新一代天氣雷達機外信號源遠(yuǎn)程控制技術(shù)研究

李昭春張永莉

(1.海南省氣象探測中心，?？?570203; 2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，?？?570203; 3.成都信息工程大學(xué)，成都 610225)

0 引言

全國新一代天氣雷達系統(tǒng)定標(biāo)和測試業(yè)務(wù)工作中配備的機外測量儀表中的微波射頻信號源主要采用美國安捷倫公司的E4428C型號信號發(fā)生器。該型號的射頻信號發(fā)生器使用簡單方便，性能穩(wěn)定可靠。在天氣雷達各種定標(biāo)業(yè)務(wù)工作[1-10]中，常常要使用到機外信號源。主要是用來進行新一代天氣雷達系統(tǒng)反射率、速度等標(biāo)定，動態(tài)范圍和靈敏度等測試，還可以用于微波線路損耗測試等。因此，熟練使用這種機外信號源的各種功能技巧對維護維修好新一代天氣雷達系統(tǒng)非常重要。在新一代天氣雷達系統(tǒng)定標(biāo)和測試業(yè)務(wù)工作實際中也有一些不方便直接操作新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源控制面板的地方。為了更加方便地使用機外信號源，本文提出了利用遠(yuǎn)程控制機外信號源的方法快捷高效的開展新一代天氣雷達系統(tǒng)定標(biāo)工作。

新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源可以通過網(wǎng)線連接從而支持網(wǎng)絡(luò)通信?？梢允褂眠B接局域網(wǎng)的計算機遠(yuǎn)程控制新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源。當(dāng)測試信號輸入端和系統(tǒng)結(jié)果輸出端不在同一個機房或同一樓層時，使用遠(yuǎn)程控制信號源的方法將大大提高業(yè)務(wù)工作效率，減少業(yè)務(wù)人員數(shù)量(需要至少兩個人用對講機來協(xié)調(diào)操作)，從而使得一個業(yè)務(wù)人員就可以輕松完成新一代天氣雷達系統(tǒng)機外定標(biāo)工作。

1 web遠(yuǎn)程控制

如圖1所示，該界面為新一代天氣雷達機外信號源內(nèi)置的網(wǎng)頁遠(yuǎn)程控制信號源設(shè)備界面。只要在與之互聯(lián)的計算機瀏覽器中輸入新一代天氣天氣雷達機外信號源配置的IP地址，即可打開該界面。在其左上角輸入指定的頻率和幅度，然后點擊RF ON/OFF按鈕即可輸出穩(wěn)定的射頻信號源。如果需要輸出調(diào)制的射頻信號時，可以在右上角選擇調(diào)制方式，然后點擊MOD ON/OFF按鈕則可以輸出指定的調(diào)制信號。但該方式不能選擇信號幅度和頻率的步進量，默認(rèn)為手動輸入的步進量。這樣使得在做新一代天氣天氣雷達定標(biāo)測量實際業(yè)務(wù)中帶來不便。因為新一代天氣天氣雷達定標(biāo)測量實際業(yè)務(wù)經(jīng)常需要改變幅度和頻率數(shù)值。

圖1 web網(wǎng)頁遠(yuǎn)程控制天氣雷達機外信號源設(shè)備

2 telnet遠(yuǎn)程控制

telnet是Internet遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。它為用戶提供在本地終端電腦上完成遠(yuǎn)程控制服務(wù)器電腦工作的能力。在終端用戶的電腦上使用telnet程序，用它連接到服務(wù)器。終端用戶可以在telnet程序中輸入控制命令，就像直接在服務(wù)器的控制臺上輸入命令一樣。從而可以在本地就能控制遠(yuǎn)程服務(wù)器。如圖2所示，該界面為與之互聯(lián)的計算機中使用telnet軟件遠(yuǎn)程控制新一代天氣雷達機外信號源設(shè)備的界面。在計算機的控制臺命令窗口輸入“telnet 192.168.100.5 5025 ”，即可遠(yuǎn)程登陸到新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源設(shè)備，然后輸入相應(yīng)的命令控制信號源輸出指定幅度和頻率的微波測試信號，從而對新一代天氣雷達系統(tǒng)進行定標(biāo)測試。比如，輸入SOURce:FREQuency 2730 MHz，表示控制新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源輸入頻率為2730 MHz的微波測試信號。輸入POW:AMPL -10 dbm，表示控制信號源輸入幅度為-10 dbm的微波測試信號。輸入OUTPut:STATe ON ，表示打開信號源開關(guān)，立即輸出該微波測試信號。

