王新舒，弓宇恒 ，閆 軍，林弘杰，張平貴

(1.內蒙古自治區(qū)大氣探測技術保障中心, 呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區(qū)氣象干部培訓學院, 呼和浩特 010051)

0 引言

在新一代天氣雷達組網中，鑒于雷達對周圍環(huán)境的影響，大部分天氣雷達站采用局站分離方式，將雷達布設在地勢較高又遠離生活區(qū)的偏遠地區(qū)。某自治區(qū)境內現布設CINRAD/CB及CINRAD/CD兩種型號雷達，為解決局站分離導致保障工作時效性較差的實際問題，在已設計的CINRAD/CB型天氣雷達遠程機外定標系統(tǒng)基礎上，升級研制天氣雷達遠程定標控制器，可滿足CINRAD CA/CB/CD三種型號雷達遠程定標。

2019年由J.P.Yin等人提出了無人機輔助雷達校準技術，是一種便攜式、低成本、可重復雷達校準技術，可以實現天線指向校準、可恢復天線方向圖、可準確計算天氣雷達常數[1]。

2019年J.Liu等人提出一種基于目標真值與模擬目標向結合的氣象雷達遠場定標方法，該方法結合了遠場測試、標準金屬球回波強度定標和模擬目標定標。該方法利用遠場接收裝置接收雷達信號，測量波束寬度、發(fā)射功率、發(fā)射機脈沖寬度等參數；利用標準金屬球的客觀真值特性，精確標定回波強度和模擬目標；同時，利用模擬目標在遠場產生精確可控的信號，對氣象雷達回波強度、速度、頻譜寬度、差分反射率因子、差分傳播相移等進行標定，使氣象雷達的標定客觀、準確[2]。

2018年由成都信息工程大學及成都遠望科技有限責任公司研制的天氣雷達標準輸出控制器[3-4]，可以在統(tǒng)一的監(jiān)控軟件界面顯示66項雷達狀態(tài)參數，記錄各參數和關鍵器件性能變化情況，遠程雷達分系統(tǒng)開關控制，運行模式控制、遠程空調控制、遠程視頻實時監(jiān)控雷達機房、性能參數檢查、適配參數檢查，參數測試平臺參數測試等，以滿足無人值守雷達運行要求，減少人工干預帶來的影響。標準化控制器僅將氣象雷達廠家的遠程電源開關機功能和天氣雷達軟件中各種雷達信息集成在一起對雷達進行數據、狀態(tài)監(jiān)測，對機房的狀態(tài)及UPS、空調監(jiān)測等，但對雷達機外遠程標校功能均未提起[5]。

江西省氣象探測中心新一代天氣雷達遠程智能控制系統(tǒng)，側重于對現有SA天氣雷達總配電、發(fā)射機、接收機、伺服、RDA系統(tǒng)遠程控制與復位[6-8]。

天氣雷達遠程定標控制器(以下簡稱：遠程定標控制器)可遠程進行機內及機外各種參數的測量與定標，輸出滿足中國氣象局測試報表格式要求的系統(tǒng)定標報表。對于提高保障時效性至關重要，是比較新穎和實用的定標控制裝備。

1 系統(tǒng)需求方案

新一代天氣雷達是地級廣泛應用的大型民用雷達，監(jiān)測雷達工作狀態(tài)，遠程獲取雷達工作參數，為實現遠程機內測量與定標十分重要方式；為實現遠程機外測量與定標，在已實現機內測量與定標的情況下，需增加對儀器儀表(信號源、頻譜儀、功率計、示波器)的控制并可視化測試儀器顯示界面。雷達站的RDA 計算機傳輸到遠程定標計算機，并由遠程計算機調用數據、圖像等生成所需數據監(jiān)測實況、歷史數據曲線、定標報表。天氣雷達遠程定標控制器應可測量并監(jiān)測日常雷達維護定標的技術指標、可控制外接定標的測試儀器、可視化測試儀器顯示界面、可自動生成對應測試指標的報表。由以上需求，本控制器采用魯棒控制法設計一個固定控制器，在不確定性擾動下以維持閉環(huán)系統(tǒng)的預期性能。

