CINRAD/CB型天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程機(jī)外定標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

弓宇恒，王新舒

(內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，呼和浩特 010051)

0 引言

新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)的組建中，考慮到雷達(dá)的使用效率以及對(duì)周邊環(huán)境的影響，大部分天氣雷達(dá)都建在地勢(shì)較高又遠(yuǎn)離生活區(qū)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，而且雷達(dá)機(jī)房噪聲較大不適合觀測(cè)人員長(zhǎng)期值守，故天氣雷達(dá)站的建設(shè)普遍采取局站分離的方式，客觀造成了雷達(dá)技術(shù)保障的時(shí)效性較差。近幾年來，隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷升級(jí)，以往需要現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和匯流環(huán)逐步升級(jí)為免維護(hù)的設(shè)備，不需要進(jìn)行定期的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，雷達(dá)日常維護(hù)工作主要是進(jìn)行雷達(dá)的機(jī)內(nèi)定標(biāo)和機(jī)外定標(biāo)。然而，新一代天氣雷達(dá)的機(jī)外定標(biāo)工作需要到雷達(dá)站用標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和標(biāo)校，但是在極端天氣情況下，技術(shù)保障人員可能無法及時(shí)抵達(dá)雷達(dá)站的現(xiàn)場(chǎng)。因此，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制新一代天氣雷達(dá)的開關(guān)機(jī)及在線機(jī)外定標(biāo)，能夠解決局站分離雷達(dá)站技術(shù)保障工作時(shí)效性較差的實(shí)際問題。

目前，全國(guó)個(gè)別省級(jí)氣象部門研發(fā)了不同型號(hào)的新一代天氣雷達(dá)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，僅設(shè)計(jì)了雷達(dá)各分系統(tǒng)的遠(yuǎn)程電源開關(guān)的功能。本系統(tǒng)采用嵌入式結(jié)構(gòu)和FBGA封裝技術(shù)相結(jié)合的架構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)了CINRAD/CB型雷達(dá)的遠(yuǎn)程控制功能，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)該型號(hào)新一代天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程報(bào)警處理、雷達(dá)報(bào)警維護(hù)、在線機(jī)外和機(jī)內(nèi)定標(biāo)以及雷達(dá)附屬設(shè)施監(jiān)控等功能。

1 系統(tǒng)概述

雷達(dá)遠(yuǎn)程控制和在線定標(biāo)系統(tǒng)包括硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)。硬件子系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制模塊和機(jī)外定標(biāo)模塊組成；軟件子系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制模塊、雷達(dá)機(jī)外數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程測(cè)量模塊、雷達(dá)機(jī)房數(shù)據(jù)及圖像監(jiān)控模塊、雷達(dá)故障報(bào)警維護(hù)模塊和雷達(dá)機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)定標(biāo)模塊等組成，系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體功能如下：

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.1 雷達(dá)遠(yuǎn)程開關(guān)

遠(yuǎn)程控制雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)、接收機(jī)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)等分系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)，增加多路附屬設(shè)備的控制，如對(duì)空氣干燥機(jī)、照明和空調(diào)等附屬設(shè)施的遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)備的工作狀態(tài)。

1.2 雷達(dá)遠(yuǎn)程在線定標(biāo)

遠(yuǎn)程控制雷達(dá)各分系統(tǒng)和測(cè)試儀表，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)外強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)范圍、系統(tǒng)相干性、功率、波形參數(shù)、相位噪聲等遠(yuǎn)程定標(biāo)，系統(tǒng)軟件可對(duì)外接儀表進(jìn)行測(cè)試設(shè)置，并在系統(tǒng)用戶終端進(jìn)行顯示及分析；系統(tǒng)軟件通過讀取RDA計(jì)算機(jī)的性能參數(shù)文件對(duì)雷達(dá)機(jī)內(nèi)定標(biāo)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如雷達(dá)機(jī)內(nèi)發(fā)射機(jī)功率、接收機(jī)CW定標(biāo)、速度譜寬、RFD定標(biāo)等，以滿足新一代天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)規(guī)范要求。

1.3 雷達(dá)故障報(bào)警維護(hù)

