CN106053490B - 一种基于4g信号的无源雷达大气水汽反演法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于4G信号的无源雷达大气水汽反演法，该大气水汽反演法利用4G信号发射、接收构建地面水汽监测网络，通过对接收的信号处理，反演出待测天气条件下的水汽状况。采用本发明方法能提供精细化数值天气预报所需要的高精度、大容量、近实时的大气水汽探测。
Description
技术领域
本发明属于气象领域，具体涉及一种基于4G信号的无源雷达大气水汽反演法。
背景技术
当前，水汽观测的时间和空间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探测大气水汽的分辨率和反演精度还有待提高，相对误差较大，尚不能用于日常的气象业务工作。
基于这一现状，我们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。
利用被动无线电信号进行大气水汽探测技术是近年来国内外兴起的大气探测领域的热门课题，其历史最早可追溯到1928年苏联高空气象学家莫尔恰诺夫发明的气球携带的无线电探空仪。无线电遥测水汽的主要优点是不仅可以获得水汽的“点观测”资料，同时可以获得水汽分布的“场观测”资料。另外无线电遥测水汽的技术可以获得高空的水汽观测资料，这些资料对于改善数值预报的初始场条件，分析中高空的大气环境状况都是非常有益的。利用被动无线电信号进行低空大气折射率的探测，目前在国外主要是利用BANDIII波段的无线电信号，这是近年来在欧洲地区兴起的无线电大气探测技术的热点问题。在国内，已有关于利用商用DMB信号进行水汽反演的研究，但DMB信号的普及程度和信号覆盖范围较窄，不能有效进行实时、高精度的探测。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能提供精细化数值天气预报所需要的高精度、大容量、近实时的大气水汽探测方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于4G信号的无源雷达大气水汽反演法，该大气水汽反演法利用4G信号发射、接收构建地面水汽监测网络，通过对接收的信号处理，反演出待测天气条件下的水汽状况。
包括以下步骤：
（1）构建地面水汽监测网络：所述地面水汽监测网络包括发射端和接收端；所述发射端和接收端分别发射和接收4G信号；
（2）采用TOA算法，计算接收端和发射端之间的伪距；
（3）采用TDOA算法，在设定的特定天气条件下，利用步骤（2）进行多次测量，计算接收端和发射端之间的伪距测量均值；在待测天气条件下，同样计算接收端和发射端之间的伪距测量均值，通过比较两个伪距测量均值之间的差距，并以上述设定的特定天气条件为基准，反演出待测天气条件下的水汽状况。
本发明基于4G信号的无源雷达大气水汽反演法，具体步骤如下：
（1）构建地面水汽监测网络：所述地面水汽监测网络包括多个发射端和多个接收端；所述发射端和接收端分别发射和接收4G信号；
（2）采用TOA算法，计算接收端和发射端之间的伪距；
（3）采用TDOA算法，以某种特定天气条件下TOA算法计算的伪距误差为基准误差，比较待测天气条件下的伪距误差与基准误差关系；
（4）采用TDOA/FDOA 方法，比较两个接收端接收到的信号达到时的频率差异，并与TDOA算法相结合进行信号处理，反演出待测天气条件下的水汽状况。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、利用电磁波在非真空条件下传播速度会减慢或衰减这一特性来反演大气中的水汽含量。以减慢特性为例，利用电磁波收发时间差计算的电磁收发设备之间的伪距与实际距离存在差别，造成电磁波传播减慢的原因包括传播路径中存在的水汽和一些其他一些因素，通过排除非水汽因素的影响就可以利用伪距反演传播路径中的水汽含量。
2、使用商用4G信号而非专用雷达信号，作为现有水汽探测方法的重要补充。利用现有4G通信网络，无需重新布网，经估算每个接收结点的成本低于15000元，在建设成本上具有很大优势，该方法也可以拓展到其他的商用数字信号。
同时本发明使用的4G信号频段2.6GHz，在用做测距定位方面，相对于GPS信号（约1.5GHz)、DMB信号（890MHz)，4G信号有更精确的测距优势，因此有望获得更精确的水汽反演结果，同时2.6GHz为法定的受保护频段，探测过程中可以避免其他电磁波的干扰。