新一代天氣雷達遠程定標控制器系統(tǒng)硬件基于嵌入式系統(tǒng)、測量、控制一體化。軟件采用C/S架構，操作方便、系統(tǒng)安全。整個系統(tǒng)可實現xx新一代天氣雷達遠程遙控開關機，遠程雷達發(fā)射機機外功率、脈沖包絡、頻譜寬度、改善因子測試；接收機機外動態(tài)范圍測試；系統(tǒng)機外強度、速度定標；在線機內外定標，并可輸出對應測試指標波形、報表及歷史曲線查詢。天氣雷達遠程定標控制器系統(tǒng)拓撲如圖1所示。

圖1 雷達遠程定標控制器系統(tǒng)拓撲圖

遠程定標控制器系統(tǒng)對儀表控制響應時間為3 s、平臺對發(fā)射機監(jiān)測響應時間為20 s、對雷達性能指標影響0.1 dB、發(fā)射機機外功率測量影響0.2 dB，響應較快速、界面簡潔、測量誤差較小等優(yōu)勢，擴展更多方面的無人值守雷達運行的要求。

2 定標控制器的設計及實現

控制器的設計包括硬件和軟件兩方面。

2.1 硬件系統(tǒng)設計與實現

遠程定標控制器是新一代天氣雷達遠程定標控制部分關鍵單元，主要對遠程定標過程中對電源系統(tǒng)、微波開關、輸入狀態(tài)的采集與控制。硬件系統(tǒng)由儀器設備、標準化控制器、微波測量接口附件、網絡接口、人機界面接口組成。

2.1.1 設計思路

硬件系統(tǒng)以單片機STM32F107為核心控制電路，內部啟程大量外圍電路，包含7個定時器、2個12位1-Msample/s AD(模數轉換器) (快速交替模式下2M sample/s)、2個12位DA(數模轉換器)、2個I2C接口、5個USART(通用同步/異步串行接收/發(fā)射)接口以及以太網10/100 MAC模塊，豐富的系統(tǒng)資源完全滿足項目設計需求。

控制器設計采用8路輸入GPIO接口作為狀態(tài)輸入，8路輸出GPIO作為可控繼電器驅動輸出；2路I/O作為溫濕度接口；兩路異步串行接口一路作為普通的RS232串口通訊，另一路通過光電隔離作為RS485差分通訊。控制器硬件系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 控制器硬件系統(tǒng)結構框圖

2.1.1.1 以太網通訊接口

STM32F107的以太網控制器包含媒體訪問控制器(MAC)，外部的網絡物理層(PHY)兩個部分。MAC和PHY采用RMII(精簡的獨立介質接口)接口方式。以太網控制器結構如圖3所示。

圖3 以太網控制器結構圖

2.1.1.2 RS485和RS232通訊接口

STM32F107具有5個獨立的通用同步/異步串行接收/發(fā)射接口，其中兩個分別作為RS485和RS232通訊方式。

RS485采用光電隔離方式進行通訊，有效避免外部干擾， 6N137(U9和U10)分別用于數據收發(fā)的隔離傳輸，普通光耦TLP521-1(U8)作為收發(fā)使能控制。SN75176作為RS485差分轉換芯片。

2.1.1.3 光耦隔離輸入接口

控制器的8路輸入狀態(tài)進行數據采集，采集數據經STM32F107處理后經通訊接口傳至系統(tǒng)服務器。8路輸入接口采用傳統(tǒng)兩路TLP521-4普通光耦。當每路輸入接口電流大于光耦導通電流便可認為輸入狀態(tài)為高電平。光耦輸入接口采集微波開關、系統(tǒng)電源狀態(tài)，便于對受控狀態(tài)進行分析。

2.1.1.4 繼電器可控輸出接口

控制器對外部有8路繼電器可控輸出，可分常閉常開輸出方式，同時也支持脈沖方式輸出(可由STM32F107內部程序設置)，繼電器觸點可支持30VDC/5A-250VAC/5A的電壓/電流。STM32F107的I/O節(jié)點輸出至集成電路ULN2803，對8路繼電器驅動(采用4路)?？刂破鬏敵隹刂莆⒉ㄩ_關、儀器電源、雷達系統(tǒng)電源等。

