天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器設(shè)計(jì)

王新舒，弓宇恒 ，閆 軍，林弘杰，張平貴

(1.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；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象干部培訓(xùn)學(xué)院, 呼和浩特 010051)

0 引言

在新一代天氣雷達(dá)組網(wǎng)中，鑒于雷達(dá)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，大部分天氣雷達(dá)站采用局站分離方式，將雷達(dá)布設(shè)在地勢(shì)較高又遠(yuǎn)離生活區(qū)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。某自治區(qū)境內(nèi)現(xiàn)布設(shè)CINRAD/CB及CINRAD/CD兩種型號(hào)雷達(dá)，為解決局站分離導(dǎo)致保障工作時(shí)效性較差的實(shí)際問(wèn)題，在已設(shè)計(jì)的CINRAD/CB型天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程機(jī)外定標(biāo)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，升級(jí)研制天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器，可滿足CINRAD CA/CB/CD三種型號(hào)雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)。

2019年由J.P.Yin等人提出了無(wú)人機(jī)輔助雷達(dá)校準(zhǔn)技術(shù)，是一種便攜式、低成本、可重復(fù)雷達(dá)校準(zhǔn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)天線指向校準(zhǔn)、可恢復(fù)天線方向圖、可準(zhǔn)確計(jì)算天氣雷達(dá)常數(shù)[1]。

2019年J.Liu等人提出一種基于目標(biāo)真值與模擬目標(biāo)向結(jié)合的氣象雷達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)定標(biāo)方法，該方法結(jié)合了遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)金屬球回波強(qiáng)度定標(biāo)和模擬目標(biāo)定標(biāo)。該方法利用遠(yuǎn)場(chǎng)接收裝置接收雷達(dá)信號(hào)，測(cè)量波束寬度、發(fā)射功率、發(fā)射機(jī)脈沖寬度等參數(shù)；利用標(biāo)準(zhǔn)金屬球的客觀真值特性，精確標(biāo)定回波強(qiáng)度和模擬目標(biāo)；同時(shí)，利用模擬目標(biāo)在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生精確可控的信號(hào)，對(duì)氣象雷達(dá)回波強(qiáng)度、速度、頻譜寬度、差分反射率因子、差分傳播相移等進(jìn)行標(biāo)定，使氣象雷達(dá)的標(biāo)定客觀、準(zhǔn)確[2]。

2018年由成都信息工程大學(xué)及成都遠(yuǎn)望科技有限責(zé)任公司研制的天氣雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)雷達(dá)狀態(tài)參數(shù)，記錄各參數(shù)和關(guān)鍵器件性能變化情況，遠(yuǎn)程雷達(dá)分系統(tǒng)開(kāi)關(guān)控制，運(yùn)行模式控制、遠(yuǎn)程空調(diào)控制、遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控雷達(dá)機(jī)房、性能參數(shù)檢查、適配參數(shù)檢查，參數(shù)測(cè)試平臺(tái)參數(shù)測(cè)試等，以滿足無(wú)人值守雷達(dá)運(yùn)行要求，減少人工干預(yù)帶來(lái)的影響。標(biāo)準(zhǔn)化控制器僅將氣象雷達(dá)廠家的遠(yuǎn)程電源開(kāi)關(guān)機(jī)功能和天氣雷達(dá)軟件中各種雷達(dá)信息集成在一起對(duì)雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)機(jī)房的狀態(tài)及UPS、空調(diào)監(jiān)測(cè)等，但對(duì)雷達(dá)機(jī)外遠(yuǎn)程標(biāo)校功能均未提起[5]。

江西省氣象探測(cè)中心新一代天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，側(cè)重于對(duì)現(xiàn)有SA天氣雷達(dá)總配電、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、伺服、RDA系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制與復(fù)位[6-8]。

