L波段雷達(dá)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)探索

李戟　夏德奇　劉軍

摘 要：介紹了L波段雷達(dá)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件構(gòu)成和軟件組成，該平臺(tái)的建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)在不使用雷達(dá)實(shí)裝，不釋放探空氣球的條件下對(duì)學(xué)員進(jìn)行仿真訓(xùn)練的目的，提高了設(shè)備的訓(xùn)練效率，豐富了教學(xué)手段和內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：L波段雷達(dá)；高空氣象觀測(cè)；模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：P412 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）17-0020-03

Abstract： This paper introduces the hardware structure and software composition of the L-band radar simulation training platform. The construction of the platform can realize the purpose of training the trainees without using radar real equipment and releasing sounding balloons， which improves the training efficiency of the equipment and enriches the teaching methods and contents.

Keywords： L-band radar； upper air meteorological observation； simulation training platform

引言

高空氣象觀測(cè)是氣象業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，是天氣預(yù)報(bào)、氣候分析、科學(xué)研究和國(guó)際交換氣象情報(bào)和資料的來(lái)源[1]。目前，我國(guó)高空氣象觀測(cè)使用的是由南京大橋機(jī)器有限公司生產(chǎn)的L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)，它與數(shù)字探空儀相配合可獲取地面至30km高空范圍內(nèi)的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、氣壓、濕度等氣象參數(shù)，為氣象臺(tái)站提供準(zhǔn)確的氣象資料。該雷達(dá)由天線(xiàn)裝置、主機(jī)箱、計(jì)算機(jī)、示波器、UPS電源等部分組成。

1 模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)的重要性

（1）課程體系建設(shè)的需求。作為承擔(dān)全國(guó)氣象教育培訓(xùn)的教學(xué)基地，湖南分院以培養(yǎng)能力為核心，逐步形成融合知識(shí)、能力、素質(zhì)為一體，基于分層次、多模塊的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。高空氣象觀測(cè)實(shí)訓(xùn)是高空氣象觀測(cè)模塊化課程體系的重要組成部分，它由GTS1系列探空儀和探空儀檢測(cè)箱、L波段雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)、GTC2型L波段探空數(shù)據(jù)接收機(jī)、GYR1（ZXG01F）型電子式光學(xué)測(cè)風(fēng)經(jīng)緯儀、制（用）氫安全管理、常見(jiàn)故障維修及處理等幾個(gè)層次的教學(xué)內(nèi)容所組成。

（2）綜合能力培養(yǎng)的需求。L波段雷達(dá)培訓(xùn)中存在實(shí)裝器材損耗大，制氫安全保障難度高，訓(xùn)練環(huán)境電磁干擾導(dǎo)致無(wú)法同步進(jìn)行上機(jī)培訓(xùn)，典型故障處理方法無(wú)法保證在培訓(xùn)中實(shí)際操作，只能使用理論教學(xué)等難點(diǎn)。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)人才的必要場(chǎng)所[2]，L波段雷達(dá)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)，采用軟硬件結(jié)合的模擬仿真技術(shù)，通過(guò)研究溫、壓、濕數(shù)據(jù)與模擬電壓的雙向轉(zhuǎn)換關(guān)系、示波器角度跟蹤亮線(xiàn)與波束參數(shù)間的數(shù)學(xué)模型、探空儀的基測(cè)測(cè)定仿真等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在不使用雷達(dá)實(shí)裝，不釋放探空氣球的條件下對(duì)學(xué)員進(jìn)行仿真訓(xùn)練的目的，相關(guān)模塊的訓(xùn)練可提高學(xué)員的實(shí)際動(dòng)手能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)員的創(chuàng)新意識(shí)[3-6]。

2 L波段雷達(dá)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成與特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)組成。該平臺(tái)采取分布式結(jié)構(gòu)，使用一臺(tái)管理計(jì)算機(jī)運(yùn)行管理軟件，用于模擬大氣狀態(tài)、雷達(dá)跟蹤情況、示波器跟蹤亮線(xiàn)、距離波門(mén)顯示等所有L波段雷達(dá)運(yùn)行過(guò)程中使用的數(shù)據(jù)，由教員進(jìn)行操作。多臺(tái)訓(xùn)練器同時(shí)連接管理計(jì)算機(jī)獲取仿真數(shù)據(jù)，供學(xué)員完成訓(xùn)練內(nèi)容。訓(xùn)練器由主機(jī)柜和終端計(jì)算機(jī)組成，主機(jī)柜外觀與實(shí)裝L波段雷達(dá)完全一致，終端計(jì)算機(jī)運(yùn)行與實(shí)裝L波段雷達(dá)一致的L波段雷達(dá)放球軟件、L波段雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件以及輔助的攝像機(jī)模擬軟件，用于實(shí)現(xiàn)放球過(guò)程中的故障設(shè)置、目標(biāo)捕獲、數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理操作。系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

