L波段雷達模擬實訓平臺建設探索

李戟　夏德奇　劉軍

摘 要：介紹了L波段雷達模擬實訓平臺硬件構成和軟件組成，該平臺的建設可以實現在不使用雷達實裝，不釋放探空氣球的條件下對學員進行仿真訓練的目的，提高了設備的訓練效率，豐富了教學手段和內容。

關鍵詞：L波段雷達；高空氣象觀測；模擬實訓平臺

中圖分類號：P412 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0020-03

Abstract： This paper introduces the hardware structure and software composition of the L-band radar simulation training platform. The construction of the platform can realize the purpose of training the trainees without using radar real equipment and releasing sounding balloons， which improves the training efficiency of the equipment and enriches the teaching methods and contents.

Keywords： L-band radar； upper air meteorological observation； simulation training platform

引言

高空氣象觀測是氣象業務的基礎，是天氣預報、氣候分析、科學研究和國際交換氣象情報和資料的來源[1]。目前，我國高空氣象觀測使用的是由南京大橋機器有限公司生產的L波段二次測風雷達，它與數字探空儀相配合可獲取地面至30km高空范圍內的風向、風速、溫度、氣壓、濕度等氣象參數，為氣象臺站提供準確的氣象資料。該雷達由天線裝置、主機箱、計算機、示波器、UPS電源等部分組成。

1 模擬實訓平臺建設的重要性

（1）課程體系建設的需求。作為承擔全國氣象教育培訓的教學基地，湖南分院以培養能力為核心，逐步形成融合知識、能力、素質為一體，基于分層次、多模塊的實訓教學模式。高空氣象觀測實訓是高空氣象觀測模塊化課程體系的重要組成部分，它由GTS1系列探空儀和探空儀檢測箱、L波段雷達探測系統、GTC2型L波段探空數據接收機、GYR1（ZXG01F）型電子式光學測風經緯儀、制（用）氫安全管理、常見故障維修及處理等幾個層次的教學內容所組成。

（2）綜合能力培養的需求。L波段雷達培訓中存在實裝器材損耗大，制氫安全保障難度高，訓練環境電磁干擾導致無法同步進行上機培訓，典型故障處理方法無法保證在培訓中實際操作，只能使用理論教學等難點。實訓平臺是培養高素質技術人才的必要場所[2]，L波段雷達模擬實訓平臺的建設，采用軟硬件結合的模擬仿真技術，通過研究溫、壓、濕數據與模擬電壓的雙向轉換關系、示波器角度跟蹤亮線與波束參數間的數學模型、探空儀的基測測定仿真等技術，可以實現在不使用雷達實裝，不釋放探空氣球的條件下對學員進行仿真訓練的目的，相關模塊的訓練可提高學員的實際動手能力、分析問題和解決問題的能力，激發學員的創新意識[3-6]。

2 L波段雷達模擬實訓平臺系統構成與特點

（1）系統組成。該平臺采取分布式結構，使用一臺管理計算機運行管理軟件，用于模擬大氣狀態、雷達跟蹤情況、示波器跟蹤亮線、距離波門顯示等所有L波段雷達運行過程中使用的數據，由教員進行操作。多臺訓練器同時連接管理計算機獲取仿真數據，供學員完成訓練內容。訓練器由主機柜和終端計算機組成，主機柜外觀與實裝L波段雷達完全一致，終端計算機運行與實裝L波段雷達一致的L波段雷達放球軟件、L波段雷達數據處理軟件以及輔助的攝像機模擬軟件，用于實現放球過程中的故障設置、目標捕獲、數據獲取和數據處理操作。系統構成見圖1。

（2）與使用實裝雷達進行教學的區別和特點。與實裝雷達相比，平臺最大的區別就是使用一臺管理計算機模擬探空過程中所需的所有數據和信號，因此其室外部分（天線裝置）是不需要的，其室內部分使用與實裝雷達完全一致的主機柜、示波器等硬件設備和軟件版本。對學員而言，其面對的是與實裝雷達完全一致的操作過程和軟件界面，在全程操作與實裝雷達并無區別，可以達到平臺學會，實裝即會的教學效果。對教師而言，因為管理計算機中的數據和故障模擬可以定制，能夠將實際雷達操作中可能遇到的典型狀況進行模擬和教學，豐富了教學手段和內容[7]。

使用L波段雷達模擬實訓平臺進行教學的特點是無需制氫、無需充氣，節約耗材，減小學員的心理壓力；無需等待天氣，白天晚上隨時教學，減小環境限制；自由設置球炸時間，可極大縮短一次探空過程所需的教學時間；典型故障的引入，可針對探空過程中存在的問題進行操作教學；自動考核評分，用于評估教學效果以及針對弱點因材施教；學員操作完全自由，其操作帶來的雷達數據變化與實裝雷達完全一致。

3 L波段雷達模擬實訓平臺硬件組成

L波段雷達模擬平臺硬件由雷達主機柜、管理計算機、終端計算機和探空儀檢測箱組成（見圖2）。為了達到與實物一致的操作培訓效果，采用L波段雷達實際主機柜面板的顯示和開關，包括甲乙主控分機、顯示分機（含示波器）、驅動分機、天線控制盒，通過設計終端接口板與管理計算機通信，探空儀檢測箱采用L波段雷達配套探空儀的基測箱，終端計算機安裝L波段雷達配套放球軟件和數據處理軟件，通過網絡轉多串口轉換器分別與管理計算機進行通訊，完成整個系統狀態的模擬。