3、本发明在用TOA方法测量信号到达时间的算法基础上，利用4G信号本身的载波突发特征，在信号中加入导频，采用导频信号追踪的信号处理算法，该算法的鲁棒性和抗干扰性远远优于利用载波相位定位的方法，可以获得更高的时间定位精度。
4、在TOA算法的基础上本发明还提出使用伪距相对误差以及频差和时差结合定位的方式（TDOA/FDOA方法）定位无源雷达的位置，使探测精度进一步改善。
附图说明
图1为采用本发明大气水汽反演法的水汽探测系统的结构示意图；
图2为图1中接收端的结构框图；
图3为本发明大气水汽反演法采用的TDOA/FDOA方法的原理图；
图4为本发明大气水汽反演法的原理图。
图中，A-发射端，B-接收端，c1、c2-移动接收端，d1 -发射端， e-水汽监测参考点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明基于4G 4G信号的无源雷达大气反演法包括以下步骤：
step1：构建地面水汽监测网络。发射端A和接收端Ｂ。发射端采用4G信号运营商通信基站，通过4G信号发射设备，信号频率2.6gHz，同时安装定位和授时模块（采用深圳全航信息通信有限公司 QH1613 GPS/BD模块），构建4G信号（2.6GHz）的同频同步网，同时提供参考时间基准，消除发射端和接收端的钟差实现4G信号（2.6GHz）收发设备的时钟同步发射。采用GPS载波相位的精密单点定位技术（PPP）获得4G信号（2.6GHz)发射端和接收端的三维地理坐标信息，用以计算两者之间的实际距离（厘米级精度）。
接收端（充当无源雷达）接收信号，并由接收端B同步产生一个与发射端同样的信号。结合图2，接收端包括4G信号接收天线、射频芯片、AD转换芯片、基带解码芯片、处理器、USB接口、外部电源、定位和授时模块。处理器分别与射频芯片、基带解码芯片、USB接口、外部电源、定位和授时模块相连。4G接收天线依次通过射频芯片、AD转换芯片与基带解码芯片相连。射频芯片采用高通公司WTR1605芯片，基带解码芯片采用高通公司的MDM9615M，定位和授时模块采用深圳全航信息通信有限公司 QH1613 GPS/BD模块，处理器采用ARM公司的AT91SAM7S64芯片。
Step2：定性观测，不同天气条件下定性观测4G信号传输路径上的信号水平和垂直偶极子模糊函数。
电磁波在大气中传播时不同频率的电磁波对水汽的敏感程度是不一样。在信号传输过程中存在射线弯曲和射线减速的现象，可以通过量化这些参数与大气折射率水平与垂直分布之间的关系来反演对应时段的低空大气折射率。
step3 ：对反演大气折射指数的三种信号处理算法的研究
a.根据某个信号接收端收到发射端信号的绝对传播时间计算伪距的算法（TOA）。反演大气折射指数的关键是获得信号发射端与接收端之间的伪距。
GPS反演水汽时是利用载波相位进行伪距测量，但在使用载波相位进行大气折射率的观测时，载波相位对整周模糊数和信号的多径比较敏感，近地面和边界层的地形地貌及干扰造成了信号传输中的衍射、多径效应等干扰，通过载波相位差得到的大气折射率的抗干扰和抗多径能力较差，因此造成探测误差。为了改善这一现象，本发明提出采用4G信号（2.6GHz)导频信号追踪的伪距测量法。
该方法利用4G信号（2.6GHz)中的数字数据帧，比直接进行相位检测复杂，它需要对信号进行解调以恢复内置的同步信号，但抗干扰能力更强。在4G信号的数据帧中，每0.1ms的数据帧包含0.01ms的同步信号和0.01ms的空信号，在接收端进行信号测量时可以直观找出空信号所在位置。空信号中包含一个持续振幅的零自相关序列（CAZAC），对该序列与同步信号进行混频，可以恢复出信号传播中的载波突发，而通过对载波突发的追踪，可以使用数字锁相环计算出收发信号的相位差。
4G传输信道符合加性高斯信道条件，测量伪距并计算信号延迟的过程分为信号捕获和信号跟踪两个阶段。
在信号捕获的阶段，算法的主要目是进行信号初始阶段的同步，4G信号的调制属于OFDM系统，其方法就是确定OFDM系统的信号开始时刻。
第二阶段是信号的跟踪阶段。在发送方发送的是导频的训练信号，在接收端，该训练信号是已知的，即对于4G信号接收端来说是已知的。借鉴扩频序列中的码跟踪同步法中的时间延迟锁定环（DLL）跟踪的做法就可以计算出信号的传播延迟。在信号跟踪阶段还可以把幅度的平方相减得到的值通过环路滤波器，从而控制数字振荡器NCO，并且调整相应的采样时刻。