（2）與使用實(shí)裝雷達(dá)進(jìn)行教學(xué)的區(qū)別和特點(diǎn)。與實(shí)裝雷達(dá)相比，平臺(tái)最大的區(qū)別就是使用一臺(tái)管理計(jì)算機(jī)模擬探空過(guò)程中所需的所有數(shù)據(jù)和信號(hào)，因此其室外部分（天線(xiàn)裝置）是不需要的，其室內(nèi)部分使用與實(shí)裝雷達(dá)完全一致的主機(jī)柜、示波器等硬件設(shè)備和軟件版本。對(duì)學(xué)員而言，其面對(duì)的是與實(shí)裝雷達(dá)完全一致的操作過(guò)程和軟件界面，在全程操作與實(shí)裝雷達(dá)并無(wú)區(qū)別，可以達(dá)到平臺(tái)學(xué)會(huì)，實(shí)裝即會(huì)的教學(xué)效果。對(duì)教師而言，因?yàn)楣芾碛?jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)和故障模擬可以定制，能夠?qū)?shí)際雷達(dá)操作中可能遇到的典型狀況進(jìn)行模擬和教學(xué)，豐富了教學(xué)手段和內(nèi)容[7]。

使用L波段雷達(dá)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)的特點(diǎn)是無(wú)需制氫、無(wú)需充氣，節(jié)約耗材，減小學(xué)員的心理壓力；無(wú)需等待天氣，白天晚上隨時(shí)教學(xué)，減小環(huán)境限制；自由設(shè)置球炸時(shí)間，可極大縮短一次探空過(guò)程所需的教學(xué)時(shí)間；典型故障的引入，可針對(duì)探空過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行操作教學(xué)；自動(dòng)考核評(píng)分，用于評(píng)估教學(xué)效果以及針對(duì)弱點(diǎn)因材施教；學(xué)員操作完全自由，其操作帶來(lái)的雷達(dá)數(shù)據(jù)變化與實(shí)裝雷達(dá)完全一致。

3 L波段雷達(dá)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件組成

L波段雷達(dá)模擬平臺(tái)硬件由雷達(dá)主機(jī)柜、管理計(jì)算機(jī)、終端計(jì)算機(jī)和探空儀檢測(cè)箱組成（見(jiàn)圖2）。為了達(dá)到與實(shí)物一致的操作培訓(xùn)效果，采用L波段雷達(dá)實(shí)際主機(jī)柜面板的顯示和開(kāi)關(guān)，包括甲乙主控分機(jī)、顯示分機(jī)（含示波器）、驅(qū)動(dòng)分機(jī)、天線(xiàn)控制盒，通過(guò)設(shè)計(jì)終端接口板與管理計(jì)算機(jī)通信，探空儀檢測(cè)箱采用L波段雷達(dá)配套探空儀的基測(cè)箱，終端計(jì)算機(jī)安裝L波段雷達(dá)配套放球軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)多串口轉(zhuǎn)換器分別與管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，完成整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的模擬。

（1）主機(jī)柜。主機(jī)柜采用雷達(dá)實(shí)際的主機(jī)柜外觀，通過(guò)終端接口板，狀態(tài)顯示板和各分機(jī)接口板完成信號(hào)的模擬，使用RS232串口經(jīng)串口服務(wù)器與管理計(jì)算機(jī)連接。

（2）終端接口板。終端接口板是模擬訓(xùn)練器的核心硬件，采用CPU+FPGA方式，并根據(jù)L波段雷達(dá)的狀態(tài)生成不同的信號(hào)。程序方波（上、下、左、右）、角距顯示控制信號(hào)、粗掃觸發(fā)脈沖、精掃觸發(fā)脈沖、模擬產(chǎn)生距離回波脈沖、角跟蹤信號(hào)電壓、控制盒信號(hào)的采集和處理、雷達(dá)開(kāi)關(guān)機(jī)開(kāi)關(guān)量的檢測(cè)和雷達(dá)狀態(tài)顯示發(fā)光管開(kāi)關(guān)量的輸出等（見(jiàn)圖3）。

