一種基于太赫茲主動測云雷達(dá)的測云實驗裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種主動雷達(dá)測云的實驗方法，特別是涉及一種基于太赫茲主動測云雷達(dá)的測云實驗裝置及方法，屬于雷達(dá)測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]大氣中的能量分配和水循環(huán)是影響全球氣候變化的主要因素，而云在上述過程中有不可忽視的作用。測云雷達(dá)是通過主動測量技術(shù)獲取云特征參量的一種有效手段。它將固定形式的信號發(fā)射出去，利用探測器探測回波信號，將有效信息提取出來，并最終反演出需要的云信息，云雷達(dá)通常包含探測信號源、發(fā)射天線、接收天線、信號探測裝置以及反演軟件。
[0003]測云雷達(dá)主要是利用云粒子對探測信號源輻射波的散射特性，通過分析云的散射雷達(dá)回波信號來獲取包括云的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)等各種特性。由于激光波長較短，其散射效應(yīng)極強(qiáng)，但導(dǎo)致其探測信號穿透性變差，因此激光云雷達(dá)主要用途包括兩類。第一類是采用較小功率和較小天線口徑的云高儀，用作測量云底高度或云頂高度。第二類利用其激光較強(qiáng)的散射效應(yīng)，采用較大功率的探測信號源和口徑較大的天線，測量大氣中的氣溶膠參數(shù)，如氣溶膠分子的種類、大小、密度等，為研宄云的形成過程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對于厘米波、分米波、毫米波等波段微波源來說，由于其波長過長，其散射效應(yīng)非常微弱，探測信號對云具有極強(qiáng)的穿透性，導(dǎo)致了回波信號非常微弱，從而使得該類測云雷達(dá)在測量時容易引入比較大的誤差，導(dǎo)致云信息反演精度較差。
[0004]總體來說，激光雷達(dá)波長過短，云霧散射效應(yīng)強(qiáng)，只能測量云底或云頂高度，無法測量云粒子的大小、濃度、滴譜分布、冰與液態(tài)水的含量等云層內(nèi)部微觀參量；毫米波云雷達(dá)雖然能夠測量云的微觀參量，但由于其波長相對較長，在測量精度上不如太赫茲波段。太赫茲波(0.1THz?1THz)波長介于激光和微波之間，其散射效應(yīng)強(qiáng)度也介于二者之間，在云雷達(dá)應(yīng)用中，能夠同時兼顧測量云的宏觀參數(shù)(如云量、云狀、云高、云速等)和微觀參量(如云粒子的大小、濃度、滴譜分布、冰與液態(tài)水的含量等)，目前國際上與太赫茲波云雷達(dá)最為接近的是頻率為94GHz的毫米波雷達(dá)，在2004年美國宇航局成功發(fā)射的第一個毫米波測云雷達(dá)衛(wèi)星--CloudSat，就將一臺工作波段為94GHz的云剖面雷達(dá)(cloud profiling
radar，簡稱CPR)作為衛(wèi)星的主要載荷，用于實現(xiàn)云層內(nèi)部信息的測量。
[0005]太赫茲雷達(dá)在云測量方面已經(jīng)顯現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Γ悄壳叭源嬖趲讉€重要的問題:
[0006](I)尚未有一套太赫茲主動測云雷達(dá)裝置，包括雷達(dá)設(shè)備以及相關(guān)的測云實驗輔助平臺結(jié)構(gòu)；
[0007](2)尚未有一套清晰的太赫茲主動測云雷達(dá)的測云實驗步驟、方法。此外，太赫茲主動測云雷達(dá)測云實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性對比檢驗也是一個非常重要的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種基于太赫茲主動測云雷達(dá)的測云實驗裝置及方法，該裝置和方法能夠?qū)崿F(xiàn)不同極化方式的測云實驗。
[0009]實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]一種基于太赫茲主動測云雷達(dá)的測云實驗裝置，包括發(fā)射箱體、發(fā)射天線、接收箱體、接收天線、系統(tǒng)實驗平臺結(jié)構(gòu)、反演計算機(jī)及供電系統(tǒng)；其中，所述系統(tǒng)實驗平臺結(jié)構(gòu)包括左安裝平板、右安裝平板、分離及鎖緊機(jī)構(gòu)、安裝平板90°翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、安裝平板上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)、兩個箱體90°旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)；
[0011]連接關(guān)系為:左、右安裝平板位于安裝平板上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)的上方，發(fā)射箱體和接收箱體分別位于左、右安裝平板上，兩個箱體90°旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分別安裝于發(fā)射箱體和接收箱體的底部；分離及鎖緊機(jī)構(gòu)安裝于右安裝平板的底部；平板90°翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固連于左、右安裝平板的下方；發(fā)射天線和接收天線分別安裝于發(fā)射箱體和接收箱體上，且發(fā)射天線和接收天線的天線軸與安裝平板垂直，所述控制機(jī)構(gòu)與分離及鎖緊機(jī)構(gòu)、安裝平板90°翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、安裝平板上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)及兩個箱體90°旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分別相連；
[0012]發(fā)射箱體，用于生成頻率為220GHz、功率為10mW的太赫茲探測信號，并由發(fā)射天線將所述探測信號發(fā)射出去；其中，發(fā)射天線為喇叭天線結(jié)構(gòu)，中心頻率為220GHz，工作帶寬為10GHz，增益為30dBi，波束寬度為8° ；
[0013]接收箱體，用于采集接收天線接收的回波信號，并對接收的回波信號進(jìn)行處理；其中，接收天線為喇叭天線結(jié)構(gòu)，中心頻率為220GHz，工作帶寬為10GHz，增益為20dBi，波束寬度15° ;
[0014]反演計算機(jī)，用于對接收箱體處理后的信號進(jìn)行云參量的反演，獲取云粒徑和云霧濃度信息；
[0015]供電系統(tǒng)，用于為所述測云實驗裝置供電。
[0016]進(jìn)一步地，本發(fā)明測云實驗裝置還包括吸波隔板，所述吸波隔板設(shè)于發(fā)射箱體和接收箱體之間。