遠(yuǎn)程讀取新一代天氣雷達(dá)RDA計(jì)算機(jī)的雷達(dá)報(bào)警LOG日志文件，并自動(dòng)存儲(chǔ)報(bào)警信息，當(dāng)雷達(dá)出現(xiàn)報(bào)警和故障時(shí)，天氣雷達(dá)系統(tǒng)硬件內(nèi)置復(fù)位系統(tǒng)，本系統(tǒng)可遠(yuǎn)程復(fù)位故障，并對(duì)雷達(dá)報(bào)警進(jìn)行遠(yuǎn)程處理，消除由于報(bào)警導(dǎo)致的雷達(dá)強(qiáng)制關(guān)機(jī)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程重新啟動(dòng)雷達(dá)。

1.4 雷達(dá)附屬設(shè)施監(jiān)控

對(duì)機(jī)房與天線罩的溫度和濕度、市電三相的電壓電流和UPS的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可根據(jù)被監(jiān)控設(shè)備的具體情況設(shè)置報(bào)警信息，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可進(jìn)行保存和處理。

2 系硬件子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件采用自動(dòng)控制采集技術(shù)設(shè)計(jì)，硬件部份采用冗余設(shè)計(jì)，保證了硬件部分的長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)采用旁路設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。

2.1 遠(yuǎn)程控制和在線定標(biāo)的設(shè)計(jì)

由數(shù)據(jù)采集單元及控制單元構(gòu)成的主控板是硬件電路核心模塊，用于采集溫濕度信息、UPS數(shù)據(jù)、市電狀態(tài)信息及中間繼電器的輔助觸點(diǎn)控制交流接觸器的吸和或斷開實(shí)現(xiàn)電源的控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，雷達(dá)/天線罩溫濕度傳感器采用智能化SHT75型溫濕度傳感器，該傳感器是高精度的溫濕度傳感器，全量程定標(biāo)；兩線數(shù)字輸出；測(cè)量外圍-40～+123.8 ℃；濕度測(cè)量經(jīng)度；±1.8%RH；溫度測(cè)量精度；±0.3 ℃；低功耗、響應(yīng)時(shí)間短等特性。采用變送器將市電及UPS三相電壓交流轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的安全低壓信號(hào)；機(jī)外信號(hào)注入是當(dāng)雷達(dá)進(jìn)行機(jī)外測(cè)量定標(biāo)時(shí)，服務(wù)器端發(fā)送命令至主控板后，主控板發(fā)出微波開關(guān)切換指令把信號(hào)源信號(hào)注入接收機(jī)場(chǎng)放前端，以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)機(jī)外動(dòng)態(tài)范圍、強(qiáng)度定標(biāo)各項(xiàng)指標(biāo)。正常工作時(shí)，微波注入開關(guān)切換至天線端。

具體設(shè)計(jì)思路說明如下：

2.1.1 主控板電路的設(shè)計(jì)

主控板是實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端對(duì)機(jī)房主要設(shè)備最關(guān)鍵的中間控制環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)采用單片機(jī)與CPLD相結(jié)合設(shè)計(jì)。電路具備多種數(shù)據(jù)接口主要分為輸入輸出接口、數(shù)據(jù)采集端口、通訊端口。

圖2 硬件子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1)輸入輸出接口的設(shè)計(jì)：

(1)主控板開關(guān)量輸入端口均采用普通光耦521-1隔離，通過加入尖峰吸收電容避免外來突發(fā)干擾。輸入端口有效電平為高電平5 V，低電平一般為0 V左右。電路具有16路開關(guān)控制，可檢測(cè)16路開關(guān)信號(hào)。狀態(tài)信息的輸入：雷達(dá)各分系統(tǒng)當(dāng)前的電源狀態(tài)(發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、伺服、綜合、空壓機(jī))、空調(diào)狀態(tài)均通過輸入端口接入。具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 主控板輸入端口設(shè)計(jì)

(2)主控板輸出采用繼電器直接輸出，具有隔離輸出、輸出驅(qū)動(dòng)電流大等優(yōu)點(diǎn)。繼電器驅(qū)動(dòng)采用7407進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，具有小型化、壽命可達(dá)10萬次以上。電源的控制均通過輸出端口。具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 主控板輸出端口設(shè)計(jì)圖

