本實(shí)用新型屬于氣象領(lǐng)域，具體涉及一種基于4G網(wǎng)絡(luò)無源雷達(dá)的水汽探測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，水汽觀測的時(shí)間和空間分辨率遠(yuǎn)不能滿足下一代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的要求，不能揭示一些重要的中尺度災(zāi)害性天氣的發(fā)生過程，離監(jiān)測和預(yù)報(bào)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(zāi)害性天氣容易漏報(bào)的重要原因之一，而目前通過衛(wèi)星等其他手段探測大氣水汽的分辨率和反演精度還有待提高，相對(duì)誤差較大，尚不能用于日常的氣象業(yè)務(wù)工作。

基于這一現(xiàn)狀，我們迫切需要拓展當(dāng)前的大氣水汽尤其是高水平分辨率的邊界層大氣水汽監(jiān)測方法，以獲取時(shí)間分辨率10分鐘到30分鐘，水平尺度1km~5km高水平分辨率，探測精度1mm~2mm并能提供廓線分布等信息的水汽觀測資料。來彌補(bǔ)無線電探空資料和GPS水汽觀測資料在時(shí)間空間分辨率上的不足，提供精細(xì)化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)所需要的高精度、大容量、近實(shí)時(shí)的大氣水汽信息。

利用被動(dòng)無線電信號(hào)進(jìn)行低空大氣折射率的探測，目前在國外主要是利用BANDIII波段的無線電信號(hào)，這是近年來在歐洲地區(qū)興起的無線電大氣探測技術(shù)的熱點(diǎn)問題。在國內(nèi)，已有關(guān)于利用商用DMB信號(hào)進(jìn)行水汽反演的研究，但DMB信號(hào)的普及程度和信號(hào)覆蓋范圍較窄，不能有效進(jìn)行實(shí)時(shí)、高精度的探測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種能提供精細(xì)化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)所需要的高精度、大容量、近實(shí)時(shí)的大氣水汽信息的裝置。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種基于4G網(wǎng)絡(luò)的水汽探測系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收端；發(fā)射端采用4G信號(hào)通信基站；接收端包括4G信號(hào)接收天線、射頻芯片、AD轉(zhuǎn)換芯片、基帶解碼芯片、處理器、定位和授時(shí)模塊；處理器分別與射頻芯片、基帶解碼芯片、定位和授時(shí)模塊相連；4G接收天線依次通過射頻芯片、AD轉(zhuǎn)換芯片與基帶解碼芯片相連。

其中，發(fā)射端安裝有定位和授時(shí)模塊。

接收端還包括USB接口和外部電源；USB接口和外部電源分別與處理器相連。

射頻芯片采用高通公司W(wǎng)TR1605芯片；基帶解碼芯片采用高通公司MDM9615M；定位和授時(shí)模塊采用深圳全航信息通信有限公司 QH1613 GPS/BD模塊；處理器采用ARM公司的AT91SAM7S64芯片。

發(fā)射端和接收端為多個(gè)。

本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：利用4G信號(hào)電磁波在大氣中傳播存在折射這一現(xiàn)象，而造成折射現(xiàn)象的主要原因是大氣中的水汽，從而利用折射率反演水汽?，F(xiàn)有4G信號(hào)的覆蓋范圍廣，通過將4G信號(hào)發(fā)射端裝置和接收端裝置組網(wǎng)，檢測信號(hào)達(dá)到時(shí)間，能有效提供精細(xì)化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)所需要的高精度、大容量、近實(shí)時(shí)的大氣水汽信息；同時(shí)利用發(fā)射端和接收端的定位和授時(shí)模塊，基于北斗授時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝置之間的時(shí)間同步，且兩者之間距離可基于北斗的精密單點(diǎn)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中接收端的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為圖1中發(fā)射端與接收端之間的時(shí)間同步和距離測量原理圖。

圖中，A-發(fā)射端，B-接收端。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，本實(shí)用新型水汽探測系統(tǒng)包括發(fā)射端A和接收端Ｂ。發(fā)射端采用4G信號(hào)運(yùn)營商通信基站，同時(shí)安裝定位和授時(shí)模塊（采用深圳全航信息通信有限公司 QH1613 GPS/BD模塊）。結(jié)合圖2，接收端包括4G信號(hào)接收天線、射頻芯片、AD轉(zhuǎn)換芯片、基帶解碼芯片、處理器、USB接口、外部電源、定位和授時(shí)模塊。處理器分別與射頻芯片、基帶解碼芯片、USB接口、外部電源、定位和授時(shí)模塊相連。4G接收天線依次通過射頻芯片、AD轉(zhuǎn)換芯片與基帶解碼芯片相連。射頻芯片采用高通公司W(wǎng)TR1605芯片，基帶解碼芯片采用高通公司MDM9615M，定位和授時(shí)模塊采用深圳全航信息通信有限公司 QH1613 GPS/BD模塊，處理器采用ARM公司的AT91SAM7S64芯片。

采用該系統(tǒng)進(jìn)行無源雷達(dá)水汽探測的實(shí)施步驟如下：

step1：精確測量信號(hào)發(fā)射端A和接收端B之間的距離。發(fā)射端和接收端均裝有深圳全航信息通信有限公司 QH1613 GPS/BD模塊，該模塊兼有北斗和GPS定位功能，本系統(tǒng)采用北斗定位中的基于載波相位的定位技術(shù)而非碼定位技術(shù)，由PPP精密單點(diǎn)定位算法得到的定位結(jié)果可以得到厘米級(jí)，滿足水汽探測需求，由圖3所示，收發(fā)雙方均可通過北斗衛(wèi)星獲得自己的坐標(biāo)定位，然后發(fā)射裝置與接收裝置之間的距離由式（1）所示：

（1）

step2: 信號(hào)接收端B應(yīng)能夠接收4G信號(hào)，并計(jì)算信號(hào)由發(fā)射端到接收端的傳播時(shí)間。結(jié)合圖2，信號(hào)接收裝置采用WTR1605芯片接收信號(hào)并通過MDM9615M芯片進(jìn)行基帶解碼，然后利用處理器通過內(nèi)插持續(xù)振幅的零自相關(guān)序列，采用導(dǎo)頻追蹤的算法檢測到達(dá)信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的信號(hào)時(shí)差，精度可達(dá)ns（納秒）級(jí)。在該過程中必須確保發(fā)射端和信號(hào)接收端的時(shí)間同步，在接收過程中接收端產(chǎn)生一個(gè)和發(fā)射端一樣的同頻同步信號(hào)。發(fā)射端產(chǎn)生信號(hào)使用羅德斯瓦茨公司SMIQ03B型低相位噪聲信號(hào)發(fā)生器，并采用斯坦福大學(xué)的PRS10型號(hào)的GPS銣振蕩器鎖相，其ADC的時(shí)鐘采樣頻率的Allan偏差可以達(dá)到。

Step3. 上述過程中可以分別測到信號(hào)發(fā)射端和接收端之間的實(shí)際距離和信號(hào)傳播的偽距離，比較兩者的差值即可以得到水汽反演的結(jié)果。