CN103744082A - 基于dmb信号的被动雷达水汽探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DMB信号的被动雷达水汽探测方法，包括利用现有的商用运行的DMB网络，通过设置于两地的DMB信号发射器以及DMB信号接收器同步产生一个和发射端同频同步的信号，接收端的信号与发射端发射的信号进行比对，使用载波相位同步方法，调制信号自相关信号处理算法和导频信号追踪三种信号处理算法实现DMB信号传播路径上的大气折射指数的反演不同路径上的水汽分布特征。本发明采用现有的商用DMB网络构建的水汽探测系统，用于监测边界层的大气折射指数或水汽密度，观测结果可应用于大气环境监测、中小尺度数值天气预报、浓雾等灾害性天气临近预报，提高了当前边界层水汽观测水平，水汽观测的时间空间分辨率和观测精度。

Description

基于DMB信号的被动雷达水汽探测方法
技术领域
     本发明涉及无线通讯领域，特别涉及一种基于DMB信号的被动雷达水汽探测方法。   
背景技术
利用地面DMB信号主要是探测对流层大气尤其是底层大气的细致特征，例如折射率、湿度、温度、大气压力和风，目前已展开研究并已部分应用的技术主要是对水汽的观测，他是当前兴起并迅速发展的极具潜力的、具有很大实用价值的新技术或大气探测新方法，目前国内对边界层水汽探测的主要方法包括，传统湿度计探测方法、大阳光谱探测方法、激光探测方法、雷达探测方法、微波辐射计探测方法、GPS水汽探测方法等，利用商用DMB无线电信号进行水汽探测的方法未见有相关学术论文的研究或相关技术应用报道。
水汽探测在天气预报和科学研究、微气象学、灾害性天气预警、气候全球变化等领域具有非常重要的作用，特别是大气中水汽随时空变化的特征对气象过程尤其是水平尺度几十公里左右，生命史几个小时的中小尺度灾害性天气系统（暴雨、冰雹、雷电、浓雾等）的预测和监控具有特别重要的指示作用。但当前的水汽探测方法主要在陆地进行，在占全球面积70%以上的海洋和极地上空，观测资料严重缺乏。在高空水汽探测方面，由于昂贵的布网价格，无线电探空观测网的布网的水平间距在300KM左右，每天仅能观测2次，其观测数据的时空分辨率尤其是水平分辨率远不能满足下一代数值天气预报模式的要求，不能揭示一些重要的中尺度灾害性天气的发生过程，离监测和预报边界层水汽辐合和中尺度天气过程尚有较大的差距，成为这类灾害性天气容易漏报的重要原因之一，而目前通过卫星等其他手段的大气水汽的分辨率和反演精度还有待提高，相对误差较大。基于这一现状迫切需要拓展当前
的大气水汽尤其是高水平分辨率的边界层大气水汽监测方法，以获取时间分辨率10分钟到30分钟，水平尺度1km-5km高水平分辨率，探测精度1mm-2mm的并能提供廓线分布等信息的水汽观测资料。来弥补无线电探空资料和GPS水汽观测资料在时间空间分辨率上的不足，提供精细化数值天气预报所需要的高精度、大容量、近实时的大气水汽信息。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于DMB信号的被动雷达水汽探测方法。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于DMB信号的被动雷达水汽探测方法，包括如下步骤：
   （1）、利用现有的商用运行的DMB网络，构建基于被动接受技术的DMB信号边界层水汽探测系统，所述的基于被动接受技术的DMB信号边界层水汽探测系统包括分别设置于两地的DMB信号发射器以及DMB信号接收器，所述的DMB信号发射器包括多个发射端，DMB信号接收器包括多个接收端；
（2）、DMB信号发射器发射端发射信号，DMB信号接收器接收端同步产生一个和发射端同频同步的信号；
（3）、利用接收端的信号与发射端发射的信号进行比对，结合信号发射器以及DMB信号接收器之间的距离，求取相位差或时间延迟，在多个发射端和多个接收端构成的DMB网络中，接收端根据多路接收到的信号分别进行相位差的比对，使用载波相位同步方法，调制信号自相关信号处理算法和导频信号追踪三种信号处理算法实现DMB信号传播路径上的大气折射指数的反演不同路径上的水汽分布特征。
作为本发明的一种改进，步骤（2）中通过全球定位系统（GPS）或差分全球定位系统(DGPS)来保证发射端与接收端的同频同步。
作为本发明的一种改进，GPS系统采用PPP（精密单点定位）定位算法确定DMB信号发射器以及DMB信号接收器之间的距离。
作为本发明的一种改进，所述的DMB信号发射器包括低相位噪声信号发生器和GPS铷振荡器。
作为本发明的一种改进，所述的DMB信号接收器包括一个窄带的反锯齿带通滤波器和一个14位AD转换器。
本发明的有益效果：
本发明通过采用现有的商用DMB网络，构建一种采用被动接收技术的DMB信号水汽探测系统，用于监测边界层的大气折射指数或水汽密度，观测结果可应用于大气环境监测、中小尺度数值天气预报、浓雾等灾害性天气临近预报，提高了当前边界层水汽观测水平，提高水汽观测的时间空间分辨率和观测精度，具体为：
（1）本发明基于现有的商用DMB信号网络，无需重新构建观测网，观测成本大大降低。
（2）DMB接收器改造成本低廉，技术成熟度高，有利于大面积高密度组网的实施。
（3）地面DMB信号为直线或准直线在地表传输，不经过电离层反射，没有GPS水汽观测中电离层延迟干扰的现象，使观测精度更高。
（4）DMB信号水汽观测系统主要利用信号的被动接收技术，因此耗能很低，接收机仅需要接收太阳能就可以工作，可以在远离电网的地区布设，同时也可搭载探空气球对高空水汽进行探测。
（5）通过DMB信号解算水汽含量的方法丰富，与GPS系统不同的是DMB系统可以采用多种伪距测量的信号处理算法，使该系统在不同无线信道条件下可以选择使用不同的解算方法，提高探测精度。
（6）密集布设的观测网和层析技术的应用，可以大大提高低层大气尤其是边界层大气的观测的水平分辨率和垂直分辨率，弥补GPS斜路径水汽探测的盲区，同时可以与GPS结合使用，优化水汽层析结果，尤其是边界层的层析结果。
附图说明
图1为本发明的的基于DMB信号水汽探测系统原理图。
图2为本发明的大气折射指数监控示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明是利用现有的商用运行的DMB网络，构建基于被动接受技术的DMB信号边界层水汽探测系统，而采用DMB信号探测水汽时采用的是被动接受的技术，由布设在A地的DMB信号发射器发射信号，由布设在B地的DMB信号接收器接收信号，如图1 所示，DMB信号发射器使用Rhode&Schwarz SMIO03B，低相位噪声信号发生器，发射载波频率为890MHz的DMB信号，该信号采用斯坦福大学的PRS10型号的GPS铷振荡器锁相，其ADC的时钟采样频率Allan偏差可以达到                                               
Figure 2014100281490100002DEST_PATH_IMAGE002
，接收设备使用GE/ICS ICS554信号接收装置，其中包括一个窄带的反锯齿带通滤波器和一个14位AD转换器，每台接收设备可以接收发射台的发射的信号。
被动信号接收技术在进行信号传播延时检测时与主动雷达有很大不同，它要求发射机和接收机之间有信号同步的机制，要求由B接收端同步产生一个和发射端同样的信号，然后利用该信号与A发射端发射的信号进行比对求取相位差或时间延迟，在多个发射端和多个接收端构成的DMB网络中，接收端应能根据多路接收到的信号分别进行相位差的比对，使用载波相位同步方法，调制信号自相关信号处理算法和导频信号追踪三种信号处理算法实现DMB信号传播路径上的大气折射指数的反演不同路径上的水汽分布特征。
为了确保同步网中多个发射和接收的设备良好同步运行，必须同时满足两个条件：一是各发射台的发射频率相同，并且保证载波频率的稳定，二是发射机和接收机的发收信号在时间上要求高度同步。
为了实现载波频率的同步，各发射台的振荡器都受到统一的基准频率的控制，与节目一起馈送到导频或GPS（全球定位系统）信号、电视发射机的同步脉冲、馈送到发射台的DMB数据脉冲。除了用作时间同步外，经过相应的处理，也可以用作发射机振荡器的基准频率。在同一个同步网中，各发射机要以相同的频率发射相同的射频信号，频率误差，使用GPS恒温补偿机制，可以使发射机发射信号的Allan方差小于
Figure 601574DEST_PATH_IMAGE002
，满足频率稳定的要求。一般通过使用全球定位系统（GPS）或差分全球定位系统(DGPS)来构建DMB同频同步网，GPS系统除了采用PPP（精密单点定位）定位算法确定DMB信号发射器和DMB信号接受器之间的距离以外，还提供高精度的时间数据，DMB发射机和接收机对卫星信号采用差分接收的方式，消除钟差等误差因素，该因素可能对DMB信号反演低空大气折射指数造成影响。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (5)

