基于dmb信號的被動雷達水汽探測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于DMB信號的被動雷達水汽探測方法，包括利用現有的商用運行的DMB網絡，通過設置于兩地的DMB信號發射器以及DMB信號接收器同步產生一個和發射端同頻同步的信號，接收端的信號與發射端發射的信號進行比對，使用載波相位同步方法，調制信號自相關信號處理算法和導頻信號追蹤三種信號處理算法實現DMB信號傳播路徑上的大氣折射指數的反演不同路徑上的水汽分布特征。本發明采用現有的商用DMB網絡構建的水汽探測系統，用于監測邊界層的大氣折射指數或水汽密度，觀測結果可應用于大氣環境監測、中小尺度數值天氣預報、濃霧等災害性天氣臨近預報，提高了當前邊界層水汽觀測水平，水汽觀測的時間空間分辨率和觀測精度。
【專利說明】基于DMB信號的被動雷達水汽探測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線通訊領域，特別涉及一種基于DMB信號的被動雷達水汽探測方法。
【背景技術】
[0002]利用地面DMB信號主要是探測對流層大氣尤其是底層大氣的細致特征，例如折射率、濕度、溫度、大氣壓力和風，目前已展開研究并已部分應用的技術主要是對水汽的觀測，他是當前興起并迅速發展的極具潛力的、具有很大實用價值的新技術或大氣探測新方法，目前國內對邊界層水汽探測的主要方法包括，傳統濕度計探測方法、大陽光譜探測方法、激光探測方法、雷達探測方法、微波輻射計探測方法、GPS水汽探測方法等，利用商用DMB無線電信號進行水汽探測的方法未見有相關學術論文的研究或相關技術應用報道。
[0003]水汽探測在天氣預報和科學研究、微氣象學、災害性天氣預警、氣候全球變化等領域具有非常重要的作用，特別是大氣中水汽隨時空變化的特征對氣象過程尤其是水平尺度幾十公里左右，生命史幾個小時的中小尺度災害性天氣系統(暴雨、冰雹、雷電、濃霧等)的預測和監控具有特別重要的指示作用。但當前的水汽探測方法主要在陸地進行，在占全球面積70%以上的海洋和極地上空，觀測資料嚴重缺乏。在高空水汽探測方面，由于昂貴的布網價格，無線電探空觀測網的布網的水平間距在300KM左右，每天僅能觀測2次，其觀測數據的時空分辨率尤其是水平分辨率遠不能滿足下一代數值天氣預報模式的要求，不能揭示一些重要的中尺度災害性天氣的發生過程，離監測和預報邊界層水汽輻合和中尺度天氣過程尚有較大的差距，成為這類災害性天氣容易漏報的重要原因之一，而目前通過衛星等其他手段的大氣水汽的分辨率和反演精度還有待提高，相對誤差較大。基于這一現狀迫切需要拓展當前的大氣水汽尤其是高水平分辨率的邊界層大氣水汽監測方法，以獲取時間分辨率10分鐘到30分鐘，水平尺度lkm-5km高水平分辨率，探測精度的并能提供廓線分布等信息的水汽觀測資料。來彌補無線電探空資料和GPS水汽觀測資料在時間空間分辨率上的不足，提供精細化數值天氣預報所需要的高精度、大容量、近實時的大氣水汽信息。
【發明內容】
[0004]為解決上述問題，本發明公開了一種基于DMB信號的被動雷達水汽探測方法。
[0005]為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案:一種基于DMB信號的被動雷達水汽探測方法，包括如下步驟:
(1)、利用現有的商用運行的DMB網絡，構建基于被動接受技術的DMB信號邊界層水汽探測系統，所述的基于被動接受技術的DMB信號邊界層水汽探測系統包括分別設置于兩地的DMB信號發射器以及DMB信號接收器，所述的DMB信號發射器包括多個發射端，DMB信號接收器包括多個接收端；