2)數(shù)據(jù)采集端口的設(shè)計(jì)：

數(shù)據(jù)采集模塊的主控板具有8路模擬信號(hào)采集端口，模擬輸入端均采用LM324四路運(yùn)放緩沖射隨輸出，提高輸入阻抗及隔離作用，輸入模擬量范圍0～3.6 V。電路設(shè)計(jì)如圖5所示。將溫濕度的模擬輸出量通過單總線方式送至數(shù)據(jù)采集端口，三相電壓的模擬輸出量通過交流變送器送至采集端口。其余6路輸出端為預(yù)留端口。

圖5 模擬端接口電路

3)通信端口的設(shè)計(jì):

主控板對(duì)采集器采用RS485通訊方式，為有效避免雷電的串入干擾，RS485端口采用有源隔離方式：即A、B差分總線通過接入5.1 K上拉電阻隔離5 V電源、接入5.1 K下拉電阻隔離地并且在A、B線間并聯(lián)510 Ω，可有效匹配總線負(fù)載。AB線對(duì)地采用TVS瞬態(tài)抑制管，間箝位于一個(gè)電壓值，有效地保護(hù)了通訊接口電路。

圖中光耦采用6N137高速光耦；圖中D25、D28為TVS瞬態(tài)抑制管；U20為RS485接口芯片SN75176，也可以采用其它類似芯片；R65、R66、R67組成匹配電路。電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 RS485隔離總線電路

PCB采用雙層電路板設(shè)計(jì)，將同一功能模塊電路放置在臨近區(qū)域，元器件連線簡(jiǎn)潔，設(shè)計(jì)時(shí)模擬地和數(shù)字地的區(qū)分，采用單點(diǎn)接地方式，地線盡可能加粗，確保電路布線無干擾。

以上為主控板硬件設(shè)計(jì)的原理圖部分及PCB布板，是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)外信號(hào)注入、功率及脈沖包絡(luò)監(jiān)測(cè)、UPS及視頻監(jiān)控等模塊數(shù)據(jù)采集及控制核心部分。

2.1.2 在線定標(biāo)的機(jī)外信號(hào)注入

本系統(tǒng)采用技術(shù)先進(jìn)的微波開關(guān)，實(shí)物連接方式如圖7所示。對(duì)雷達(dá)進(jìn)行機(jī)外測(cè)量定標(biāo)時(shí)，服務(wù)器端發(fā)送命令至主控板，主控板發(fā)出微波開關(guān)切換指令將信號(hào)源發(fā)射的信號(hào)注入接收機(jī)場(chǎng)放前端，此時(shí)可以進(jìn)行雷達(dá)機(jī)外強(qiáng)度和速度的定標(biāo)；正常工作時(shí)，微波注入開關(guān)切換至天線端，微波開關(guān)損耗≤0.3 dB，接入通道與主通道隔離度在70 dB以上，確保了信號(hào)源的發(fā)射信號(hào)無泄漏的注入場(chǎng)放前端。

圖7 接收系統(tǒng)機(jī)外定標(biāo)原理框圖

2.1.3 雷達(dá)機(jī)外發(fā)射機(jī)功率監(jiān)測(cè)與輸出射頻脈沖包絡(luò)監(jiān)測(cè)

機(jī)外發(fā)射機(jī)功率和發(fā)射機(jī)輸出射頻脈沖包絡(luò)波形是發(fā)射機(jī)最直觀的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，連接方式如圖8所示。為實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)功率和射頻脈沖包絡(luò)自動(dòng)測(cè)試，選取二功率分配器，發(fā)射機(jī)輸出功率經(jīng)定向耦合器送至10 dB衰減器后接二功率分配器后，一路經(jīng)檢波器和50Ω匹配負(fù)載至示波器進(jìn)行測(cè)量，另一路至USB峰值功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量。本系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集與測(cè)量通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)；采用SCPI指令將讀取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，在客戶端生成數(shù)據(jù)曲線及檢波包絡(luò)圖形。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括發(fā)射機(jī)功率、輸出射頻脈沖寬度、脈沖包絡(luò)的上升及下降沿、包絡(luò)頂部降落。