1.一种基于DMB信号的被动雷达水汽探测方法，其特征在于：包括如下步骤：
   （1）、利用现有的商用运行的DMB网络，构建基于被动接受技术的DMB信号边界层水汽探测系统，所述的基于被动接受技术的DMB信号边界层水汽探测系统包括分别设置于两地的DMB信号发射器以及DMB信号接收器，所述的DMB信号发射器包括多个发射端，DMB信号接收器包括多个接收端；
（2）、DMB信号发射器发射端发射信号，DMB信号接收器接收端同步产生一个和发射端同频同步的信号；
（3）、利用接收端的信号与发射端发射的信号进行比对，结合信号发射器以及DMB信号接收器之间的距离，求取相位差或时间延迟，在多个发射端和多个接收端构成的DMB网络中，接收端根据多路接收到的信号分别进行相位差的比对，使用载波相位同步方法，调制信号自相关信号处理算法和导频信号追踪三种信号处理算法实现DMB信号传播路径上的大气折射指数的反演不同路径上的水汽分布特征。
2.根据权利要求1所述基于DMB信号的被动雷达水汽探测方法，其特征在于：步骤（2）中通过全球定位系统（GPS）或差分全球定位系统(DGPS)来保证发射端与接收端的同频同步。
3.根据权利要求2所述基于DMB信号的被动雷达水汽探测方法，其特征在于：GPS系统采用PPP（精密单点定位）定位算法确定DMB信号发射器以及DMB信号接收器之间的距离。
4.根据权利要求1所述基于DMB信号的被动雷达水汽探测方法，其特征在于：所述的DMB信号发射器包括低相位噪声信号发生器和GPS铷振荡器。
5.根据权利要求1所述基于DMB信号的被动雷达水汽探测方法，其特征在于：所述的DMB信号接收器包括一个窄带的反锯齿带通滤波器和一个14位AD转换器。
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Assignor: Nanjing University of Information Science and Technology

Contract record no.: X2023980051730

Denomination of invention: Passive radar water vapor detection method based on DMB signal

Granted publication date: 20160330

License type: Common License

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Denomination of invention: Passive radar water vapor detection method based on DMB signal

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