天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器(以下簡(jiǎn)稱：遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器)可遠(yuǎn)程進(jìn)行機(jī)內(nèi)及機(jī)外各種參數(shù)的測(cè)量與定標(biāo)，輸出滿足中國(guó)氣象局測(cè)試報(bào)表格式要求的系統(tǒng)定標(biāo)報(bào)表。對(duì)于提高保障時(shí)效性至關(guān)重要，是比較新穎和實(shí)用的定標(biāo)控制裝備。

1 系統(tǒng)需求方案

新一代天氣雷達(dá)是地級(jí)廣泛應(yīng)用的大型民用雷達(dá)，監(jiān)測(cè)雷達(dá)工作狀態(tài)，遠(yuǎn)程獲取雷達(dá)工作參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)內(nèi)測(cè)量與定標(biāo)十分重要方式；為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)外測(cè)量與定標(biāo)，在已實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)測(cè)量與定標(biāo)的情況下，需增加對(duì)儀器儀表(信號(hào)源、頻譜儀、功率計(jì)、示波器)的控制并可視化測(cè)試儀器顯示界面。雷達(dá)站的RDA 計(jì)算機(jī)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程定標(biāo)計(jì)算機(jī)，并由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)調(diào)用數(shù)據(jù)、圖像等生成所需數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)況、歷史數(shù)據(jù)曲線、定標(biāo)報(bào)表。天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器應(yīng)可測(cè)量并監(jiān)測(cè)日常雷達(dá)維護(hù)定標(biāo)的技術(shù)指標(biāo)、可控制外接定標(biāo)的測(cè)試儀器、可視化測(cè)試儀器顯示界面、可自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)測(cè)試指標(biāo)的報(bào)表。由以上需求，本控制器采用魯棒控制法設(shè)計(jì)一個(gè)固定控制器，在不確定性擾動(dòng)下以維持閉環(huán)系統(tǒng)的預(yù)期性能。

新一代天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器系統(tǒng)硬件基于嵌入式系統(tǒng)、測(cè)量、控制一體化。軟件采用C/S架構(gòu)，操作方便、系統(tǒng)安全。整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)xx新一代天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程遙控開(kāi)關(guān)機(jī)，遠(yuǎn)程雷達(dá)發(fā)射機(jī)機(jī)外功率、脈沖包絡(luò)、頻譜寬度、改善因子測(cè)試；接收機(jī)機(jī)外動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試；系統(tǒng)機(jī)外強(qiáng)度、速度定標(biāo)；在線機(jī)內(nèi)外定標(biāo)，并可輸出對(duì)應(yīng)測(cè)試指標(biāo)波形、報(bào)表及歷史曲線查詢。天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器系統(tǒng)拓?fù)鋱D

遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器系統(tǒng)對(duì)儀表控制響應(yīng)時(shí)間為3 s、平臺(tái)對(duì)發(fā)射機(jī)監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間為20 s、對(duì)雷達(dá)性能指標(biāo)影響0.1 dB、發(fā)射機(jī)機(jī)外功率測(cè)量影響0.2 dB，響應(yīng)較快速、界面簡(jiǎn)潔、測(cè)量誤差較小等優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)展更多方面的無(wú)人值守雷達(dá)運(yùn)行的要求。

2 定標(biāo)控制器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

控制器的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩方面。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器是新一代天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)控制部分關(guān)鍵單元，主要對(duì)遠(yuǎn)程定標(biāo)過(guò)程中對(duì)電源系統(tǒng)、微波開(kāi)關(guān)、輸入狀態(tài)的采集與控制。硬件系統(tǒng)由儀器設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)化控制器、微波測(cè)量接口附件、網(wǎng)絡(luò)接口、人機(jī)界面接口組成。

2.1.1 設(shè)計(jì)思路

硬件系統(tǒng)以單片機(jī)STM32F107為核心控制電路，內(nèi)部啟程大量外圍電路，包含7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)12位1-Msample/s AD(模數(shù)轉(zhuǎn)換器) (快速交替模式下2M sample/s)、2個(gè)12位DA(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)、2個(gè)I2C接口、5個(gè)USART(通用同步/異步串行接收/發(fā)射)接口以及以太網(wǎng)10/100 MAC模塊，豐富的系統(tǒng)資源完全滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求。