圖8 機(jī)外發(fā)射機(jī)測(cè)試原理框圖

2.1.4 UPS和視頻監(jiān)控的設(shè)計(jì)

UPS監(jiān)控包括雷達(dá)站機(jī)房供電、供電時(shí)間、UPS電池電壓和報(bào)警信息等。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換器，UPS將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)議轉(zhuǎn)換器，協(xié)議轉(zhuǎn)換器交換給機(jī)房主控板。協(xié)議轉(zhuǎn)換器輸出接口采用RS485，機(jī)房主控板也具有RS485接口，采用無線通訊方式，本系統(tǒng)選用了ZIGBEE通訊模塊，該模塊是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)；天線罩與雷達(dá)機(jī)房視頻采用海康威視200萬網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備，具有多路視頻接口，將視頻信號(hào)傳至客戶端。

2.2 硬件實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)采用壁掛式機(jī)柜，雷達(dá)各分系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)使用的交流接觸器、中間繼電器板、24 V電源、強(qiáng)電輸入輸出端口、主控板均安裝于壁掛式機(jī)柜中。液晶數(shù)碼顯示屏為配電三相電壓顯示監(jiān)測(cè)；第一排綠色按鈕為遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)按鈕：分別為RDA、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、伺服開關(guān)機(jī)按鈕；第二排綠色按鈕為空壓機(jī)、備份1、備份2、備份3開關(guān)機(jī)按鈕；最下排為本控、遙控切換開關(guān)。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)通訊接口與服務(wù)進(jìn)行通訊，并預(yù)留RS485通訊接口一個(gè)、RS232通訊接口一個(gè)；與雷達(dá)控制開關(guān)機(jī)端口采用標(biāo)準(zhǔn)航空電纜插座；視頻采集系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳；機(jī)房溫濕度的采集用單總線方式上傳至主控板；市電三相電壓等模擬數(shù)據(jù)均采用數(shù)據(jù)A/D直采方式。

本章節(jié)從主控板的原理圖設(shè)計(jì)、主控板與各模塊的連接控制進(jìn)行闡述，通過主控板對(duì)模塊的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)遠(yuǎn)程在線定標(biāo)、開關(guān)機(jī)、相關(guān)指標(biāo)監(jiān)測(cè)。

3 軟件子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)思路

按照中國(guó)氣象局大力發(fā)展“智慧氣象”的戰(zhàn)略部署，充分利用移動(dòng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，推動(dòng)氣象工作智能化發(fā)展。本軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本著前瞻性、可靠性以及可擴(kuò)展性，符合實(shí)時(shí)系統(tǒng)信息化發(fā)展的方向。切實(shí)解決局站分離引起遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)雷達(dá)及對(duì)雷達(dá)定標(biāo)不便等問題，便于機(jī)務(wù)員操作為宗旨。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

雷達(dá)遠(yuǎn)程控制和定標(biāo)系統(tǒng)的總體框架由硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)資源、服務(wù)后臺(tái)管理、應(yīng)用服務(wù)等部分組成，軟件系統(tǒng)架構(gòu)見圖9。硬件設(shè)備包括CINRAD/CB雷達(dá)的開關(guān)機(jī)系統(tǒng)、機(jī)房數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、雷達(dá)機(jī)外定標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫(kù)資源包括環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)、狀態(tài)要素?cái)?shù)據(jù)、定標(biāo)要素?cái)?shù)據(jù)、用戶權(quán)限數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)歸檔、數(shù)據(jù)清除、數(shù)據(jù)檢索、用戶權(quán)限等功能；服務(wù)后臺(tái)管理從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取雷達(dá)環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，將用戶的需求和命令發(fā)送給硬件的支持系統(tǒng)，并通過數(shù)據(jù)處理判斷雷達(dá)運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)；應(yīng)用服務(wù)是指基于服務(wù)后臺(tái)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)資源對(duì)雷達(dá)開關(guān)機(jī)、空調(diào)開關(guān)機(jī)，雷達(dá)運(yùn)行各類環(huán)境監(jiān)控和視頻監(jiān)控等。

圖9 平臺(tái)軟件總體框圖

軟件系統(tǒng)選用Windows 2008 Serve、SQL Server 2005和JBoss建立開發(fā)環(huán)境，使用Java語言編程，應(yīng)用jsp腳本語言結(jié)合div+css和ajax技術(shù)，多層B/S體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)安裝、修改和維護(hù)在服務(wù)器端解決，用戶在使用系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)用瀏覽器就可運(yùn)行系統(tǒng)的所有模塊。在節(jié)約成本同時(shí)提供較好的開放性。