圖2 telnet 遠(yuǎn)程控制天氣雷達機外信號源設(shè)備

3 Windows程序控制

如圖3所示，通過在Windows 各版本的操作系統(tǒng)下使用微軟公司的VB6.0程序設(shè)計軟件編程，實現(xiàn)快速高效遠(yuǎn)程控制新一代天氣雷達機外信號源設(shè)備。其中，界面的IP地址輸入框里輸入新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源的IP地址，界面的線損輸入框輸入連接定標(biāo)測試信號源和新一代天氣雷達系統(tǒng)設(shè)備測試信號輸入端的連接電纜的線纜損耗。在界面的頻率和幅度輸入框里輸入指定的測試信號參數(shù)，點擊ON按鈕即可控制信號源輸出指定的微波測試信號。根據(jù)新一代天氣雷達系統(tǒng)機外定標(biāo)測試需要，該測試信號設(shè)定為連續(xù)波信號。對應(yīng)幅度和頻率給出了自動加和自動減的快捷步進按鈕，步進量可以選擇幾個常用的步進數(shù)值，如頻率步進量有1 Hz，10 Hz，100 Hz，幅度步進量有1 dBm,2 dBm,5 dBm，10 dBm。頻率步進量的設(shè)置便于快速設(shè)置新一代天氣雷達機外測試信號頻率偏移量，便于新一代天氣雷達系統(tǒng)測量目標(biāo)物速度的定標(biāo)測試，幅度步進量的設(shè)置則是快速改變新一代天氣雷達機外測試信號幅度大小，以便于新一代天氣雷達系統(tǒng)接收機強度定標(biāo)與線性動態(tài)范圍測試。其關(guān)鍵代碼如下。

新一代天氣雷達機外測試信號頻率自動加和減的代碼設(shè)計如下：

Text1.Text = CStr(Val(Text1.Text) + Val(Combo1.Text) * 10 ^ -6)

‘這句代碼對界面中的輸入框數(shù)據(jù)進行格式化’

SockC1.SendData "SOURce:FREQuency " + Text1.Text + "MHZ" + vbCrLf

‘這句代碼通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指定頻率的測試信號給新一代天氣雷達機外信號源

Sleep (10)

‘這句代碼表示等待10毫秒

SockC1.SendData "OUTPut:STATe ON" + vbCrLf

‘這句代碼表示通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令打開新一代天氣雷達機外信號源開關(guān)輸出測試信號

新一代天氣雷達系統(tǒng)機外測試信號幅度自動加和減的代碼設(shè)計如下：

Text2.Text = CStr(Val(Text2.Text) + Combo2.Text)

‘這句代碼對界面中的輸入框數(shù)據(jù)進行格式化

SockC1.SendData "POW:AMPL " + CStr(Val(Text2.Text) + Val(Text4.Text)) + "dbm" + vbCrLf

‘這句代碼通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指定幅度的測試信號給新一代天氣雷達機外信號源

Sleep (10)

‘這句代碼表示等待10毫秒

SockC1.SendData "OUTPut:STATe ON" + vbCrLf

‘這句代碼表示通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令打開新一代天氣雷達機外信號源開關(guān)輸出測試信號

新一代天氣雷達機外標(biāo)定都是用連續(xù)波進行標(biāo)定，所以需要先把脈沖調(diào)制狀態(tài)關(guān)閉。按下ON按鈕的代碼如下：

SockC1.SendData "OUTPut:MODulation:STATe OFF" + vbCrLf

Sleep (10)

SockC1.SendData "SOURce:PULM:STATe OFF" + vbCrLf

Sleep (10)

SockC1.SendData "OUTPut:STATe ON" + vbCrLf

圖3 Windows系統(tǒng)下程序遠(yuǎn)程控制天氣雷達機外信號源界面

4 Linux程序控制

由于雷達生成廠家眾多，有部分型號的雷達操作軟件安裝在Linux系統(tǒng)下，所以為了能在Linux系統(tǒng)下也能使用遠(yuǎn)程控制機外信號源的方式來進行快速測試標(biāo)定新一代天氣雷達性能參數(shù)，因此本文研究了在Linux系統(tǒng)下利用C語言編程軟件實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制機外信號源的方法。如圖4所示，考慮到Linux系統(tǒng)窗體界面編程較為復(fù)雜，故使用命令窗口的方法來實現(xiàn)。部分關(guān)鍵代碼如下：

char str[50],str0[100],s1[100],s2[100];

char str1[] = "SOURce:FREQuency ";

char str2[] = "POW:AMPL ";

char str3[] = "OUTPut:STATe ON ";

char str4[] = "OUTPut:STATe OFF ";

char str5[] = "OUTPut:MODulation:STATe OFF ";

char str6[] = "SOURce:PULM:STATe OFF ";