[0017]進(jìn)一步地，本發(fā)明系統(tǒng)實驗平臺結(jié)構(gòu)還包括固定架，用于維持所述系統(tǒng)實驗平臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
[0018]一種基于太赫茲主動測云雷達(dá)的測云實驗方法，主要包括以下步驟:
[0019]步驟1、選擇設(shè)有造霧裝置的云室，在云室內(nèi)部鋪設(shè)吸波材料；
[0020]步驟2、將所述測云實驗裝置放置到云室的測量位置上，并在云室內(nèi)部安裝測試設(shè)備，所述測試設(shè)備包括溫度計、濕度計和氣壓計；
[0021]步驟3、啟動所述測云實驗裝置中系統(tǒng)實驗平臺結(jié)構(gòu)的分離及鎖緊機(jī)構(gòu)，使發(fā)射箱體和接收箱體保持在合適的距離；并設(shè)置所述測云實驗裝置的初始狀態(tài)；
[0022]步驟4、設(shè)置好云粒徑參數(shù)和云霧濃度參數(shù)，啟動云室中的造霧裝置；
[0023]步驟5、發(fā)射箱體生成探測信號并通過所述發(fā)射天線發(fā)射出去，同時調(diào)整平板90°翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、安裝平板上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)和兩個箱體90°旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的至少一個，使發(fā)射天線和接收天線在不同極化條件下，接收天線接收云霧回波信號；
[0024]步驟6、接收箱體采集回波信號并處理，反演計算機(jī)基于測試設(shè)備測量的參量，對處理后的信號進(jìn)行云參量的反演，獲取云粒徑和云霧濃度信息，實現(xiàn)測云的目的。
[0025]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述測量位置為云室的角落，且測云實驗裝置按45度角傾斜放置。
[0026]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述步驟3中設(shè)置初始狀態(tài)為:啟動安裝平板90°翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使左、右安裝平臺水平側(cè)立；
[0027]所述步驟5中的調(diào)整的過程為:
[0028]一、啟動箱體90°旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使發(fā)射天線和接收天線處于HH初始極化條件；啟動安裝平板上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)高度方向的掃描測量；
[0029]二、啟動箱體90°旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使發(fā)射天線和接收天線處于HV極化條件，啟動安裝平板上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)高度方向的掃描測量；
[0030]三、啟動箱體90°旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使發(fā)射天線和接收天線處于VV極化條件，啟動安裝平板上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)高度方向的掃描測量；
[0031]四、啟動箱體90°旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使發(fā)射天線和接收天線處于VH極化條件，啟動安裝平板上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)高度方向的掃描測量。
[0032]進(jìn)一步地，本發(fā)明執(zhí)行完步驟5后還包括執(zhí)行如下步驟:改變云霧濃度參數(shù)或改變云粒徑，重復(fù)步驟5，獲得不同濃度或不同粒徑的云霧所對應(yīng)云霧回波信號。
[0033]進(jìn)一步地，本發(fā)明還包括將對各種極化條件下的云霧回波信號、衰減系數(shù)進(jìn)行對比分析，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫。
[0034]有益效果
[0035](I)本發(fā)明基于太赫茲主動測云雷達(dá)的測云實驗裝置，該裝置上設(shè)有分離及鎖緊機(jī)構(gòu)、安裝平板90°翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、安裝平板上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)和兩個箱體90°旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使得該實驗裝置能夠?qū)崿F(xiàn)單體極化、組合雙極化及多自由度極化，因此在利用該實驗裝置進(jìn)行云測量時，可以得到多維度云測量數(shù)據(jù)組，滿足對云觀測數(shù)據(jù)的立體成像分析。
[0036](2)本發(fā)明基于太赫茲主動測云雷達(dá)的測云實驗裝置，其上所有模塊都可以隨時拆卸并進(jìn)行組裝，從而保證能夠適應(yīng)更多的實驗環(huán)境。
[0037](3)本發(fā)明基于太赫茲主動測云雷達(dá)的測云實驗方法，利用該方法可以獲得不同極化條件下云霧回波信號、衰減系數(shù)，滿足多種條件下測云的要求，同時為太赫茲主動測云雷達(dá)云參數(shù)反演奠定堅實的基礎(chǔ)。
[0038](4)本發(fā)明基于太赫茲主動測云雷達(dá)的測云實驗方法，通過改變云霧濃度參數(shù)或改變云粒徑，可以獲取相同云粒徑不同濃度、相同濃度不同云粒徑條件下的云霧回波信號、衰減系數(shù)，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，為太赫茲主動測云雷達(dá)云參數(shù)反演奠定堅實的基礎(chǔ)。
[0039](5)本發(fā)明中利用云室內(nèi)部的造霧裝置產(chǎn)生已知參數(shù)的云霧，并采用傳統(tǒng)測量設(shè)備監(jiān)測云室內(nèi)部的環(huán)境信息，將太赫茲主動測云雷達(dá)的測云結(jié)果與造霧裝置的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行對比驗證，檢驗太赫茲主動雷達(dá)測云實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0040]圖1是本發(fā)明中所采用的太赫茲主動測云雷達(dá)實驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖2是本發(fā)明提出的太赫茲主動測云雷達(dá)系統(tǒng)在云室內(nèi)進(jìn)行實驗擺放示意圖