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        民航氣象多普勒天氣雷達(dá)雙機(jī)熱備設(shè)計(jì)淺析

        2016-05-26 07:31:50王國(guó)強(qiáng)民航山東空管分局氣象臺(tái)濟(jì)南250107
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年2期

        王國(guó)強(qiáng)(民航山東空管分局氣象臺(tái),濟(jì)南 250107)

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        民航氣象多普勒天氣雷達(dá)雙機(jī)熱備設(shè)計(jì)淺析

        王國(guó)強(qiáng)
        (民航山東空管分局氣象臺(tái),濟(jì)南 250107)

        摘 要:本文通過借鑒航管二次雷達(dá)硬件設(shè)計(jì)上的方案,對(duì)傳統(tǒng)意義上的氣象雷達(dá)進(jìn)行雙機(jī)熱備設(shè)計(jì)的探討,通過對(duì)發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、信號(hào)處理分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)以及電源分系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)氣象雷達(dá)雙機(jī)熱備配置,從而大大提高氣象雷達(dá)的運(yùn)行冗余程度,提高雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性。

        關(guān)鍵詞:民航氣象;多普勒天氣雷達(dá);雙機(jī)熱備設(shè)計(jì)

        1 引言

        傳統(tǒng)意義上,民航氣象雷達(dá)多為單通道設(shè)計(jì),即天饋分系統(tǒng)(含天線罩、天線轉(zhuǎn)臺(tái)和饋線)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、信號(hào)處理分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與顯示分系統(tǒng)(也稱終端分系統(tǒng))以及電源分系統(tǒng)均為單套系統(tǒng),一旦某個(gè)分系統(tǒng)出現(xiàn)故障,就會(huì)造成整機(jī)故障停機(jī),造成氣象業(yè)務(wù)的中斷。

        隨著天氣因素對(duì)航空安全運(yùn)行的影響越來越大,作為監(jiān)視危險(xiǎn)天氣重要手段的天氣雷達(dá),其不間斷運(yùn)行的要求也越來越高。目前,民航系統(tǒng)內(nèi)多套氣象多普勒天氣雷達(dá)正在建設(shè)過程中。借鑒航管二次雷達(dá)硬件設(shè)計(jì)上的方案,實(shí)現(xiàn)氣象雷達(dá)雙機(jī)熱備配置,可以大大提高氣象雷達(dá)的運(yùn)行冗余程度,提高雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性。

        2 多普勒天氣雷達(dá)基本工作原理

        多普勒天氣雷達(dá)通過發(fā)射高功率的高頻脈沖信號(hào),借助于云、雨等氣象目標(biāo)的后向散射來檢測(cè)、分析和確定降水目標(biāo)。根據(jù)回波信息,測(cè)量其強(qiáng)度以及運(yùn)動(dòng)的徑向速度和速度譜寬。

        多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)一般由天饋分系統(tǒng)(含天線罩、天線轉(zhuǎn)臺(tái)和饋線)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、信號(hào)處理分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與顯示分系統(tǒng)(也稱終端分系統(tǒng))以及電源分系統(tǒng)8個(gè)部分組成。

        激勵(lì)源輸出的高頻激勵(lì)信號(hào),送入發(fā)射機(jī),經(jīng)固態(tài)功率放大器后,進(jìn)入速調(diào)管放大,輸出高頻脈沖信號(hào),經(jīng)過饋線送至天線向空間定向輻射。定向輻射的電磁波遇到氣象目標(biāo)時(shí),便會(huì)發(fā)生后向散射,形成氣象目標(biāo)的高頻回波信號(hào)被天線接收。

        接收到的微弱高頻回波信號(hào),經(jīng)過饋線送往接收分系統(tǒng),經(jīng)過兩路高頻放大和變頻(高靈敏度通道和低靈敏度通道),成為60MHz的中頻回波信號(hào),直接進(jìn)行中頻采樣。經(jīng)中頻接收機(jī)處理后送往信號(hào)處理分系統(tǒng)。

        信號(hào)處理分系統(tǒng)將兩路I、Q正交信號(hào),作平方律平均處理、地物雜波對(duì)消處理,和拼接處理后,得到反射率的估測(cè)值;并通過脈沖對(duì)處理(PPP)或快速傅里葉變換(FFT)處理,從而得到散射粒子群的平均徑向速度V和速度的平均起伏即速度譜寬W。并將處理后的回波數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至終端系統(tǒng)。

        伺服分系統(tǒng)接收到控制指令,完成天線的方位和俯仰掃描控制;同時(shí)它將天線的實(shí)時(shí)方位角、仰角數(shù)據(jù)送往信號(hào)處理分系統(tǒng)。

        終端分系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)處理分系統(tǒng)送來的雷達(dá)探測(cè)的氣象目標(biāo)回波的原始數(shù)據(jù)、天線角度信號(hào),以及GPS時(shí)鐘進(jìn)行采集、處理,以PPI、RHI、體掃等工作方式,實(shí)時(shí)顯示回波圖像,并可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來,自動(dòng)生成航空氣象保障所需的各種天氣預(yù)報(bào)和天氣監(jiān)測(cè)用的圖像、圖形、曲線等豐富的氣象產(chǎn)品。

        3 氣象雷達(dá)雙機(jī)熱備設(shè)計(jì)

        (1)概述。雙機(jī)熱備設(shè)計(jì)即是采用雙通道體系硬件結(jié)構(gòu),即除了天線罩、天線、轉(zhuǎn)臺(tái)的系統(tǒng)硬件外,發(fā)射、接收、信號(hào)處理和監(jiān)控均進(jìn)行雙套系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì),各分系統(tǒng)包括兩套獨(dú)立的設(shè)備,互為冗余備份,可通過冗余控制電路進(jìn)行自動(dòng)重組、無縫切換,并可在線維修,減少故障時(shí)間,提高雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性。