(2)、DMB信號發射器發射端發射信號，DMB信號接收器接收端同步產生一個和發射端同頻同步的信號； (3)、利用接收端的信號與發射端發射的信號進行比對，結合信號發射器以及DMB信號接收器之間的距離，求取相位差或時間延遲，在多個發射端和多個接收端構成的DMB網絡中，接收端根據多路接收到的信號分別進行相位差的比對，使用載波相位同步方法，調制信號自相關信號處理算法和導頻信號追蹤三種信號處理算法實現DMB信號傳播路徑上的大氣折射指數的反演不同路徑上的水汽分布特征。
[0006]作為本發明的一種改進，步驟(2)中通過全球定位系統(GPS)或差分全球定位系統(DGPS)來保證發射端與接收端的同頻同步。
[0007]作為本發明的一種改進，GPS系統采用PPP (精密單點定位)定位算法確定DMB信號發射器以及DMB信號接收器之間的距離。
[0008]作為本發明的一種改進，所述的DMB信號發射器包括低相位噪聲信號發生器和GPS銣振蕩器。
[0009]作為本發明的一種改進，所述的DMB信號接收器包括一個窄帶的反鋸齒帶通濾波器和一個14位AD轉換器。
[0010]本發明的有益效果:
本發明通過采用現有的商用DMB網絡，構建一種采用被動接收技術的DMB信號水汽探測系統，用于監測邊界層的大氣折射指數或水汽密度，觀測結果可應用于大氣環境監測、中小尺度數值天氣預報、濃霧等災害性天氣臨近預報，提高了當前邊界層水汽觀測水平，提高水汽觀測的時間空間分辨率和觀測精度，具體為:
(I)本發明基于現有的商用DMB信號網絡，無需重新構建觀測網，觀測成本大大降低。
[0011](2) DMB接收器改造成本低廉，技術成熟度高，有利于大面積高密度組網的實施。
[0012](3)地面DMB信號為直線或準直線在地表傳輸，不經過電離層反射，沒有GPS水汽觀測中電離層延遲干擾的現象，使觀測精度更高。
[0013](4) DMB信號水汽觀測系統主要利用信號的被動接收技術，因此耗能很低，接收機僅需要接收太陽能就可以工作，可以在遠離電網的地區布設，同時也可搭載探空氣球對高空水汽進行探測。
[0014](5)通過DMB信號解算水汽含量的方法豐富，與GPS系統不同的是DMB系統可以采用多種偽距測量的信號處理算法，使該系統在不同無線信道條件下可以選擇使用不同的解算方法，提聞探測精度。
[0015](6)密集布設的觀測網和層析技術的應用，可以大大提高低層大氣尤其是邊界層大氣的觀測的水平分辨率和垂直分辨率，彌補GPS斜路徑水汽探測的盲區，同時可以與GPS結合使用，優化水汽層析結果，尤其是邊界層的層析結果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的的基于DMB信號水汽探測系統原理圖。
[0017]圖2為本發明的大氣折射指數監控示意圖。
【具體實施方式】
[0018]以下將結合具體實施例對本發明提供的技術方案進行詳細說明，應理解下述【具體實施方式】僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。[0019]本發明是利用現有的商用運行的DMB網絡，構建基于被動接受技術的DMB信號邊界層水汽探測系統，而采用DMB信號探測水汽時采用的是被動接受的技術，由布設在A地的DMB信號發射器發射信號，由布設在B地的DMB信號接收器接收信號，如圖1所示，DMB信號發射器使用Rhode&Schwarz SM1003B，低相位噪聲信號發生器，發射載波頻率為890MHz的DMB信號，該信號采用斯坦福大學的PRSlO型號的GPS銣振蕩器鎖相，其ADC的時鐘采樣頻率Allan偏差可以達到IxICT12sZA ,接收設備使用GE/ICS ICS554信號接收裝置，其中包括一個窄帶的反鋸齒帶通濾波器和一個14位AD轉換器，每臺接收設備可以接收發射臺的發射的信號。
