DMB信号水汽探测方法若干问题研究

The three-dimensional distribution and vertical transferring of water vapor and phase change are principal driving mechanisms that affect the variation of mesoscale weather systems. Therefore, the formation and evolution of mesoscale severe weather systems can be analyzed accurately through effective retrieve of water vapor information with high accuracy and fine spatial and temporal resolution. This information plays important role for mesoscale disastrous weather forecasting and disaster prevention and mitigation. The existing detection systems for water vapor have many problems, like low spatial and temporal resolution, high cost, sparse network deployment, and poor monitoring accuracy, etc. Moreover, most can only implement “point observation” that is lack of “field observation” information, i.e. horizontal and vertical distribution of water vapor. Construction of water vapor monitoring network with commercial DMB signals is proposed in this dissertation, which aims to overcome the shortages of existing monitoring systems. Atmospheric refraction index is inversed in the network through DMB signals, which can used as significant complementation of current monitoring networks and methods for water vapor. An in-depth research on key technologies and applications of water vapor monitoring system based on DMB signals is carried out in this research...The main work includes: .1.The technical feasibility of DMB signals as the retrieval of atmospheric refraction index will be demonstrated;.2.Three signal processing methods for atmospheric refraction index inversion based on DMB signals will be presented and test.3.Aiming at the shortages of existing GPS water vapor 3D tomography technique, atmospheric refraction index monitoring technology based on DMB and GPS water vapor 3D tomography technique are combined. A water vapor 3D tomography method based on observation equations of DMB boundary layer water vapor will be proposed and test

大气中水汽的三维分布、水汽垂直输送和相变是影响中尺度天气系统变化的重要动力机制。目前的水汽监测系统观测时空分辨率，设备造价，布网密度和监测精度等方面还有很大的提升空间，尤其是多数观测系统只能进行水汽的“点观测”，缺乏“场观测”资料。DMB（Digital Multimedia Broadcasting）是在世界上广泛布网的商用多媒体广播系统，针对当前水汽监测系统存在的缺陷，本研究利用商用DMB信号构建水汽监测网络的方法，该网络通过DMB信号反演大气折射指数，可以作为现有的水汽监测网络和监测手段的重要补充。同时针对现有的GPS水汽三维层析技术的缺点，将DMB大气折射指数监测技术和GPS水汽三维层析技术相结合，提出基于DMB边界层水汽观测方程的水汽三维层析方法，期望优化当前的边界层水汽层析结果

针对当前水汽监测系统存在的缺陷，本课题研究了利用商用DMB信号构建水汽监测网络的方法，该网络通过DMB信号反演大气折射指数，可以作为现有的水汽监测网络和监测手段的重要补充。本课题针对基于DMB信号的水汽监测系统的一些关键技术和应用技术做了深入的研究，主要工作包括：. 论证了利用DMB信号反演大气折射指数在技术上的可行性，主要从两个方面加以论证，一是在不同的天气条件下监测DMB信号在传输路径上的水平和垂直偶极子模糊函数的变化，可以得出DMB信号的传输过程对不同的大气折射指数比较敏感的结论，可以作为反演水汽的信号；二是论证了采用被动接收方式反演大气折射指数的可行性。. 研究了利用DMB信号进行大气折射指数反演的三种信号处理算法，第一种是数字调制信号延迟的直接检测的方法，第二种是基于信号载波相位检测方法第三种方法是基于导频信号追踪定位的伪距测量方法，该方法利用DMB信号码传播的中载波突发现象的特性，是最复杂的方法，但是，该方法对于避免整周模糊数和多径、相位不稳定等问题很有效。实验结果表明，导频信号追踪法的时间定位精度比载波相位法和码自相关的方法精度更高，并且能够降低信号传播路径中的多径、周跳等现象的干扰，取得了最好的实验效果。. 针对现有的GPS水汽三维层析技术的缺点，将DMB大气折射指数监测技术和GPS水汽三维层析技术相结合，提出基于DMB边界层水汽观测方程的水汽三维层析方法，采用历史探空数据作为构建垂直约束方程的先验数据，采用贝叶斯后验定权的方法得到垂直约束方程，采用蒙特克罗最优抽样算法解算了层析方程组，并进行了相关实验，相关实验证明嵌入DMB边界层水汽观测方程的层析结果要优于没有嵌入DMB边界层水汽观测方程的结果。. 本课题的研究证明了使用DMB信号进行水汽监测是可行的，并且其应用有助于优化水汽分布的层析结果，该结果可以作为未来高分辨率数值天气预报，尤其是中小尺度强对流天气数值天气预报的初始场的数据。