控制器設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)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(guò)光電隔離作為RS485差分通訊?？刂破饔布到y(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 控制器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1.1 以太網(wǎng)通訊接口

STM32F107的以太網(wǎng)控制器包含媒體訪問(wèn)控制器(MAC)，外部的網(wǎng)絡(luò)物理層(PHY)兩個(gè)部分。MAC和PHY采用RMII(精簡(jiǎn)的獨(dú)立介質(zhì)接口)接口方式。以太網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)圖

2.1.1.2 RS485和RS232通訊接口

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

RS485采用光電隔離方式進(jìn)行通訊，有效避免外部干擾， 6N137(U9和U10)分別用于數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)經(jīng)STM32F107處理后經(jīng)通訊接口傳至系統(tǒng)服務(wù)器。8路輸入接口采用傳統(tǒng)兩路TLP521-4普通光耦。當(dāng)每路輸入接口電流大于光耦導(dǎo)通電流便可認(rèn)為輸入狀態(tài)為高電平。光耦輸入接口采集微波開(kāi)關(guān)、系統(tǒng)電源狀態(tài)，便于對(duì)受控狀態(tài)進(jìn)行分析。

2.1.1.4 繼電器可控輸出接口

控制器對(duì)外部有8路繼電器可控輸出，可分常閉常開(kāi)輸出方式，同時(shí)也支持脈沖方式輸出(可由STM32F107內(nèi)部程序設(shè)置)，繼電器觸點(diǎn)可支持30VDC/5A-250VAC/5A的電壓/電流。STM32F107的I/O節(jié)點(diǎn)輸出至集成電路ULN2803，對(duì)8路繼電器驅(qū)動(dòng)(采用4路)?？刂破鬏敵隹刂莆⒉ㄩ_(kāi)關(guān)、儀器電源、雷達(dá)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(kuò)展成兩路溫濕度接口，采用AM2305溫濕度傳感器，可用于采集機(jī)房相關(guān)環(huán)境信息。AM2305溫濕度傳感器5 V供電，串行數(shù)據(jù)線三態(tài)結(jié)構(gòu)、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(shù)據(jù)抗干擾。

2.1.1.6 硬件子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

控制器采用盒式結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)為20 cm、寬10 cm，厚2 cm?？刂破魍饨右粋€(gè)12 V電源，上排為控制器對(duì)外控制接口，下排左側(cè)為RS485通訊接口、中間為網(wǎng)絡(luò)接口和電源輸入，右側(cè)為信號(hào)輸入端口。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件子系統(tǒng)采用Client-Server(C/S)架構(gòu)，基于C#編程語(yǔ)言，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理，客戶機(jī)負(fù)責(zé)完成與用戶的交互任務(wù)。

2.2.1 設(shè)計(jì)思路

軟件系統(tǒng)由服務(wù)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(gòu)成

2.2.2 軟件架構(gòu)

軟件系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，主要包括MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)層、類庫(kù)支持層、業(yè)務(wù)邏輯層、展示層4個(gè)部分，外接服務(wù)總線，軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。具有交互性強(qiáng)、安全的存取模式、響應(yīng)速度快、利于處理大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。

圖5 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)庫(kù)層的作用是采集、存儲(chǔ)、歸檔、檢索所需數(shù)據(jù)，清除無(wú)效數(shù)據(jù)、用戶權(quán)限設(shè)置等功能，本軟件系統(tǒng)采用MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)。類庫(kù)支持層的作用是對(duì)測(cè)試儀器實(shí)時(shí)命令、數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)流控制并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)邏輯層提供一系列建模工具和后臺(tái)處理邏輯完成故障診斷人員的故障診斷、測(cè)試人員的系統(tǒng)標(biāo)校、集成測(cè)試、驗(yàn)證測(cè)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(wù)端的通訊服務(wù)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)各儀表的軟操作界面(顯示信號(hào)源、示波器、頻譜儀、功率計(jì)軟面板界面)控制實(shí)際測(cè)試儀表，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線機(jī)外定標(biāo)、獲取數(shù)據(jù)生成測(cè)試報(bào)表，在客戶端展示本平臺(tái)最終所需的功能需求。