（1）主機柜。主機柜采用雷達實際的主機柜外觀，通過終端接口板，狀態顯示板和各分機接口板完成信號的模擬，使用RS232串口經串口服務器與管理計算機連接。

（2）終端接口板。終端接口板是模擬訓練器的核心硬件，采用CPU+FPGA方式，并根據L波段雷達的狀態生成不同的信號。程序方波（上、下、左、右）、角距顯示控制信號、粗掃觸發脈沖、精掃觸發脈沖、模擬產生距離回波脈沖、角跟蹤信號電壓、控制盒信號的采集和處理、雷達開關機開關量的檢測和雷達狀態顯示發光管開關量的輸出等（見圖3）。

終端板使用RS232串口連接到串口服務器上，經由串口服務器將串口數據轉換為網絡數據與管理計算機進行通訊，發送主機柜面板上的按鍵狀態和控制盒手柄電壓給管理計算機，接收來自管理計算機的各控制信號控制主機柜面板上各燈的顯示和示波器信號的顯示。

（3）主控分機。L波段雷達主控分機分甲、乙兩機（可以相互備用），裝在主控柜的上（甲）、中（乙）部。主要由中放解調單元、狀態顯示單元、距離測量單元、終端接口單元、自檢解碼單元、天線控制單元、仰角數據單元、方位數據單元、主機電源（D1）等組成。主控分機是為了模擬開關信號和顯示信號，通過設計主控分機接口板與終端接口板結合完成面板上顯示信號的模擬。

（4）顯示分機。顯示分機裝在主控柜的中部，由VP5565D雙蹤示波器組成，為了模擬顯示分機的角跟蹤信號4條亮線和距離回波，通過移用L波段雷達的狀態顯示板，并設計終端接口產生狀態顯示板需要的控制信號，輸出顯示分機需要的X軸，Y軸，Z軸信號。

（5）驅動分機。驅動分機裝在主控柜的下部，主要由驅動器、發射電源、總電源等組成。模擬訓練器是為了模擬該分機的開關信號和發光管顯示信號，通過設計驅動接口板與終端接口板結合完成各信號的模擬。

（6）天線控制盒。該平臺天線控制盒與實裝L波段雷達的天線控制盒完全一致，在內控狀態下，操作人員通過控制盒手動控制天線轉動，終端接口板采集天線控制盒電壓信號傳遞給管理計算機，由管理計算機通過模擬算法達到模擬天線轉動的效果。

4 L波段雷達模擬實訓平臺軟件組成

L波段雷達模擬實訓平臺軟件包括：L波段高空氣象探測雷達模擬訓練平臺管理軟件（安裝在管理計算機）、攝像頭模擬軟件（安裝在終端計算機）、成績提交軟件（安裝在終端計算機）、L波段高空氣象探測雷達模擬訓練平臺終端板軟件（嵌入式軟件，位于終端接口板）等。該平臺運行過程中需要與L波段雷達配套的放球軟件和數據處理軟件配合使用。

（1）模擬攝像頭軟件。模擬攝像頭軟件通過360度全景圖片模擬實際攝像頭視頻圖像，包括探空氣球、探空儀、探空繩及放球背景，圖像畫面隨天線轉動變化，當進行放球操作時，探空氣球能在視頻中出現緩緩上升的效果，且探空氣球隨距離的增大逐漸縮小直至消失。

（2）成績提交軟件。當訓練考核完畢時，成績提交軟件將訓練過程中發現的硬件故障和數據處理結果提交到管理計算機，管理計算機管理軟件的評分模塊對該次訓練過程考核評分。成績提交軟件自動接收學員信息和教員信息，學員確認無誤后勾選界面上的故障選擇框，確認訓練過程中出現的硬件故障，選擇數據處理后的文件，點擊“提交”按鈕，將本次訓練情況提交給管理計算機進行考核評分處理。

（3）模擬訓練平臺管理軟件。模擬訓練平臺管理軟件分為管理員和教員2個功能模塊。管理員模塊包括班級信息、教員信息、考核批次、成績查詢等菜單。主要負責對教員、班級、通信接口和評分標準進行設置。該平臺采用Access數據庫進行關鍵數據的存儲和查詢操作，采用文件與數據庫相結合的方法對大數據文件（例如學員提交的處理數據）進行存儲，以確保軟件運行速度和數據庫容量限制均得到滿足。教員模塊包括數據處理、班級管理、故障管理、考核評分、賬戶切換、顯示切換和顯示設置等菜單。當正確輸入教員帳號和密碼后即可進入教員主界面。教員主界面右上方標題欄顯示當前教員姓名和所用故障考核宏名稱，工具欄提供經常進行操作的快捷按鍵入口，左方區域顯示當前選中的雷達狀態，可雙擊分別顯示雷達示意圖、雷達狀態圖、操作日志、所用數據等圖表，右方區域分別顯示訓練器的操作人員和操作狀態。

5 結束語

3年來，湖南分院先后承擔了多期全國氣象部門高空氣象觀測上崗培訓、地面高空一體化培訓等，通過該平臺的實訓，培訓了一批具有較強實際操作能力和解決復雜問題能力的高空氣象觀測業務人員。通過培訓，學員全部拿到了上崗資格證書。L波段雷達模擬實訓平臺的建設不僅促進了基層氣象部門業務人員的業務能力的全面提升，而且有效地推進了湖南分院綜合氣象觀測領域高空氣象觀測特色學科的建設[8-11]。

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