b.根据不同天气条件下信号接收端接收信号的相对时差反演水汽的算法
考虑到TOA算法存在定位误差的问题，该误差包括算法的误差和因为信号传播环境造成的误差，因此本发明提出利用伪距相对误差反演水汽的算法。该算法以TOA算法为基础，选取特定天气条件，通过地面观测得到信号传播路径上的水汽均值，然后利用步骤a中的TOA算法得到信号收发端之间的伪距，因每次反演得到的伪距值有差别，因此采用多次测量的方法计算伪距测量均值。在待测天气条件下同样依据TOA算法多次测量收发端之间的伪距均值，通过特定天气条件下和待测天气条件下得到的两个伪距均值的差距比较，并以设定的特定天气条件为基准，反演出待测天气条件下的水汽状况。
c.利用TDOA和FDOA结合的算法
TDOA定位技术通过测量信号到达不同观测平台的时间差、形成双曲面相交对发射端进行定位；FDOA定位技术利用观测平台（即图3所示移动接收端c1、c2）和目标（即图3所示信号发射端d1）之间相对运动（速度分别为v1、v2）产生的多普勒频差对发射端（即图3所示的信号发射端d1）进行定位。两个移动接收端c1、c2的TDOA确定了一个双曲面，而其FDOA则确定了一个类似于轮胎的曲面。这两组曲面与辐射源所在地球表面的交点就是该发射端d1的位置。
与TOA算法一样，可以以TDOA和FDOA结合的定位算法为基础，也可以采用相对伪距误差反演算法。
step4： 在一定的区域内开展水汽反演试验，进行误差分析，并比较三种信号处理算法的反演结果。
采用实验的方式对上述信号处理算法的反演效果加以验证，利用国内现有的4G网络和发射装置，接收装置采用上文所述的接收系统。具体的实验方法是，利用位于两个不同地区（相距在50km范围内）的4G地面信号发射台（使用低相位噪声信号发生器和GPS铷振荡器锁相）作为两个发射端发射4G信号，信号频率2.6GHz；并在不同的地点安放4G信号接收设备，并安置于相应车辆中，设置成多个移动接收端。每个移动接收端均包括一个窄带的反锯齿带通滤波器（包含在图2中的射频芯片内）和一个ADC（即图2中AD转换芯片），用以接收发射端发射的信号。
如图4所示，在两条4G信号传输路径上（即两个移动接收端c1、c2与一个发射端d1之间的传输路径。本发明构建的地面水汽监测网络不止两条信号传输路径，此处仅以这两条进行实例说明三种算法的结果）分别均匀布设三个移动气象站（此处省略未画出，其中的水汽监测参考点e是水汽监测的计算工作站），实时采集近地面温度、水汽压、气压等气象要素，时间分辨率5min。根据三个气象站采集的数据计算出大气折射指数均值，将其作为整条路径上的平均大气折射指数参考值，对两个移动接收端c1、c2接收到的4G信号进行信号处理后可以反演得到信号传播路径上的大气折射指数值，将该反演得到的大气折射指数值与计算得到的大气折射指数值相比对，并进行相应的误差分析和气象分析。
Claims (2)
1.一种基于4G信号的无源雷达大气水汽反演法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）构建地面水汽监测网络：所述地面水汽监测网络包括发射端和接收端；所述发射端和接收端分别发射和接收4G信号；
（2）采用TOA算法，计算接收端和发射端之间的伪距；
（3）采用TDOA算法，在设定的特定天气条件下，利用步骤（2）进行多次测量，计算接收端和发射端之间的伪距测量均值；在待测天气条件下，同样计算接收端和发射端之间的伪距测量均值，通过比较两个伪距测量均值之间的差距，并以上述设定的特定天气条件为基准，反演出待测天气条件下的水汽状况。
2.根据权利要求1 所述的大气水汽反演法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）构建地面水汽监测网络：所述地面水汽监测网络包括多个发射端和多个接收端；所述发射端和接收端分别发射和接收4G信号；
（2）采用TOA算法，计算接收端和发射端之间的伪距；
（3）采用TDOA算法，以设定的特定天气条件下TOA算法计算的伪距误差为基准误差，比较待测天气条件下的伪距误差与基准误差关系；
（4）采用TDOA/FDOA 方法，比较两个接收端接收到的信号达到时的频率差异，并与步骤（3）中TDOA算法相结合进行信号处理，反演出待测天气条件下的水汽状况。
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