一種可搬移式X波段天氣雷達控制維護軟件設計

四創電子股份有限公司 左海琴 屈凱峰 郝立勇

本文介紹了公司開發的一種可搬移式X波段多普勒天氣雷達的功能用途，控制維護軟件是系統直接面向用戶的窗口，通過網絡對雷達估值數據、狀態數據等進行采集并處理、顯示、存儲以及控制維護。在運用現有雷達終端技術的基礎上，給出了控制維護軟件系統的基本組成和工作流程，對快速掃描顯示、基數據保存、日志模塊等關鍵技術的設計要點進行了闡述，并采用多線程和多進程的處理方式，提高了軟件的穩定性和負載能力。目前，該雷達已投入到實際使用中，系統運行穩定可靠、具有很強的操作性和普適性。

安徽四創電子股份有限公司開發的一款可搬移式X波段多普勒天氣雷達是一種高機動、可搬移式裝備，在使用時，可由多人背負的方式快速移動至指定陣地，該雷達本身具備北斗自動定位、授時和尋北裝置，通過市電或電池供電，可在30min內完成設備組裝。監測陣地周邊的強對流天氣的發生及演變情況，獲取探測目標微觀結構信息，生成天氣保障應用產品，為有效監測預警危險性天氣提供手段，能夠帶來更多、更全面的分析資料，大力提高氣象的保障能力，可廣泛應與于人工影響天氣、重大活動氣象保障、氣象預報預警及航空保障等。

控制維護軟件運行在半加固便攜式計算機中，是雷達系統組成的重要部分之一，是該天氣雷達直接面向用戶的窗口。本文針對可搬移式雷達控制維護軟件進行了研究與設計，論述了系統組成及特點，并對某些關鍵技術進行了說明，并給出了設計結果。

圖1 可搬移雷達系統示意圖

1 控制維護軟件介紹

1.1 雷達系統組成

可搬移式X波段雷達系統組成示意圖如圖1所示。該雷達以一定的掃描方式向空中發射電磁波，并接收氣象目標反射的回波信息，經過相關處理最終輸出強度Z、速度、譜寬，該數據以標準TCP/IP協議給控制維護軟件，由控制維護軟件完成估值參數的數據采集、實時回波顯示，雷達狀態監控、雷達實時控制維護以及數據存儲等功能。

1.2 控制維護軟件系統架構

從可搬移式雷達使用特點及用戶需求出發，本軟件設計基于以下幾點考慮：（1）軟件需要在便攜式筆記本單機運行，且要適應計算機配置不高的情況，需考慮人機交互便捷、資源消耗低、單個界面能夠實現所有信息。（2）雷達基數據保存穩定、支持壓縮保存，適應后續傳輸要求。（3）應保存雷達控制操作記錄，便于了解雷達的運行過程，發生故障時輔助操作員對故障點的判斷；記錄雷達故障狀態信息，便于操作員定位故障點。對歷史故障信息進行統計分析，基于分析結果可以對雷達設計進行改進，對雷達故障的發生進行預測和預防。

基于以上幾點的考慮，本文設計的控制維護軟件平臺基于Windows系統，開發工具為VS2010，使用C++語言編程。在軟件設計上為滿足實時系統多任務的要求，保證對雷達各分系統的實時控制、雷達狀態回饋監視、回波數據的實時讀取，實時顯示和存儲等，采用多線程和多進程的軟件架構設計，如圖2所示。整個軟件除了主線程以后，還創建了雷達控制線程、估值數據接收線程、狀態數據接收線程、實時掃描顯示以及日志進程、基數據存儲進程等。程序實現中各線程之間采用的同步運用到互斥鎖、信號量機制、以及事件對象機制。多線程和多進程的應用提高了軟件的并行性及高效、快速、安全的數據處理能力。

（1）雷達控制線程：實現對各分系統的實時控制，參數設置。

（2）估值數據接收線程：采集雷達實時估值數據、解析并處理、完成實時回波顯示。

（3）狀態數據接收線程：采集雷達各分系統的狀態回饋信息，處理并顯示及故障告警。

（4）基數據存儲進程：完成回波數據的存儲及實現壓縮保存。

（5）日志進程：實現系統日志的記錄及存儲，支持顯示、查詢等操作。

2 關鍵技術

2.1 快速掃描實時顯示

可搬移式雷達采用的是方位向機械掃描、俯仰向電掃體制，除了具有天氣雷達常用的平掃，高掃，體掃等掃描方式外，還具備方位和仰角同時掃描的快速掃描模式。因此，控制維護軟件還要具備方位和仰角同時變化的實時顯示。由于可搬移式終端設備是一臺便攜式計算機，只有一個顯示屏幕，因此設計時通過軟件界面菜單（菜單下拉選擇層號）來切換顯示相應的仰角層上的四要素（信噪比、強度、速度、譜寬），實時刷新顯示對應仰角層的PPI畫面。本軟件采用雙緩沖繪圖機制，保證了圖像無閃爍顯示，完成快速掃描分層顯示。

圖2 軟件程序流程圖

圖3 數據保存實現流程圖

設計思路：

（1）根據當前的快速掃描模式和當前徑向數據的仰角值，獲取徑向數據的仰角層波位號索引，記錄到徑向數據頭中。

（2）按照波位號索引，將當前估值數據存儲到對應仰角層的徑向數據。

（3）根據用戶當前選擇的顯示層數，檢索程序內存中對應該層的徑向數據，并繪制該層的PPI畫面。

2.2 數據存儲

由于氣象雷達回波數據量大，且對數據存儲和讀取速度要求較高，因此本軟件采用單獨進程完成雷達基數據存儲，并實現壓縮保存。較之以往的直接在主程序中進行數據存儲的方法，本方法具有不耗費主程序資源、功能穩定、節約數據存儲空間，便于后續傳輸等明顯優點。數據存儲的設計流程如圖3所示。

2.3 日志模塊

在以往的天氣雷達終端軟件中，日志存儲與讀取顯示在主程序中實現，這造成主程序系統開銷大，尤其是某軟件化天氣雷達一天的日志記錄數目高達十幾萬條，如果仍采用以前的設計方案，會占用大量的內存，尤其當終端軟件正在進行回波實時掃描顯示時，很明顯的看到掃描線可能出現拉絲現象，影響用戶視覺體驗感，無法滿足實時顯示畫面的穩定性和連續性需求。本文設計的日志模塊采用單獨進程來實現，主程序通過調用的方式來減少程序開銷，提高軟件運行效率，并采用虛擬列表的方式提高日志記錄顯示效率。日志數據庫采用Access數據庫，如圖4為日志軟件的運行界面，日志類別分為故障、操作、狀態、標定四種類型，具有顯示、檢索、刷新、導出日志等功能。

圖4 日志界面

結束語：本文提出了可搬移式雷達控制維護軟件的架構組成和工作原理，并對關鍵技術進行了詳細描述。系統已經在氣象預報、氣象保障、協同觀測試驗等相關領域得到應用，軟件系統穩定可靠、簡單易操作、探測數據及時準確、運行效率高，可以有效地解決現有天氣雷達終端軟件存在的共性問題，具有很強的可操作性。