通過(guò)軟面板快速準(zhǔn)確地設(shè)置測(cè)試儀器的相關(guān)測(cè)試系數(shù)，4種儀表無(wú)間隔控制可直觀顯示出數(shù)據(jù)圖形并輸出符合中國(guó)氣象局要求的測(cè)試報(bào)表，對(duì)于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)外定標(biāo)尤為重要。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本定標(biāo)控制器的人機(jī)界面設(shè)計(jì)采用觸摸一體機(jī)的形式，便于雷達(dá)站機(jī)務(wù)人員可視、操作。

3 定標(biāo)控制器測(cè)試與定標(biāo)的方法及結(jié)果分析

天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器與雷達(dá)暨測(cè)試儀器架構(gòu)如圖6所示[10-12]。

圖6 天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器

3.1 天氣雷達(dá)測(cè)量與定標(biāo)方法

3.1.1 C波段天氣雷達(dá)測(cè)量與定標(biāo)的參數(shù)

CINRAD CA/CB/CD天氣雷達(dá)定標(biāo)主要分為機(jī)內(nèi)和機(jī)外的測(cè)量與定標(biāo)。機(jī)內(nèi)測(cè)量主要為機(jī)內(nèi)動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量、系統(tǒng)相干性測(cè)量；機(jī)內(nèi)定標(biāo)主要分為機(jī)內(nèi)強(qiáng)度定標(biāo)、機(jī)內(nèi)速度定標(biāo)。機(jī)外測(cè)量主要有發(fā)射機(jī)輸出射頻信號(hào)的脈沖包絡(luò)、功率、頻譜寬度、極限改善因子(輸入、輸出)，接收機(jī)的噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍；機(jī)外定標(biāo)主要由機(jī)外強(qiáng)度定標(biāo)、機(jī)外速度定標(biāo)[8，13-14]。

3.1.2 天氣雷達(dá)機(jī)內(nèi)測(cè)量與定標(biāo)

遠(yuǎn)程機(jī)內(nèi)動(dòng)態(tài)范圍及系統(tǒng)相干性測(cè)量、強(qiáng)度及速度定標(biāo)，主要依靠RDA計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量與定標(biāo)，RDA計(jì)算機(jī)關(guān)聯(lián)服務(wù)器并安裝VNC-SEVER軟件，遠(yuǎn)程登錄以實(shí)現(xiàn)控制RDA計(jì)算機(jī)，遠(yuǎn)程連接如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程桌面連接圖

機(jī)內(nèi)定標(biāo)主要是依靠頻率源完成。機(jī)內(nèi)強(qiáng)度定標(biāo)，將四位開(kāi)關(guān)打至頻率源RFTEST輸出端，測(cè)量低噪聲放大器前端的功率，一般測(cè)量值大致為-15 dBmW左右，數(shù)控衰減器控制測(cè)試通道的衰減進(jìn)行機(jī)內(nèi)強(qiáng)度定標(biāo)。機(jī)內(nèi)速度定標(biāo)，將頻率源七位移相開(kāi)關(guān)，分別接至不同的移相角度，來(lái)定標(biāo)速度、譜寬。

3.1.3 天氣雷達(dá)機(jī)外測(cè)量與定標(biāo)

3.1.3.1 機(jī)外測(cè)量

機(jī)外發(fā)射機(jī)參數(shù)主要是測(cè)量發(fā)射機(jī)輸出峰值功率、發(fā)射機(jī)輸出檢波包絡(luò)(上升沿、下降沿、頂降)、發(fā)射機(jī)輸出相位噪聲。本平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)峰值功率、發(fā)射機(jī)輸出包絡(luò)(上升沿、下降沿、頂降)、發(fā)射機(jī)相位噪聲[15，17-18]。