2.1.1.5 溫濕度接口

控制器采用STM32F107中兩路通用I/O口擴展成兩路溫濕度接口，采用AM2305溫濕度傳感器，可用于采集機房相關環(huán)境信息。AM2305溫濕度傳感器5 V供電，串行數據線三態(tài)結構、雙向輸出，與控制器電路采用單總線方式通訊，R2為傳感器上拉電阻，R1、C1可增加數據抗干擾。

2.1.1.6 硬件子系統(tǒng)實現

控制器采用盒式結構，長為20 cm、寬10 cm，厚2 cm?？刂破魍饨右粋€12 V電源，上排為控制器對外控制接口，下排左側為RS485通訊接口、中間為網絡接口和電源輸入，右側為信號輸入端口。

2.2 軟件系統(tǒng)設計與實現

軟件子系統(tǒng)采用Client-Server(C/S)架構，基于C#編程語言，采用MySQL數據庫。服務器負責數據的管理，客戶機負責完成與用戶的交互任務。

2.2.1 設計思路

軟件系統(tǒng)由服務器端主程序和客戶端主程序兩大模塊組成。如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)模塊構成

2.2.2 軟件架構

軟件系統(tǒng)采用C/S架構，主要包括MySQL數據庫層、類庫支持層、業(yè)務邏輯層、展示層4個部分，外接服務總線，軟件系統(tǒng)架構如圖5所示。具有交互性強、安全的存取模式、響應速度快、利于處理大量實時數據的特點。

圖5 系統(tǒng)軟件架構圖

數據庫層的作用是采集、存儲、歸檔、檢索所需數據，清除無效數據、用戶權限設置等功能，本軟件系統(tǒng)采用MYSQL數據庫。類庫支持層的作用是對測試儀器實時命令、數據及數據流控制并實現自動獲取數據。業(yè)務邏輯層提供一系列建模工具和后臺處理邏輯完成故障診斷人員的故障診斷、測試人員的系統(tǒng)標校、集成測試、驗證測試工作，該層主要采用組件化模式和批處理模式。展示層建立客戶端與服務端的通訊服務關系，可實現各儀表的軟操作界面(顯示信號源、示波器、頻譜儀、功率計軟面板界面)控制實際測試儀表，實現遠程在線機外定標、獲取數據生成測試報表，在客戶端展示本平臺最終所需的功能需求。

通過軟面板快速準確地設置測試儀器的相關測試系數，4種儀表無間隔控制可直觀顯示出數據圖形并輸出符合中國氣象局要求的測試報表，對于實現遠程機外定標尤為重要。

2.3 人機界面設計與實現

本定標控制器的人機界面設計采用觸摸一體機的形式，便于雷達站機務人員可視、操作。

3 定標控制器測試與定標的方法及結果分析

天氣雷達遠程定標控制器與雷達暨測試儀器架構如圖6所示[10-12]。

圖6 天氣雷達遠程定標控制器

3.1 天氣雷達測量與定標方法

3.1.1 C波段天氣雷達測量與定標的參數

CINRAD CA/CB/CD天氣雷達定標主要分為機內和機外的測量與定標。機內測量主要為機內動態(tài)范圍測量、系統(tǒng)相干性測量；機內定標主要分為機內強度定標、機內速度定標。機外測量主要有發(fā)射機輸出射頻信號的脈沖包絡、功率、頻譜寬度、極限改善因子(輸入、輸出)，接收機的噪聲系數、動態(tài)范圍；機外定標主要由機外強度定標、機外速度定標[8，13-14]。

3.1.2 天氣雷達機內測量與定標

遠程機內動態(tài)范圍及系統(tǒng)相干性測量、強度及速度定標，主要依靠RDA計算機實現測量與定標，RDA計算機關聯服務器并安裝VNC-SEVER軟件，遠程登錄以實現控制RDA計算機，遠程連接如圖7所示。

圖7 遠程桌面連接圖

機內定標主要是依靠頻率源完成。機內強度定標，將四位開關打至頻率源RFTEST輸出端，測量低噪聲放大器前端的功率，一般測量值大致為-15 dBmW左右，數控衰減器控制測試通道的衰減進行機內強度定標。機內速度定標，將頻率源七位移相開關，分別接至不同的移相角度，來定標速度、譜寬。