軟件系統(tǒng)由登錄用戶類型不同而組權(quán)限不同，執(zhí)行命令流程是一致，如圖10所示。首先要判斷是否存在報(bào)警信息。若存在報(bào)警信息，識(shí)別是故障級(jí)報(bào)警還是發(fā)射機(jī)誤報(bào)警，處理報(bào)警后進(jìn)行機(jī)內(nèi)、機(jī)外定標(biāo)及數(shù)據(jù)查詢(包括開關(guān)機(jī)狀態(tài)、雷達(dá)運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)、機(jī)房視頻、天線罩視頻)。如無報(bào)警信息則直接進(jìn)行機(jī)內(nèi)、機(jī)外定標(biāo)及數(shù)據(jù)查詢。

圖10 軟件系統(tǒng)總流程圖

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)檢索管理、采集監(jiān)控管理和系統(tǒng)管理5大功能模塊，功能結(jié)構(gòu)如圖11所示。數(shù)據(jù)采集管理包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理的功能；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、歸檔和清除的功能；數(shù)據(jù)檢索管理包括安全控制、數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)結(jié)果及處理的功能；系統(tǒng)管理包括用戶及權(quán)限管理和系統(tǒng)策略配置管理。

圖11 系統(tǒng)存儲(chǔ)管理結(jié)構(gòu)圖

3.4 系統(tǒng)展示

目前“雷達(dá)遠(yuǎn)程控制和在線定標(biāo)控制系統(tǒng)”已上線運(yùn)行。處于“遙控”狀態(tài)時(shí)，雷達(dá)遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)直接點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的分系統(tǒng)開關(guān)鍵即可；處于“本控”狀態(tài)時(shí)，僅看到雷達(dá)各分系統(tǒng)的電源開關(guān)狀態(tài)，無法進(jìn)行開關(guān)操作。如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)遠(yuǎn)程開關(guān)界面

3.4.1 機(jī)內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控

機(jī)內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)部分包含發(fā)射機(jī)人工線電壓和機(jī)內(nèi)定標(biāo)數(shù)據(jù)。可以查看到雷達(dá)實(shí)時(shí)運(yùn)行的多項(xiàng)數(shù)據(jù)，來判斷雷達(dá)運(yùn)行情況及硬件的狀況。人工線電壓在線數(shù)據(jù)監(jiān)控界面和機(jī)外示波器檢測(cè)界面如圖13和圖14所示。

圖13 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)人工線監(jiān)測(cè)界面

圖14 系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)外界示波器的檢測(cè)界面

3.4.2 遠(yuǎn)程在線定標(biāo)

遠(yuǎn)程在線定標(biāo)包含遠(yuǎn)程定標(biāo)控制和機(jī)外數(shù)據(jù)監(jiān)控，遠(yuǎn)程定標(biāo)控制是對(duì)機(jī)外儀表進(jìn)行控制，界面如圖15所示。機(jī)外數(shù)據(jù)監(jiān)控是對(duì)儀表測(cè)試的機(jī)外數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，用來判斷雷達(dá)的運(yùn)行狀態(tài)，界面如圖15所示。

圖15 在線機(jī)外定標(biāo)信號(hào)源控制界面

圖16 機(jī)外定標(biāo)功率計(jì)和示波器控制界面圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)的安裝調(diào)試均在某新一代天氣雷達(dá)站，該站冬季時(shí)間較長(zhǎng)，氣溫極低，特別是下雪季節(jié)到雷達(dá)塔樓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、維修和定標(biāo)存在著非常大的困難。因此，該站技術(shù)人員對(duì)遠(yuǎn)程控制雷達(dá)和在線定標(biāo)的需求非常迫切。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試分為硬件部分、軟件部分以及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

5.1.1 硬件安裝與調(diào)試

本系統(tǒng)和機(jī)外測(cè)試儀表架設(shè)在該站雷達(dá)機(jī)房?jī)?nèi)，依托該站雷達(dá)的線纜布局將該系統(tǒng)的受控組件和測(cè)試儀表用線纜連接，并將系統(tǒng)需要遠(yuǎn)程控制及監(jiān)控的控制線與雷達(dá)對(duì)應(yīng)的開關(guān)器件焊接的引線接入線纜布局，全部線纜均匯總到系統(tǒng)壁掛式機(jī)柜。