C波段雷達(dá)發(fā)射機(jī)輸出峰值功率≥250 kW，在發(fā)射機(jī)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(cè)量發(fā)射機(jī)相位噪聲，另一端口接檢波器測(cè)量發(fā)射機(jī)包絡(luò)參數(shù)，直通支路接40 dB衰減器測(cè)量發(fā)射機(jī)功率，參數(shù)測(cè)量如圖8所示。

圖8 機(jī)外發(fā)射機(jī)參數(shù)測(cè)量示意圖

3.1.3.2 機(jī)外定標(biāo)

機(jī)外定標(biāo)是由外接信號(hào)源代替雷達(dá)發(fā)射機(jī)內(nèi)頻率源,信號(hào)通過(guò)二位開(kāi)關(guān)及20 dB定向耦合器注入低噪聲放大器，并用示波器、功率計(jì)、頻譜儀測(cè)試天氣雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射射頻脈沖包絡(luò)、發(fā)射機(jī)輸出功率、發(fā)射機(jī)輸出頻譜、發(fā)射機(jī)極限改善因子(輸入端、輸出端)等指標(biāo)。

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)外定標(biāo)，需利用單刀雙擲微波開(kāi)關(guān)控制二位開(kāi)關(guān)，以達(dá)到控制信號(hào)。單刀雙擲微波開(kāi)關(guān)分為常閉、常開(kāi)端和公共端。接收機(jī)二位開(kāi)關(guān)前接入單刀雙擲微波開(kāi)關(guān)，二位開(kāi)關(guān)后端為20 dB定向耦合器和低噪聲放大器前端，微波開(kāi)關(guān)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(kāi)端通過(guò)射頻電纜接至信號(hào)源輸入端，公共端接至低噪聲放大器輸入端。微波開(kāi)關(guān)在工作頻率DC-6 GHz時(shí)，最大損耗為0.2 dB，端口隔離度≥70 dB，故不會(huì)影響雷達(dá)整體參數(shù)。雷達(dá)正常工作時(shí)，微波開(kāi)關(guān)不工作，接收的小信號(hào)通過(guò)常閉端送至低噪聲放大器輸入端。遠(yuǎn)程定標(biāo)時(shí)，微波開(kāi)關(guān)吸合，信號(hào)源輸出信號(hào)經(jīng)微波開(kāi)關(guān)，并在定向耦合器衰減20 dB，到達(dá)低噪聲放大器輸入端。測(cè)量或定標(biāo)結(jié)束后，須將微波開(kāi)關(guān)關(guān)閉，恢復(fù)到雷達(dá)正常工作方式。

圖9 微波開(kāi)關(guān)接入示意圖

機(jī)外動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量，信號(hào)源輸出信號(hào)經(jīng)微波開(kāi)關(guān)注入場(chǎng)放前端，測(cè)量前只需將信號(hào)源(Agilent E4428C)配置好網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(IP、gateway)，接入網(wǎng)絡(luò)，將微波開(kāi)關(guān)切換至測(cè)試通道(即信號(hào)源輸出至低噪聲放大器輸入端)，遠(yuǎn)程操作RDASOT軟件，即可進(jìn)行機(jī)外動(dòng)態(tài)測(cè)試。

機(jī)外強(qiáng)度定標(biāo)，在遠(yuǎn)程客戶端控制信號(hào)源，RDASOT軟件集成了對(duì)信號(hào)源控制的功能。測(cè)試時(shí)，客戶端遠(yuǎn)程登陸RDA計(jì)算機(jī)，切換微波開(kāi)關(guān)至測(cè)試通道，通過(guò)RDASOT軟件完成機(jī)外強(qiáng)度定標(biāo)，定標(biāo)完畢后將開(kāi)關(guān)切換至正常工作通道。