//初始化字符串常量

while(1)

{

printf ("Please write down the number:");

scanf ("%d",&No);

if (No == 1)

{

printf (" RFSource AMPL(dBm):");

scanf ("%lf",&l);

sprintf(str0,"%s%lf%s ",str2,ampl,"dbm");

if((num=send(sockfd,str0,sizeof(str0),0))==-1)

{

printf("send() error ");

exit(1);

}

usleep(100000);

if((num=send(sockfd,str3,sizeof(str3),0))==-1)

{

printf("send() error ");

exit(1);

}

usleep(100000);

}

else if (No == 2)

{

…

}

return 0;

}

圖4中，Linux系統(tǒng)下要改變幅度設(shè)定值，可以選擇數(shù)字鍵1，然后根據(jù)提示輸入幅度大小，即可設(shè)定新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源的幅度大小，同理，選擇數(shù)字鍵2可以設(shè)定新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源的頻率大小，數(shù)字鍵3為幅度步進增量設(shè)置，數(shù)字鍵4為頻率步進增量設(shè)置，數(shù)字鍵6為打開新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源，數(shù)字鍵7為關(guān)閉新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源，數(shù)字鍵0則退出新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源遠(yuǎn)程控制程序。

圖4 Linux系統(tǒng)下程序遠(yuǎn)程控制天氣雷達機外信號源界面

5 手機APP控制

智能手機越來越普及到大眾手中，智能生活和智能工作等理念越來越便利了大眾的生活方式。為了利用手機便捷式聯(lián)網(wǎng)功能，可以開發(fā)Android 手機應(yīng)用程序來進行遠(yuǎn)程控制新一代天氣雷達機外信號源。Android 手機操作系統(tǒng)APK是一個基于Java的開發(fā)環(huán)境，它與Java程序設(shè)計語言極為類似，而且也是一種較為簡單的開發(fā)語言，Google公司也對API開發(fā)文檔的書寫和樣例提供了很多支持。

開發(fā)手機程序需要下載并安裝Android的SDK軟件開發(fā)套件，主要包括有核心庫文件，一個模擬器，開發(fā)工具和一些示范的樣例代碼。推薦使用Eclipse 和 Android Eclipse 擴展。為了方便說明問題，本文使用一個互聯(lián)網(wǎng)下載的通用型網(wǎng)絡(luò)傳輸手機APP軟件，該軟件可以實現(xiàn)TCP和UDP連接服務(wù)器，自動發(fā)送預(yù)設(shè)定字符串命令到已連接的服務(wù)器，從而可以實現(xiàn)手機遠(yuǎn)程控制新一代天氣雷達機外信號源設(shè)備。如圖5所示，左邊界面為連接新一代天氣雷達機外信號源，右邊為發(fā)送的命令字符串。手機和新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源通過無線WIFI網(wǎng)絡(luò)連接，連接框圖如圖6所示。

圖6 手機APP控制天氣雷達機外信號源連接框圖

6 應(yīng)用實例

6.1 海口新一代天氣雷達速度快速標(biāo)定案例

?？谛乱淮鞖饫走_為全相參多普勒天氣雷達，通過徑向速度測量檢驗，從而檢查雷達系統(tǒng)多普勒處理能力的正確性。如圖7所示，海口新一代天氣雷達系統(tǒng)機外速度定標(biāo)方法為通過機外信號源給雷達接收機灌入一個幅度為-60 dBm，中心頻率為2.73 GHz的微波信號，并改變該信號的頻率偏移來模擬接收到的回波多普勒頻移，具體為先找到速度0點，然后再依次向上增加100 Hz和依次向下減少100 Hz頻率，根據(jù)新一代天氣雷達速度計算公式v=1/2(F)，其中，為雷達波長，F(xiàn)為模擬的多普勒頻偏。然后將新一代天氣雷達系統(tǒng)終端計算機實際測量得到的速度值和理論值相減，所得誤差小于指標(biāo)值1 m/s，即為標(biāo)定合格。圖7中的RDASOT程序為新一代天氣雷達系統(tǒng)終端計算機測量速度的測試軟件，使用的遠(yuǎn)程控制機外信號源程序為圖4所示的Linux操作系統(tǒng)下本文編制的程序。這樣對新一代天氣雷達系統(tǒng)機外速度的標(biāo)定將變得快捷高效，不用人工手動控制機外信號源面板按鍵，而是通過軟件遠(yuǎn)程操作即可完成標(biāo)定工作，標(biāo)定的結(jié)果如表1所示。