終端板使用RS232串口連接到串口服務(wù)器上，經(jīng)由串口服務(wù)器將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，發(fā)送主機(jī)柜面板上的按鍵狀態(tài)和控制盒手柄電壓給管理計(jì)算機(jī)，接收來(lái)自管理計(jì)算機(jī)的各控制信號(hào)控制主機(jī)柜面板上各燈的顯示和示波器信號(hào)的顯示。

（3）主控分機(jī)。L波段雷達(dá)主控分機(jī)分甲、乙兩機(jī)（可以相互備用），裝在主控柜的上（甲）、中（乙）部。主要由中放解調(diào)單元、狀態(tài)顯示單元、距離測(cè)量單元、終端接口單元、自檢解碼單元、天線(xiàn)控制單元、仰角數(shù)據(jù)單元、方位數(shù)據(jù)單元、主機(jī)電源（D1）等組成。主控分機(jī)是為了模擬開(kāi)關(guān)信號(hào)和顯示信號(hào)，通過(guò)設(shè)計(jì)主控分機(jī)接口板與終端接口板結(jié)合完成面板上顯示信號(hào)的模擬。

（4）顯示分機(jī)。顯示分機(jī)裝在主控柜的中部，由VP5565D雙蹤示波器組成，為了模擬顯示分機(jī)的角跟蹤信號(hào)4條亮線(xiàn)和距離回波，通過(guò)移用L波段雷達(dá)的狀態(tài)顯示板，并設(shè)計(jì)終端接口產(chǎn)生狀態(tài)顯示板需要的控制信號(hào)，輸出顯示分機(jī)需要的X軸，Y軸，Z軸信號(hào)。

（5）驅(qū)動(dòng)分機(jī)。驅(qū)動(dòng)分機(jī)裝在主控柜的下部，主要由驅(qū)動(dòng)器、發(fā)射電源、總電源等組成。模擬訓(xùn)練器是為了模擬該分機(jī)的開(kāi)關(guān)信號(hào)和發(fā)光管顯示信號(hào)，通過(guò)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)接口板與終端接口板結(jié)合完成各信號(hào)的模擬。

（6）天線(xiàn)控制盒。該平臺(tái)天線(xiàn)控制盒與實(shí)裝L波段雷達(dá)的天線(xiàn)控制盒完全一致，在內(nèi)控狀態(tài)下，操作人員通過(guò)控制盒手動(dòng)控制天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，終端接口板采集天線(xiàn)控制盒電壓信號(hào)傳遞給管理計(jì)算機(jī)，由管理計(jì)算機(jī)通過(guò)模擬算法達(dá)到模擬天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的效果。

4 L波段雷達(dá)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)軟件組成

L波段雷達(dá)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)軟件包括：L波段高空氣象探測(cè)雷達(dá)模擬訓(xùn)練平臺(tái)管理軟件（安裝在管理計(jì)算機(jī)）、攝像頭模擬軟件（安裝在終端計(jì)算機(jī)）、成績(jī)提交軟件（安裝在終端計(jì)算機(jī)）、L波段高空氣象探測(cè)雷達(dá)模擬訓(xùn)練平臺(tái)終端板軟件（嵌入式軟件，位于終端接口板）等。該平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中需要與L波段雷達(dá)配套的放球軟件和數(shù)據(jù)處理軟件配合使用。

（1）模擬攝像頭軟件。模擬攝像頭軟件通過(guò)360度全景圖片模擬實(shí)際攝像頭視頻圖像，包括探空氣球、探空儀、探空繩及放球背景，圖像畫(huà)面隨天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)變化，當(dāng)進(jìn)行放球操作時(shí)，探空氣球能在視頻中出現(xiàn)緩緩上升的效果，且探空氣球隨距離的增大逐漸縮小直至消失。