機(jī)外速度定標(biāo)，軟件系統(tǒng)集成了對(duì)信號(hào)源的控制，客戶端可完全控制信號(hào)源，技術(shù)人員輸入信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)(如頻率、幅度)，與實(shí)際調(diào)試信號(hào)源一樣，通過(guò)遠(yuǎn)程桌面控制RDASOT軟件，以實(shí)現(xiàn)機(jī)外速度定標(biāo)。界面簡(jiǎn)潔、測(cè)量誤差較小等優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)展更多方面的無(wú)人值守雷達(dá)運(yùn)行的要求。

3.2 天氣雷達(dá)機(jī)外測(cè)量與定標(biāo)實(shí)例

以發(fā)射機(jī)改善因子測(cè)量數(shù)值為例進(jìn)行實(shí)例介紹[19]，打開(kāi)發(fā)射機(jī)改善因子測(cè)量界面，如圖10所示，左側(cè)為流程區(qū)域，右側(cè)為報(bào)表區(qū)域。

圖10 發(fā)射機(jī)改善因子測(cè)量界面

按照測(cè)試流程執(zhí)行完成以后，在右側(cè)報(bào)表區(qū)域，填寫(xiě)相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，圖片框和表格均可重新編輯。點(diǎn)擊【報(bào)表】按鈕，按照預(yù)定的報(bào)表模板生成報(bào)表，如圖11所示。

圖11 報(bào)表生成界面

3.3 天氣雷達(dá)定標(biāo)參數(shù)測(cè)試

本天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器樣機(jī)安裝在某新一代天氣雷達(dá)站，由于機(jī)內(nèi)僅通過(guò)遠(yuǎn)程連接，不存在外部設(shè)備對(duì)信號(hào)的衰減，故僅對(duì)該站雷達(dá)機(jī)外指標(biāo)(發(fā)射機(jī)脈沖包絡(luò)、發(fā)射機(jī)輸入、輸出信號(hào)頻譜、發(fā)射機(jī)輸出功率、發(fā)射機(jī)極限改善因子；接收機(jī)機(jī)外動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試；系統(tǒng)機(jī)外強(qiáng)度、速度定標(biāo)；)，本次測(cè)試在呼和浩特相關(guān)單位中遠(yuǎn)程機(jī)外定標(biāo)，進(jìn)行測(cè)量結(jié)果比對(duì)。

3.3.1 參數(shù)測(cè)試結(jié)果比對(duì)

3.3.1.1 發(fā)射系統(tǒng)機(jī)外指標(biāo)

發(fā)射機(jī)輸出極限改善因子測(cè)量表格輸出：

1)人工測(cè)量：測(cè)量方法參照普來(lái)賽—西門(mén)子雷達(dá)公司提供的方法[20]。用頻譜儀檢測(cè)信號(hào)功率譜密度分布，從中求取信號(hào)和相位噪聲的功率譜密度比值S/N(dB)，根據(jù)信號(hào)的重復(fù)頻率F(Hz)，譜分析帶寬B(Hz)，計(jì)算出極限改善因子I(dB)。

分別對(duì)雷達(dá)高重復(fù)頻率(1 000 Hz左右)和低重復(fù)頻率(600 Hz左右)時(shí)的發(fā)射機(jī)極限改善因子進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量?jī)x表采用Agilent E4445A，測(cè)量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表1所示，頻譜圖如圖12所示。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

圖12 輸出644 Hz功率密度比值S/N的頻譜圖

2)遠(yuǎn)程機(jī)外測(cè)量：發(fā)射機(jī)輸出極限改善因子輸出報(bào)表如表2所示，輸出頻譜如圖13所示。

表2 發(fā)射機(jī)輸出極限改善因子測(cè)量報(bào)表

圖13 輸出644功率譜密度比值S/N的頻譜圖

發(fā)射機(jī)輸出極限改善因子人工測(cè)量與遠(yuǎn)程機(jī)外測(cè)量比對(duì)如圖14所示。

圖14 發(fā)射機(jī)輸出極限改善因子測(cè)量比對(duì)

