一种基于4G网络的水汽探测系统的制作方法

本实用新型属于气象领域，具体涉及一种基于4G网络无源雷达的水汽探测系统。

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。

技术实现要素：

本实用新型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、近实时的大气水汽信息的装置。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种基于4G网络的水汽探测系统，包括发射端和接收端；发射端采用4G信号通信基站；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、定位和授时模块；处理器分别与射频芯片、基带解码芯片、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。

其中，发射端安装有定位和授时模块。

接收端还包括USB接口和外部电源；USB接口和外部电源分别与处理器相连。

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。

发射端和接收端为多个。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：利用4G信号电磁波在大气中传播存在折射这一现象，而造成折射现象的主要原因是大气中的水汽，从而利用折射率反演水汽。现有4G信号的覆盖范围广，通过将4G信号发射端装置和接收端装置组网，检测信号达到时间，能有效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；同时利用发射端和接收端的定位和授时模块，基于北斗授时技术实现装置之间的时间同步，且两者之间距离可基于北斗的精密单点定位技术实现。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1中接收端的结构框图；

图3为图1中发射端与接收端之间的时间同步和距离测量原理图。

图中，A-发射端，B-接收端。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，本实用新型水汽探测系统包括发射端A和接收端Ｂ。发射端采用4G信号运营商通信基站，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）。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。

采用该系统进行无源雷达水汽探测的实施步骤如下：

step1：精确测量信号发射端A和接收端B之间的距离。发射端和接收端均装有深圳全航信息通信有限公司 QH1613 GPS/BD模块，该模块兼有北斗和GPS定位功能，本系统采用北斗定位中的基于载波相位的定位技术而非码定位技术，由PPP精密单点定位算法得到的定位结果可以得到厘米级，满足水汽探测需求，由图3所示，收发双方均可通过北斗卫星获得自己的坐标定位，然后发射装置与接收装置之间的距离由式（1）所示：

（1）

step2: 信号接收端B应能够接收4G信号，并计算信号由发射端到接收端的传播时间。结合图2，信号接收装置采用WTR1605芯片接收信号并通过MDM9615M芯片进行基带解码，然后利用处理器通过内插持续振幅的零自相关序列，采用导频追踪的算法检测到达信号与发射信号的信号时差，精度可达ns（纳秒）级。在该过程中必须确保发射端和信号接收端的时间同步，在接收过程中接收端产生一个和发射端一样的同频同步信号。发射端产生信号使用罗德斯瓦茨公司SMIQ03B型低相位噪声信号发生器，并采用斯坦福大学的PRS10型号的GPS铷振荡器锁相，其ADC的时钟采样频率的Allan偏差可以达到。

Step3. 上述过程中可以分别测到信号发射端和接收端之间的实际距离和信号传播的伪距离，比较两者的差值即可以得到水汽反演的结果。