天氣雷達天線無線電子水平校準裝置的設計與實現

安克武，高 原，王 龍，張春雷，賈木辛

(新疆氣象技術裝備保障中心，烏魯木齊830011)

0 引言

新一代天氣雷達水平校準一直是由人工操作來完成，由于天氣雷達天線單元安裝在天線罩中，且天線轉臺支撐柱較高，人工操作完成天線水平校準存在兩個問題：一是天線單元外面有一個天線罩，天線罩里面燈光昏暗，使用合相水平儀進行人工讀數存在視覺差異，且讀數時間較長，需要人工記錄水平儀讀數，通過人工轉換計算才能得出當前水平位置的水平讀數，工作效率很低；二是天線轉臺支撐柱較高，人員攀爬在轉臺頂部，讀取天線水平讀數時人員天線轉臺一起轉動，存在極大的人身安全隱患。為了解決天線校準讀數誤差大和人員安全隱患兩個問題，文章提出了雷達天線無線電子水平校準裝置的設計思路和方案，并從系統的硬件設計、軟件設計和系統集成調試3個方面，詳細介紹了裝置的基本工作原理。將該裝置與人工合相水平儀校準天線水平進行對比，從數據誤差和人員操作安全性及方便性等方面進行比對分析。該裝置已研制成功并投入了實際應用，切實提高了雷達天線水平校準的精確度和工作效率，消除了人工操作的安全隱患。

1 裝置設計思路

2002-2014年，新疆C波段新一代天氣雷達天線水平檢查校準都是由人工使用合相水平儀進行校準。由于天線轉臺距離地面高度較高，平均高度約6 m，個別臺站高度達8 m，攀爬到天線轉臺進行天線水平校準，不僅存在人員安全隱患，且人工讀取水平儀數據誤差較大。針對實際工作情況文章提出了雷達天線無線電子水平儀裝置[1-3]的設計思路：

1)設計一個直流電源電池供電的電子水平儀，將電子水平儀放置在天線轉臺上替代合相水平儀，避免人工操作合相水平儀繁瑣以及讀數誤差問題。

2)設計一個數據無線發送裝置，將電子水平儀當前顯示的雷達天線水平數據，通過串口發送出來。數據發送裝置安裝在電子水平儀的串口，與電子水平儀共用直流電源電池，數據無線傳輸有效距離可達50 m。

3)設計一個數據無線接收裝置，接收雷達天線水平轉臺上數據無線發送裝置發送的天線水平儀的測量數據。數據無線接收裝置安裝在筆記本電腦(或臺式電腦)的USB口上。

4)設計一個數據處理軟件，軟件具備接收無線接收裝置發送的數據，并實時在計算機終端上顯示，且能自動處理雷達天線4個方位的水平差值，即0°～180°、45°～225°、90°～270°、135°～315°水平線的水平誤差值。

2 裝置設計原理

由裝置的設計思路可以確定，該裝置設計單元分4個部分：雷達水平數據的獲取、發送、接收和處理。裝置組成框圖如圖1所示。

圖1 雷達電子水平儀校準裝置組成

2.1 電子水平儀設計技術

電子水平儀是一種小角度測量儀器，廣義上，它可以測量導軌的直線度和平板的平面度，也可以測量平板的水平。該測試裝置的傳感器采用差動電容式傳感器，分度值可達0.001 mm/m，由一定質量的圓盤掛在電極的彈片上，圓盤與電極之間形成一個差動電容，片簧圓盤就成為差動電容傳感器的動極片[4，5]。

2.1.1 差動電容傳感器測角原理

設計采用傾角傳感器為專門設計定制的差動電容傳感器，其結構如圖2所示。兩個平行固定極板與水平儀底座、測量平面固定在一起，動極板由懸絲懸掛，當被測平面有一定傾斜時，由于重力作用，動極板始終保持豎直狀態，與一個固定板極的極距減小，而與另一個板極極距增大，形成差動輸出，由于所測傾角變化很小，可以認為動板極與固定板極之間始終平行。

圖2 差動電容式傳感器結構

1)電容傳感器工作原理

電容式傳感器的電容量可以表示為：

(1)

式中，C為電容容量；ε為介電常數；S為極板面積；d為板極間距。將介電常數和極板面積作為輸入量，傳感器的傳遞關系式為線性，板極間距與電容的變化是非線性關系。

當板極間隙d減小Δd，電容C將增加ΔC，電容增加值為：

(2)

(3)

(4)

2)差動電容傳感器特性方程

由圖2可知，當水平儀的傾角發生變化時，意味著移動板極和固定板極之間的間距發生變化，傳感器板極間隙d減小Δd，電容器C1的間隙變為d1=d-Δd，增加電容的特性方程：