具體連接專線包括對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)電源、接收機(jī)電源、伺服電源、雷達(dá)綜合電源、空氣壓縮機(jī)、一路220 V供電插座、發(fā)射機(jī)遠(yuǎn)程故障手動(dòng)與顯示復(fù)位開關(guān)、場(chǎng)放前端微波開關(guān)以及對(duì)雷達(dá)機(jī)房和天線罩溫濕度的本地、遠(yuǎn)程控制開關(guān)機(jī)和監(jiān)控的控制線。UPS監(jiān)控采用無線ZIGBEE通訊模式連接。

5.1.2 軟件安裝與調(diào)試

軟件安裝在專用的服務(wù)器級(jí)計(jì)算機(jī)。軟件系統(tǒng)通過控制硬件系統(tǒng)主控板的通信接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)機(jī)外和機(jī)內(nèi)遠(yuǎn)程參數(shù)定標(biāo)、設(shè)備監(jiān)控，并對(duì)測(cè)試和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。具體調(diào)試步驟如下：

1)主控板與雷達(dá)機(jī)外測(cè)試儀表包括頻譜儀、功率計(jì)、示波器和信號(hào)源的通信和控制；

2)主控板與雷達(dá)各分系統(tǒng)電源開關(guān)、發(fā)射系統(tǒng)故障復(fù)位開關(guān)和接收系統(tǒng)微波開關(guān)的通信和控制；

3)主控板與受監(jiān)控設(shè)備的通信與控制；

4)遠(yuǎn)程控制的有效性和響應(yīng)時(shí)間檢查；

5)遠(yuǎn)程控制機(jī)外儀表完成雷達(dá)機(jī)外測(cè)試和定標(biāo)；

6)遠(yuǎn)程控制完成雷達(dá)機(jī)內(nèi)測(cè)試和定標(biāo)；

7)測(cè)試和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)記錄檢查。

5.1.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與拷機(jī)

本系統(tǒng)在雷達(dá)站調(diào)試完成后，進(jìn)行拷機(jī)和測(cè)試階段。將系統(tǒng)在線連續(xù)開機(jī)狀態(tài)下，在局域網(wǎng)連接的任意計(jì)算機(jī)登錄系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)所有功能，并在雷達(dá)臺(tái)站模擬報(bào)警測(cè)試遠(yuǎn)程故障復(fù)位功能等。過程中發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)、測(cè)試響應(yīng)時(shí)間滿以及測(cè)試軟界面缺陷等問題均進(jìn)行了解決。

5.2 測(cè)試實(shí)例簡(jiǎn)述

5.2.1 機(jī)外遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)范圍定標(biāo)

遠(yuǎn)程定標(biāo)控制是本系統(tǒng)最為重要部分，以下以機(jī)外遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)范圍定標(biāo)為例進(jìn)行詳細(xì)說明實(shí)驗(yàn)步驟，機(jī)外動(dòng)態(tài)測(cè)試流程如圖17所示。

圖17 機(jī)外動(dòng)態(tài)測(cè)試流程圖

遠(yuǎn)程定標(biāo)控制界面簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)便，點(diǎn)擊相應(yīng)菜單欄進(jìn)行操作，如圖18所示。

圖18 遠(yuǎn)程定標(biāo)控制界面

第一步：關(guān)閉發(fā)射機(jī)電源。在系統(tǒng)遠(yuǎn)程開關(guān)界面(圖12)中選擇關(guān)閉發(fā)射機(jī)電源，操作成功后，發(fā)射機(jī)電源顯示關(guān)閉(紅色)。

第二步：注入信號(hào)。在雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)控制菜單中點(diǎn)擊“開信號(hào)源注入”，右側(cè)信號(hào)源注入會(huì)顯示綠色測(cè)示通道，微波開關(guān)已經(jīng)由信號(hào)源切換至場(chǎng)放前端。

第三步：遠(yuǎn)程登陸RDASC計(jì)算機(jī)，操作RDASOT軟件即可測(cè)試機(jī)外動(dòng)態(tài)范圍，如圖19所示。由于場(chǎng)放前端添加微波開關(guān)，微波開關(guān)有0.2 dB損耗，測(cè)試時(shí)信號(hào)功率需增加微波開關(guān)損耗。