3.1.3 天氣雷達機外測量與定標

3.1.3.1 機外測量

機外發(fā)射機參數主要是測量發(fā)射機輸出峰值功率、發(fā)射機輸出檢波包絡(上升沿、下降沿、頂降)、發(fā)射機輸出相位噪聲。本平臺實時監(jiān)測發(fā)射機峰值功率、發(fā)射機輸出包絡(上升沿、下降沿、頂降)、發(fā)射機相位噪聲[15，17-18]。

C波段雷達發(fā)射機輸出峰值功率≥250 kW，在發(fā)射機輸出端口定向耦合器輸出接一雙定向C波段同軸耦合器，定向耦合支路耦合度為40 dB。雙定向耦合一端口測量發(fā)射機相位噪聲，另一端口接檢波器測量發(fā)射機包絡參數，直通支路接40 dB衰減器測量發(fā)射機功率，參數測量如圖8所示。

圖8 機外發(fā)射機參數測量示意圖

3.1.3.2 機外定標

機外定標是由外接信號源代替雷達發(fā)射機內頻率源,信號通過二位開關及20 dB定向耦合器注入低噪聲放大器，并用示波器、功率計、頻譜儀測試天氣雷達發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射射頻脈沖包絡、發(fā)射機輸出功率、發(fā)射機輸出頻譜、發(fā)射機極限改善因子(輸入端、輸出端)等指標。

實現遠程機外定標，需利用單刀雙擲微波開關控制二位開關，以達到控制信號。單刀雙擲微波開關分為常閉、常開端和公共端。接收機二位開關前接入單刀雙擲微波開關，二位開關后端為20 dB定向耦合器和低噪聲放大器前端，微波開關連接如圖9所示。將常閉端和定向耦合器的輸出端相連接，常開端通過射頻電纜接至信號源輸入端，公共端接至低噪聲放大器輸入端。微波開關在工作頻率DC-6 GHz時，最大損耗為0.2 dB，端口隔離度≥70 dB，故不會影響雷達整體參數。雷達正常工作時，微波開關不工作，接收的小信號通過常閉端送至低噪聲放大器輸入端。遠程定標時，微波開關吸合，信號源輸出信號經微波開關，并在定向耦合器衰減20 dB，到達低噪聲放大器輸入端。測量或定標結束后，須將微波開關關閉，恢復到雷達正常工作方式。

圖9 微波開關接入示意圖

機外動態(tài)范圍測量，信號源輸出信號經微波開關注入場放前端，測量前只需將信號源(Agilent E4428C)配置好網絡參數(IP、gateway)，接入網絡，將微波開關切換至測試通道(即信號源輸出至低噪聲放大器輸入端)，遠程操作RDASOT軟件，即可進行機外動態(tài)測試。

機外強度定標，在遠程客戶端控制信號源，RDASOT軟件集成了對信號源控制的功能。測試時，客戶端遠程登陸RDA計算機，切換微波開關至測試通道，通過RDASOT軟件完成機外強度定標，定標完畢后將開關切換至正常工作通道。

機外速度定標，軟件系統(tǒng)集成了對信號源的控制，客戶端可完全控制信號源，技術人員輸入信號的各項參數(如頻率、幅度)，與實際調試信號源一樣，通過遠程桌面控制RDASOT軟件，以實現機外速度定標。界面簡潔、測量誤差較小等優(yōu)勢，擴展更多方面的無人值守雷達運行的要求。

3.2 天氣雷達機外測量與定標實例

以發(fā)射機改善因子測量數值為例進行實例介紹[19]，打開發(fā)射機改善因子測量界面，如圖10所示，左側為流程區(qū)域，右側為報表區(qū)域。

圖10 發(fā)射機改善因子測量界面

按照測試流程執(zhí)行完成以后，在右側報表區(qū)域，填寫相應的測試結果，圖片框和表格均可重新編輯。點擊【報表】按鈕，按照預定的報表模板生成報表，如圖11所示。

圖11 報表生成界面

3.3 天氣雷達定標參數測試

本天氣雷達遠程定標控制器樣機安裝在某新一代天氣雷達站，由于機內僅通過遠程連接，不存在外部設備對信號的衰減，故僅對該站雷達機外指標(發(fā)射機脈沖包絡、發(fā)射機輸入、輸出信號頻譜、發(fā)射機輸出功率、發(fā)射機極限改善因子；接收機機外動態(tài)范圍測試；系統(tǒng)機外強度、速度定標；)，本次測試在呼和浩特相關單位中遠程機外定標，進行測量結果比對。