（2）成績(jī)提交軟件。當(dāng)訓(xùn)練考核完畢時(shí)，成績(jī)提交軟件將訓(xùn)練過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的硬件故障和數(shù)據(jù)處理結(jié)果提交到管理計(jì)算機(jī)，管理計(jì)算機(jī)管理軟件的評(píng)分模塊對(duì)該次訓(xùn)練過(guò)程考核評(píng)分。成績(jī)提交軟件自動(dòng)接收學(xué)員信息和教員信息，學(xué)員確認(rèn)無(wú)誤后勾選界面上的故障選擇框，確認(rèn)訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)的硬件故障，選擇數(shù)據(jù)處理后的文件，點(diǎn)擊“提交”按鈕，將本次訓(xùn)練情況提交給管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行考核評(píng)分處理。

（3）模擬訓(xùn)練平臺(tái)管理軟件。模擬訓(xùn)練平臺(tái)管理軟件分為管理員和教員2個(gè)功能模塊。管理員模塊包括班級(jí)信息、教員信息、考核批次、成績(jī)查詢(xún)等菜單。主要負(fù)責(zé)對(duì)教員、班級(jí)、通信接口和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置。該平臺(tái)采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢(xún)操作，采用文件與數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的方法對(duì)大數(shù)據(jù)文件（例如學(xué)員提交的處理數(shù)據(jù)）進(jìn)行存儲(chǔ)，以確保軟件運(yùn)行速度和數(shù)據(jù)庫(kù)容量限制均得到滿(mǎn)足。教員模塊包括數(shù)據(jù)處理、班級(jí)管理、故障管理、考核評(píng)分、賬戶(hù)切換、顯示切換和顯示設(shè)置等菜單。當(dāng)正確輸入教員帳號(hào)和密碼后即可進(jìn)入教員主界面。教員主界面右上方標(biāo)題欄顯示當(dāng)前教員姓名和所用故障考核宏名稱(chēng)，工具欄提供經(jīng)常進(jìn)行操作的快捷按鍵入口，左方區(qū)域顯示當(dāng)前選中的雷達(dá)狀態(tài)，可雙擊分別顯示雷達(dá)示意圖、雷達(dá)狀態(tài)圖、操作日志、所用數(shù)據(jù)等圖表，右方區(qū)域分別顯示訓(xùn)練器的操作人員和操作狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

3年來(lái)，湖南分院先后承擔(dān)了多期全國(guó)氣象部門(mén)高空氣象觀測(cè)上崗培訓(xùn)、地面高空一體化培訓(xùn)等，通過(guò)該平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)，培訓(xùn)了一批具有較強(qiáng)實(shí)際操作能力和解決復(fù)雜問(wèn)題能力的高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)人員。通過(guò)培訓(xùn)，學(xué)員全部拿到了上崗資格證書(shū)。L波段雷達(dá)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)不僅促進(jìn)了基層氣象部門(mén)業(yè)務(wù)人員的業(yè)務(wù)能力的全面提升，而且有效地推進(jìn)了湖南分院綜合氣象觀測(cè)領(lǐng)域高空氣象觀測(cè)特色學(xué)科的建設(shè)[8-11]。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚雯，鄭國(guó)光，郭亞田，等.氣象探空測(cè)風(fēng)軟件的標(biāo)準(zhǔn)化研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2004（2）：88-89.

[2]賴(lài)麗花，楊杰，王效杰.創(chuàng)新型生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建構(gòu)——以深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)畫(huà)學(xué)院實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為例[J].實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與探索， 2013（8）：396.

[3]管圖華，黃媛媛.微電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（9）：240-241.

[4]羅暉，劉海文，王傳云.基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的光纖通信網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010（10）：332.

[5]鄧月明，王玲，周志彬.現(xiàn)代通信實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，26（12）：122-125.

[6]張淑玲，黃啟.經(jīng)管類(lèi)跨專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)探索[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013（4）：159-161.

[7]黃治國(guó)，黃建忠，張滬寅，等.網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（12）：146-147.

[8]朱躍龍.數(shù)字化教育教學(xué)技能實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建與應(yīng)用研究[J].淮陰師范學(xué)院學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2014（5）：672-676.

[9]周名偵，葉翠安.電工電子與自動(dòng)化技術(shù)類(lèi)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)研究[J].廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，8（4）：100-103.

[10]王培良，蔣林華.實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建與實(shí)踐教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（6）：68-69.

[11]陳偉，程杰.工程實(shí)訓(xùn)與應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（6）：154-156.