        (2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。多普勒氣象雷達(dá)系統(tǒng)雙機(jī)熱備功能主要通過波導(dǎo)開關(guān)和二選一切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)。雙機(jī)熱備包括數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的切換和雷達(dá)硬件的切換。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器具備自動(dòng)/人工切換功能,可以人工切換服務(wù)器主備用狀態(tài);波導(dǎo)切換開關(guān)具有手動(dòng)切換手柄。

        數(shù)據(jù)處理服務(wù)器雙機(jī)熱備份:服務(wù)器的熱備份是通過服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通信來實(shí)現(xiàn)的。主備機(jī)通過周期性的發(fā)出相互檢測(cè)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試包,來互相確認(rèn)對(duì)方的運(yùn)行狀態(tài)。如果主機(jī)出現(xiàn)故障,備機(jī)在連續(xù)丟失設(shè)定數(shù)目的測(cè)試包后,會(huì)認(rèn)為主機(jī)出現(xiàn)故障,備機(jī)則根據(jù)已設(shè)定的規(guī)則,啟動(dòng)備機(jī)的相關(guān)服務(wù),完成雙機(jī)熱備的切換。同時(shí)會(huì)將此信息通過網(wǎng)絡(luò)通知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上計(jì)算機(jī)。當(dāng)主用服務(wù)器修復(fù)后,作為備用服務(wù)器使用。切換服務(wù)器工作狀態(tài)不影響整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)正常工作。

        雷達(dá)硬件切換:當(dāng)監(jiān)控單元檢測(cè)到雷達(dá)的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理器出現(xiàn)故障時(shí),監(jiān)控單元發(fā)送關(guān)高壓、并通過交換機(jī)、串口服務(wù)器控制切換波導(dǎo)開關(guān)和控制信號(hào)選擇組件,將硬件系統(tǒng)切換到備份系統(tǒng),切換到位后發(fā)送反饋指令到監(jiān)控單元,監(jiān)控單元開高壓,雷達(dá)正常工作。

        雷達(dá)工作周期內(nèi),兩套雷達(dá)的監(jiān)控單元之間通過交換機(jī)周期性的發(fā)送握手信號(hào),互相監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài),其目的是為了監(jiān)測(cè)備用的雷達(dá)系統(tǒng)在不工作情況下的運(yùn)行情況,并在終端軟件中顯示備用系統(tǒng)狀態(tài)。

        整個(gè)切換過程包括雷達(dá)報(bào)警、關(guān)閉高壓發(fā)射、波導(dǎo)開關(guān)切換、主備服務(wù)器切換、開啟雷達(dá)高壓和狀態(tài)標(biāo)校,整個(gè)過程除了波導(dǎo)切換開關(guān)是機(jī)械動(dòng)作,其他都是電訊號(hào)動(dòng)作,所需時(shí)間控制在30s以內(nèi)。

        具體各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下:

        發(fā)射分系統(tǒng):兩套互為冗余的發(fā)射系統(tǒng),通過大功率波導(dǎo)轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇其中一套發(fā)射機(jī)高壓工作,另一套處于開機(jī)預(yù)熱狀態(tài)。每套發(fā)射機(jī)包含發(fā)射配電單元、監(jiān)控單元、高壓電源單元、固態(tài)調(diào)制器單元、脈沖變壓器、速調(diào)管、鈦泵電源、脈沖旁路器、固態(tài)放大器組合、發(fā)射組合電源單元和散熱風(fēng)機(jī);

        接收分系統(tǒng):兩套獨(dú)立接收系統(tǒng)(接收通道單元、頻率源單元、激勵(lì)源單元),對(duì)原有BIT單元、標(biāo)定單元進(jìn)行改進(jìn),滿足為兩套接收機(jī)提供高品質(zhì)標(biāo)定信號(hào)及監(jiān)測(cè)兩套接收機(jī)的工作狀態(tài);兩套互為備份的接收機(jī)始終通電工作,回波信號(hào)經(jīng)冗余開關(guān)控制進(jìn)入其中一套接收機(jī),經(jīng)處理得到中頻信號(hào)后送往數(shù)字處理系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。

        信號(hào)處理、監(jiān)控分系統(tǒng):采用模塊化設(shè)計(jì),將信號(hào)處理板、監(jiān)控板、數(shù)字接收機(jī)配置在一個(gè)單元內(nèi),組成信號(hào)處理單元,同時(shí)增加冗余控制插件,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)冗余功能控制,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障時(shí)自動(dòng)切換備份通道功能。

        數(shù)據(jù)處理終端:包括數(shù)據(jù)處理服務(wù)器軟件、控制和維護(hù)軟件、顯示終端軟件;軟件設(shè)計(jì)應(yīng)包含多終端熱備份工作功能,主終端故障時(shí),可自動(dòng)切換到備份終端,不影響數(shù)據(jù)處理,并可對(duì)故障終端進(jìn)行維修。

        電源分系統(tǒng):包括不間斷電源、遙控配電箱、電網(wǎng)濾波分機(jī)和分布于各分系統(tǒng)的線性電源和開關(guān)電源等;雙備份系統(tǒng)中各獨(dú)立分系統(tǒng)均單獨(dú)供電,達(dá)到故障系統(tǒng)可在線維修,不影響系統(tǒng)正常工作。

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.222

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