(cloud profiling radar，简称CPR)作为卫星的主要载荷，用于实现云层内部信息的测量。

太赫兹雷达在云测量方面已经显现了巨大的应用前景和发展潜力，但是目前仍存在几个重要的问题：

(1)尚未有一套太赫兹主动测云雷达装置，包括雷达设备以及相关的测云实验辅助平台结构；

(2)尚未有一套清晰的太赫兹主动测云雷达的测云实验步骤、方法。此外，太赫兹主动测云雷达测云实验结果的准确性对比检验也是一个非常重要的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于太赫兹主动测云雷达的测云实验装置及方法，该装置和方法能够实现不同极化方式的测云实验。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于太赫兹主动测云雷达的测云实验装置，包括发射箱体、发射天线、接收箱体、接收天线、系统实验平台结构、反演计算机及供电系统；其中，所述系统实验平台结构包括左安装平板、右安装平板、分离及锁紧机构、安装平板90°翻转机构、安装平板上下运动机构、两个箱体90°旋转机构及控制机构；

连接关系为：左、右安装平板位于安装平板上下运动机构的上方，发射箱体和接收箱体分别位于左、右安装平板上，两个箱体90°旋转机构分别安装于发射箱体和接收箱体的底部；分离及锁紧机构安装于右安装平板的底部；平板90°翻转机构固连于左、右安装平板的下方；发射天线和接收天线分别安装于发射箱体和接收箱体上，且发射天线和接收天线的天线轴与安装平板垂直，所述控制机构与分离及锁紧机构、安装平板90°翻转机构、安装平板上下运动机构及两个箱体90°旋转机构分别相连；

发射箱体，用于生成频率为220GHz、功率为100mW的太赫兹探测信号，并由发射天线将所述探测信号发射出去；其中，发射天线为喇叭天线结构，中心频率为220GHz，工作带宽为10GHz，增益为30dBi，波束宽度为8°；

接收箱体，用于采集接收天线接收的回波信号，并对接收的回波信号进行处理；其中，接收天线为喇叭天线结构，中心频率为220GHz，工作带宽为10GHz，增益为20dBi，波束宽度15°；

反演计算机，用于对接收箱体处理后的信号进行云参量的反演，获取云粒径和云雾浓度信息；

供电系统，用于为所述测云实验装置供电。

进一步地，本发明测云实验装置还包括吸波隔板，所述吸波隔板设于发射箱体和接收箱体之间。