3.3.1.2 接收系統(tǒng)機(jī)外指標(biāo)

接收系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試：

1)人工測(cè)量：接收系統(tǒng)指從雷達(dá)的接收機(jī)前端，經(jīng)接收支路信號(hào)處理器到終端。信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)由接收機(jī)前端注入，信號(hào)可用外接信號(hào)源產(chǎn)生，經(jīng)接收機(jī)信號(hào)處理器在數(shù)據(jù)終端讀取信號(hào)的輸出數(shù)據(jù)。改變輸入信號(hào)的幅度，測(cè)量系統(tǒng)的輸入輸出特性。測(cè)量?jī)x表采用Agilent E4428C信號(hào)源。

2)遠(yuǎn)程機(jī)外測(cè)量。兩種測(cè)量方法比對(duì)如圖15所示。

圖15 接收系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試比對(duì)

3.3.1.3 機(jī)外系統(tǒng)相干性

1)回波強(qiáng)度定標(biāo)：

外接信號(hào)源注入功率為-90～-40 dBm的信號(hào)，在距離5～200 km范圍內(nèi)檢驗(yàn)其回波強(qiáng)度的測(cè)量值，回波強(qiáng)度測(cè)量值與注入信號(hào)計(jì)算回波強(qiáng)度測(cè)量值的最大差值應(yīng)不大于±1 dB。

(1)人工定標(biāo)：測(cè)量?jī)x表采用Agilent E4428C信號(hào)源，可得出最大差值范圍-0.89 dB。

(2)遠(yuǎn)程機(jī)外定標(biāo)：徑向速度最大差值范圍-0.25 dB。

2)機(jī)外速度定標(biāo)：

(1)人工測(cè)量：最大差值(m/s)：-0.31。

(2)遠(yuǎn)程機(jī)外測(cè)量：速度定標(biāo)測(cè)量輸出最大差值(m/s)：-0.41。

誤差僅為0.1m/s。

3.3.2 結(jié)果分析

由發(fā)射機(jī)輸出極限改善因子、接收系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、機(jī)外系統(tǒng)相干性數(shù)據(jù)結(jié)果比對(duì)可以看出，遠(yuǎn)程機(jī)外測(cè)量與定標(biāo)的數(shù)據(jù)與人工測(cè)量的數(shù)據(jù)雖存在一定的誤差，發(fā)射機(jī)輸出極限改善因子偏差在0.1～0.2 dB范圍內(nèi)、接收系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性偏差最大為動(dòng)態(tài)范圍2 dB，機(jī)外系統(tǒng)相干性中回波強(qiáng)度定標(biāo)偏差為0.64 dB、機(jī)外速度為0.1 m/s，目前系統(tǒng)穩(wěn)定、運(yùn)行較為良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

從2019年12月起，某中心研發(fā)的“天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程定標(biāo)控制器”，在某國(guó)家天氣雷達(dá)站進(jìn)行了項(xiàng)目應(yīng)用。本設(shè)備實(shí)現(xiàn)了新一代天氣雷達(dá)技術(shù)保障人員對(duì)天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)遠(yuǎn)程機(jī)外主要輸出參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和在線檢查功能、實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)、實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等主要系統(tǒng)機(jī)外和機(jī)內(nèi)的遠(yuǎn)程在線定標(biāo)并自動(dòng)生成定標(biāo)測(cè)試報(bào)表。

本定標(biāo)控制器在某站新一代天氣雷達(dá)技術(shù)保障業(yè)務(wù)中應(yīng)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(dá)的業(yè)務(wù)可用性，在為期一年多的應(yīng)用中，該定標(biāo)控制器性能穩(wěn)定。

對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)誤差的問(wèn)題，在后續(xù)情況允許條件下繼續(xù)優(yōu)化。