(5)

電容器C2的間隙變為d2=d+Δd，減少電容特性方程：

(6)

假定ΔC=ΔC1=ΔC2，則差動電容傳感器的特性方程：

(7)

由式(7)可知，水平儀傾角位移的變化Δd與電容相對變化ΔC/C是非線性關系。

2.1.2 微電容信號檢測技術

由于電子水平儀的測量精度達到0.001 mm/m，傳感電容的變化量僅有幾皮法或幾十皮法(電容單位pF)，而工作環境干擾、導線布設、溫度等因素對寄生電容的影響比傳感器電容要大很多，為了把微小的可用電容信號提取出來，本裝置采用了高分辨力的信號處理電路，電路組成框圖如圖3所示。其中電橋轉換為電容和電阻構成的橋式電路，可以將圖2中左邊的固定板極與移動板極定義為電容C1，右邊的固定板極與移動板極定義為電容C2。當雷達天線水平發生變化時，電容C1和C2有變化，電橋不平衡從而輸出電壓，經過放大采樣輸出到微處理器，再經過溫度和非線性補償得到當前的電子水平儀的水平值。

圖3 差動電容式傳感器電路組成

2.1.3 非線性處理、溫度補償技術

2.1.3.1 非線性處理

差動電容式傳感器輸出的信號并非完全與極距(動板極與固定板極之間變化的間距)變化成線性關系。由式(7)和圖3中電橋的差動電容相對變化ΔC/C轉化為電壓信號Uo1可以得知，水平儀傾角位移的變化Δd與電容相對變化ΔC/C是非線性關系，表明水平儀傾角位移的變化Δd與電橋電壓信號Uo1也呈非線性關系。為了使輸入量與輸出量之間呈線性關系，必須采取線性處理措施。為降低成本，提高可靠性，本裝置采用軟件方法進行線性化矯正，常用的軟件矯正方法有矯正函數法、查表法、二次拋物線法和線性插值法。文章采用線性插值法，將非線性曲線a=f(u)(a表示傾角；u表示經A/D轉換后的兩個采樣電壓的比值)按準確度要求分成n段，用n段折線代替曲線，分段基點為ai、ui，在標定過程中，將各個分段基點先存為表格，供插值計算時使用。需要注意的是a=f(u)曲線(可由標定裝置試驗得出)劃分時并非均勻劃分，而是根據準確度要求進行劃分，在矯正曲線曲率較大的地方段數劃分相對較密。理論上來說，劃分的段數越多，得到的結果就越精確，但計算所需時間就越長，即儀器穩定時間越長，因此n的數值要選擇恰當。

2.1.3.2 溫度補償處理

由于差動電容式傳感器輸出零點與靈敏度都是環境溫度的函數，因此均隨溫度變化而變化。為了減小溫度對該裝置的影響，裝置采用溫度補償辦法降低溫度的變化對裝置測量數據的影響。文章選用線性溫度傳感器REF02作為測溫元件對儀器進行溫度補償，同時利用查表的方法進行軟件補償。

1)差動電容輸出電壓Uo1(電橋輸出)與Uo2(激勵電壓)之間的關系：

(8)

式中，R為電橋電阻；d為電容器兩級間間距；Δd為電容C1和C2之間移動極板的距離變化量；ω為激勵源角頻率；ε為電介質常數；S為電容器極板面積；Uo1為電橋不平衡電壓輸出；Uo2為激勵源電壓。

令d+jωRεS=K，則jωRεS=K-d，則式(8)變為：

(9)

因為K2?Δd2，所以式(9)可簡化為：

(10)

式中，s為測試裝置的靈敏度。

2)溫度硬件和軟件補償處理

式(9)是在沒有考慮環境溫度的變化情況得出的，在實際的電子水平儀系統中，檢測系統的輸出零點及靈敏度都是環境溫度的函數，都隨著溫度T的變化而變化；因此上式應修正為：

(11)

式中，S(t)為電橋的靈敏度；U0(t)為電橋的輸出零點。裝置儀器的輸入量與輸出量的關系可表示為：

γ=K2(S(t)Δd+U0(t))

(12)

式中，γ為裝置儀器最終輸出量；K2為傳感器后續放大電路的放大倍數，與量程有關。

由式(11)可以看出，影響靈敏度的因素主要有：激勵源電壓幅值、激勵源電壓頻率和電介質常數等。在軟件方面采用查表的方式對水平儀進行溫度補償，即將A/D轉換后的測量數據做適當的變換后與靈敏度溫度系數與零點偏置溫度系數矢量表的地址建立一一對應的關系。因此建立電橋靈敏度溫度系數及零點偏置溫度系數的矢量表是關鍵的步驟，該矢量表需要小角度水平儀通過標定測試求出靈敏度溫度系數及零點偏置溫度系數，且存放在固化芯片中隨時轉換調運。