圖19 機(jī)外遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)范圍定標(biāo)

5.2.2 機(jī)外數(shù)據(jù)監(jiān)控

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)合了數(shù)據(jù)采集、測(cè)量、通信等技術(shù)，對(duì)測(cè)試儀器的數(shù)據(jù)采集是關(guān)鍵技術(shù)之一。

第一步：打開電腦桌面，雙擊儀表集成快捷方式圖標(biāo)，進(jìn)入儀表監(jiān)控界面，如圖20所示。

圖20 儀表監(jiān)控界面

第二步：功率計(jì)和示波器選擇合適的配置，如該雷達(dá)站：

1)功率計(jì)設(shè)置選擇。平均模式：自動(dòng);測(cè)量模式：PEAK;OFFSET：72.5;測(cè)量單位：W;頻率：5 400;VideoBW: OFF;觸發(fā)模式：IMM 上升沿。

2)示波器設(shè)置選擇。通道：1;通道位置：-2;通道耦合：DC;探頭衰減：1;通道反相：OFF;觸發(fā)源：CH1;觸發(fā)斜率：FALL;觸發(fā)電平：0.1 V;水平比例：500 ns;垂直比例：50 mV。

3)當(dāng)出現(xiàn)此圖標(biāo)時(shí)，表明程序已開始儀器開始通訊，并保存數(shù)據(jù)及圖形(圖21)，點(diǎn)擊此圖標(biāo)時(shí)，變?yōu)閳D標(biāo)時(shí)，可以調(diào)整設(shè)置，點(diǎn)擊保存，則保存設(shè)置配置文件(Instrument.XML)。

圖21 示波器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及圖形

通過機(jī)外數(shù)據(jù)監(jiān)控，可以對(duì)儀表測(cè)試的機(jī)外數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，以判斷雷達(dá)的運(yùn)行狀態(tài)。

5.3 實(shí)現(xiàn)的結(jié)果與分析

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)CB型新一代天氣雷達(dá)站雷達(dá)系統(tǒng)及其相關(guān)附屬設(shè)施的遠(yuǎn)程控制、監(jiān)控和技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)無人值守時(shí)的遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)遠(yuǎn)程故障復(fù)位、遠(yuǎn)程雷達(dá)機(jī)內(nèi)和機(jī)外的定標(biāo)、雷達(dá)機(jī)房數(shù)據(jù)及圖像監(jiān)控以及雷達(dá)故障報(bào)警維護(hù)等功能；實(shí)現(xiàn)了新一代天氣雷達(dá)站在局站分離狀態(tài)下的遠(yuǎn)程值守。

1)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)無人值守時(shí)的遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)；

2)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)遠(yuǎn)程機(jī)內(nèi)和機(jī)外的在線定標(biāo)；

3)雷達(dá)故障報(bào)警維護(hù)；

4)雷達(dá)機(jī)房數(shù)據(jù)及圖像監(jiān)控。

本系統(tǒng)在實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行中仍存在以下情況有待完善：數(shù)據(jù)庫(kù)查詢功能需進(jìn)一步擴(kuò)展；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)刷新時(shí)間有待從20 s提升至5～10 s；增加機(jī)房空調(diào)設(shè)備、門禁、煙感及油機(jī)房溫濕度、發(fā)電機(jī)參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)研制完成后于2017年底通過了項(xiàng)目的驗(yàn)收和測(cè)試，2018年進(jìn)行了一年的運(yùn)行，目前在臺(tái)站的應(yīng)用效果達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，該站本系統(tǒng)遠(yuǎn)程排除雷達(dá)故障10余次，取得了一定的社會(huì)效益。2019年，本系統(tǒng)的硬件模塊和軟件模塊進(jìn)行升級(jí)改造，在其它天氣雷達(dá)站試運(yùn)行。科技發(fā)展日新月異，新一代天氣雷達(dá)站無人值守、遠(yuǎn)程雷達(dá)定標(biāo)及遠(yuǎn)程技術(shù)支持已經(jīng)不存在技術(shù)的障礙，但現(xiàn)行雷達(dá)業(yè)務(wù)管理制度和考核對(duì)無人值守和遠(yuǎn)程定標(biāo)缺乏指引，是項(xiàng)目推廣的主要困難。