[0020]被動信號接收技術在進行信號傳播延時檢測時與主動雷達有很大不同，它要求發射機和接收機之間有信號同步的機制，要求由B接收端同步產生一個和發射端同樣的信號，然后利用該信號與A發射端發射的信號進行比對求取相位差或時間延遲，在多個發射端和多個接收端構成的DMB網絡中，接收端應能根據多路接收到的信號分別進行相位差的比對，使用載波相位同步方法，調制信號自相關信號處理算法和導頻信號追蹤三種信號處理算法實現DMB信號傳播路徑上的大氣折射指數的反演不同路徑上的水汽分布特征。
[0021]為了確保同步網中多個發射和接收的設備良好同步運行，必須同時滿足兩個條件:一是各發射臺的發射頻率相同，并且保證載波頻率的穩定，二是發射機和接收機的發收信號在時間上要求高度同步。
[0022]為了實現載波頻率的同步，各發射臺的振蕩器都受到統一的基準頻率的控制，與節目一起饋送到導頻或GPS (全球定位系統)信號、電視發射機的同步脈沖、饋送到發射臺的DMB數據脈沖。除了用作時間同步外，經過相應的處理，也可以用作發射機振蕩器的基準頻率。在同一個同步網中，各發射機要以相同的頻率發射相同的射頻信號，頻率誤差，使用GPS恒溫補償機制，可以使發射機發射信號的Allan方差小于1x10_12S/A,滿足頻率穩定的要求。一般通過使用全球定位系統(GPS)或差分全球定位系統(DGPS)來構建DMB同頻同步網，GPS系統除了采用PPP (精密單點定位)定位算法確定DMB信號發射器和DMB信號接受器之間的距離以外，還提供高精度的時間數據，DMB發射機和接收機對衛星信號采用差分接收的方式，消除鐘差等誤差因素，該因素可能對DMB信號反演低空大氣折射指數造成影響。
[0023]本發明方案所公開的技術手段不僅限于上述實施方式所公開的技術手段，還包括由以上技術特征任意組合所組成的技術方案。
【權利要求】
1.一種基于DMB信號的被動雷達水汽探測方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)、利用現有的商用運行的DMB網絡，構建基于被動接受技術的DMB信號邊界層水汽探測系統，所述的基于被動接受技術的DMB信號邊界層水汽探測系統包括分別設置于兩地的DMB信號發射器以及DMB信號接收器，所述的DMB信號發射器包括多個發射端，DMB信號接收器包括多個接收端； (2)、DMB信號發射器發射端發射信號，DMB信號接收器接收端同步產生一個和發射端同頻同步的信號； (3)、利用接收端的信號與發射端發射的信號進行比對，結合信號發射器以及DMB信號接收器之間的距離，求取相位差或時間延遲，在多個發射端和多個接收端構成的DMB網絡中，接收端根據多路接收到的信號分別進行相位差的比對，使用載波相位同步方法，調制信號自相關信號處理算法和導頻信號追蹤三種信號處理算法實現DMB信號傳播路徑上的大氣折射指數的反演不同路徑上的水汽分布特征。
2.根據權利要求1所述基于DMB信號的被動雷達水汽探測方法，其特征在于:步驟(2)中通過全球定位系統(GPS)或差分全球定位系統(DGPS)來保證發射端與接收端的同頻同止/J/ O
3.根據權利要求2所述基于DMB信號的被動雷達水汽探測方法，其特征在于:GPS系統采用PPP (精密單點定位)定位算法確定DMB信號發射器以及DMB信號接收器之間的距離。
4.根據權利要求1所述基于DMB信號的被動雷達水汽探測方法，其特征在于:所述的DMB信號發射器包括低相位噪聲信號發生器和GPS銣振蕩器。
5.根據權利要求1所述基于DMB信號的被動雷達水汽探測方法，其特征在于:所述的DMB信號接收器包括一個窄帶的反鋸齒帶通濾波器和一個14位AD轉換器。
【文檔編號】G01N23/00GK103744082SQ201410028149
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月22日 優先權日:2014年1月22日
【發明者】夏景明 申請人:南京信息工程大學
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