3.3.1 參數測試結果比對

3.3.1.1 發(fā)射系統(tǒng)機外指標

發(fā)射機輸出極限改善因子測量表格輸出：

1)人工測量：測量方法參照普來賽—西門子雷達公司提供的方法[20]。用頻譜儀檢測信號功率譜密度分布，從中求取信號和相位噪聲的功率譜密度比值S/N(dB)，根據信號的重復頻率F(Hz)，譜分析帶寬B(Hz)，計算出極限改善因子I(dB)。

分別對雷達高重復頻率(1 000 Hz左右)和低重復頻率(600 Hz左右)時的發(fā)射機極限改善因子進行測量。測量儀表采用Agilent E4445A，測量數據及計算結果如表1所示，頻譜圖如圖12所示。

表1 測量數據及計算結果

圖12 輸出644 Hz功率密度比值S/N的頻譜圖

2)遠程機外測量：發(fā)射機輸出極限改善因子輸出報表如表2所示，輸出頻譜如圖13所示。

表2 發(fā)射機輸出極限改善因子測量報表

圖13 輸出644功率譜密度比值S/N的頻譜圖

發(fā)射機輸出極限改善因子人工測量與遠程機外測量比對如圖14所示。

圖14 發(fā)射機輸出極限改善因子測量比對

3.3.1.2 接收系統(tǒng)機外指標

接收系統(tǒng)動態(tài)特性測試：

1)人工測量：接收系統(tǒng)指從雷達的接收機前端，經接收支路信號處理器到終端。信號源產生的信號由接收機前端注入，信號可用外接信號源產生，經接收機信號處理器在數據終端讀取信號的輸出數據。改變輸入信號的幅度，測量系統(tǒng)的輸入輸出特性。測量儀表采用Agilent E4428C信號源。

2)遠程機外測量。兩種測量方法比對如圖15所示。

圖15 接收系統(tǒng)動態(tài)特性測試比對

3.3.1.3 機外系統(tǒng)相干性

1)回波強度定標：

外接信號源注入功率為-90～-40 dBm的信號，在距離5～200 km范圍內檢驗其回波強度的測量值，回波強度測量值與注入信號計算回波強度測量值的最大差值應不大于±1 dB。

(1)人工定標：測量儀表采用Agilent E4428C信號源，可得出最大差值范圍-0.89 dB。

(2)遠程機外定標：徑向速度最大差值范圍-0.25 dB。

2)機外速度定標：

(1)人工測量：最大差值(m/s)：-0.31。

(2)遠程機外測量：速度定標測量輸出最大差值(m/s)：-0.41。

誤差僅為0.1m/s。

3.3.2 結果分析

由發(fā)射機輸出極限改善因子、接收系統(tǒng)動態(tài)特性、機外系統(tǒng)相干性數據結果比對可以看出，遠程機外測量與定標的數據與人工測量的數據雖存在一定的誤差，發(fā)射機輸出極限改善因子偏差在0.1～0.2 dB范圍內、接收系統(tǒng)動態(tài)特性偏差最大為動態(tài)范圍2 dB，機外系統(tǒng)相干性中回波強度定標偏差為0.64 dB、機外速度為0.1 m/s，目前系統(tǒng)穩(wěn)定、運行較為良好。

4 結束語

從2019年12月起，某中心研發(fā)的“天氣雷達遠程定標控制器”，在某國家天氣雷達站進行了項目應用。本設備實現了新一代天氣雷達技術保障人員對天氣雷達發(fā)射機遠程機外主要輸出參數實時監(jiān)測和在線檢查功能、實現了對雷達發(fā)射機、實現了對雷達發(fā)射機、接收機等主要系統(tǒng)機外和機內的遠程在線定標并自動生成定標測試報表。

本定標控制器在某站新一代天氣雷達技術保障業(yè)務中應用效果顯著，有效提高了保障人員的工作效率，提高了新一代天氣雷達的業(yè)務可用性，在為期一年多的應用中，該定標控制器性能穩(wěn)定。

對于測試數據誤差的問題，在后續(xù)情況允許條件下繼續(xù)優(yōu)化。