2.1.4 數據顯示輸出

差動電容傳感器動板極與固定板極之間變化的間距數據，通過微小電容電路檢測處理，再經過非線性處理和溫度補償處理，分成兩路輸出，一路輸送至液晶顯示面板直接顯示當前的水平變化值，另一路轉換成串行數據通過串行口或者USB輸送至無線數據發射器，進行無線發送。

2.2 數據無線發送和無線接收裝置設計技術

目前無線通信技術發展很快，具有集成化、低功耗和易操作等特點。本裝置采用微功率短距離無線數據傳輸技術完成了電子水平儀水平數據的接收和發送。數據無線通信收發裝置主要由單片射頻收發芯片、微控制器、電源模塊和串口轉USB模塊等組成。天線接收靈敏度為-110 dBm，發射功率為-30～1 dBm，結構框圖如圖4所示。

圖4 數據無線通信收發裝置組成

2.3 數據處理軟件設計技術

通過軟件設計，將無線接收裝置接收到的數據處理后顯示在計算機終端上，同時以文本文件的格式存儲在本地計算機文件夾。自動處理雷達天線4個方位方向水平差值，即0°～180°、45°～225°、90°～270°、135°～315°水平線的水平誤差值，當誤差值超過規定誤差值時自動彈出提示信息，提示保障人員需要進行雷達天線水平校準，同時將誤差值顯示在終端并保存為相應的文件。軟件其他功能包括串口參數的設置、雷達站點參數的設置等。

2.4 系統測試及調試

1)將電子水平儀開啟后，放置在雷達天線支撐柱天線轉臺平面上；2)在雷達主機室開啟筆記本電腦，并在電腦的USB口插入數據接收模塊；3)啟動天線水平校準軟件，設置串行口，設置完成后天線水平儀校準裝置的水平數據將自動顯示在終端屏幕上；4)將雷達天線仰角設置為0°并保持不變；5)將雷達方位分別設置為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，同時在每個方位角讀取雷達天線水平值；6)分別比較0°～180°、45°～225°、90°～270°、135°～315°水平線的水平誤差值，如果水平誤差值在合理范圍內說明雷達天線水平保持良好，不需要校準，否則根據水平誤差值調整雷達天線支撐柱與水泥預制件相固定的螺絲，直到雷達天線水平誤差值在合理范圍內為止。

3 實際應用比對分析

2015—2020年，新疆13部天氣雷達的水平校準全部采用該校準裝置。在實際應用中，分別從數據測量精度、人員操作安全性和方便性以及工作效率3個方面進行比對分析(表1)。

由表1數據可以得出，電子水平校準裝置與合相水平儀相比，具有測量精度高、人員操作簡單、無人員安全隱患、效率高和數據準確等明顯特點。

表1 合相水平儀與電子水平儀校準裝置功能比對

4 結束語

雷達天線無線電子水平校準裝置的設計，不僅需要電容傳感器、電容電橋電路和信號放大處理等硬件電子技術，還需要解決差動電容傳感器電容相對變化輸入與電橋輸出電壓非線性關系問題；為了提高測量精度，需要解決工作環境溫度對該裝置的靈敏度和系統輸出零點數據的影響等技術難題。另外，還需要無線通信技術和計算機數據庫及編程技術。在設計此裝置時應注意以下方面：

1)在設計電容檢測電路時，為了防止激勵源輸出失真電壓波形以及減少干擾信號對差動電容傳感器輸出信號的干擾，采用精密高質量的激勵信號發生器，保證輸出的電壓波形不因環境溫度的改變而發生變化，并且電壓信號采樣同步工作；

2)在進行溫度補償處理，建立電橋靈敏度溫度系數及零點偏置溫度系數的矢量表的過程中，特殊點不能選取太多，否則將影響裝置的穩定時間，但也不能選取太少，否則將降低裝置準確性，應合理選擇。

雷達天線電子水平校準裝置設計原理簡單，替代了合相水平儀人工操作讀數的雷達天線水平標定模式，提升了雷達標定自動化水平、工作效率和測量精度，最大程度保證了工作人員人身安全。2014年在新疆15部天氣雷達(含兵團)保障維護進行業務應用，2015-2019年在全國31個省市氣象系統進行推廣應用，用戶普遍反映使用效果很好。