圖7 海口新一代天氣雷達速度標(biāo)定連接框圖

6.2 西沙新一代天氣雷達強度快速標(biāo)定案例

西沙新一代天氣雷達系統(tǒng)機外強度定標(biāo)為用機外信號源注入頻率為3.065 GHz ，功率為-90 dBm到-40 dBm的信號，在距離5 km到200 km范圍內(nèi)檢驗其回波強度的測量值，回波強度測量值與注入信號通過雷達方程計算回波強度理論值的最大差值應(yīng)在正負(fù)1 db范圍內(nèi)。圖8為西沙新一代天氣雷達機外強度定標(biāo)系統(tǒng)框圖。由于該型號雷達設(shè)備分布在不同樓層，比如，雷達終端操作電腦在操作控制室，而接收通道前端位于樓上的發(fā)射接收室，因此需要把雷達機外信號源設(shè)備放到樓上發(fā)射接收室的接收柜旁邊從而給接收機灌入指定的測試信號。那么雷達系統(tǒng)回波測量值需要在樓下的操作室的終端電腦讀取，因此必須要兩個業(yè)務(wù)人員通過對講機或電話進行協(xié)調(diào)，才能完成雷達強度定標(biāo)工作。本文提供的新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源遠(yuǎn)程控制方法可以較好地解決這一問題。只要通過網(wǎng)絡(luò)連接不同樓層的新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源和新一代天氣雷達系統(tǒng)終端電腦，就可以使用上述圖3或圖5方式在終端電腦上遠(yuǎn)程控制機外信號源輸入指定的微波測試信號，從而只需要一個業(yè)務(wù)人員就可完成雷達系統(tǒng)強度等標(biāo)定業(yè)務(wù)工作，大大提高了工作效率。表2為實際測量的數(shù)據(jù)與理論值(也叫期望值)比較結(jié)果。

7 結(jié)論

新一代天氣雷達觀測系統(tǒng)組網(wǎng)建設(shè)已趨于完善，為短時臨近天氣預(yù)報、災(zāi)害性天氣監(jiān)測、人工影響天氣等業(yè)務(wù)和科研工作發(fā)揮了不可替代的重要作用，同時，人們對現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)的需求越來越高，這就使得天氣預(yù)報對新一代天氣雷達觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、準(zhǔn)確性和時效性等保障業(yè)務(wù)的要求越來越高。為了更快捷、高效、安全地開展新一代天氣雷達系統(tǒng)定標(biāo)和測試業(yè)務(wù)，本文分別提出了web遠(yuǎn)程控制、telnet遠(yuǎn)程控制、Windows程序控制、Linux程序控制和手機APP控制新一代天氣雷達系統(tǒng)機外信號源設(shè)備遠(yuǎn)程控制技術(shù)和方法，并給出了兩個臺站實際應(yīng)用案例。這些方法可以解決業(yè)務(wù)人員不便于手工直接操作新一代天氣雷達機外信號源設(shè)備控制面板問題，從而使得新一代天氣雷達系統(tǒng)標(biāo)定業(yè)務(wù)快捷高效。新一代天氣雷達機外信號源遠(yuǎn)程控制技術(shù)和方法可以減少雷達系統(tǒng)標(biāo)定業(yè)務(wù)工作勞動量，提高了工作效率，可以為全國其他新一代天氣雷達站提供參考和借鑒。

表1 ?？谛乱淮鞖饫走_速度標(biāo)定結(jié)果(正測速雙PRF(3/2))

圖8 西沙新一代天氣雷達強度標(biāo)定連接框圖

反射率5(km)50(km)100(km)150(km)200(km)實測值(dBZ)39.3559.8966.5170.6373.73期望值(dBZ)39.7360.2766.8971.0174.11差值(dB)0.380.380.380.380.38實測值(dBZ)29.3549.8956.5160.6363.73期望值(dBZ)29.7150.2556.8760.9964.09差值(dB)0.360.360.360.360.36實測值(dBZ)19.3539.8946.5150.6353.73期望值(dBZ)19.7540.2946.9151.0354.13差值(dB)0.400.400.400.400.40實測值(dBZ)9.3529.8936.5140.6343.73期望值(dBZ)9.8230.3536.9741.0944.20差值(dB)0.470.460.460.460.47實測值(dBZ)-0.6519.8926.5130.6333.73期望值(dBZ)-0.7319.8026.4230.5133.66差值(dB)-0.08-0.09-0.09-0.12-0.07實測值(dBZ)-10.659.8916.5120.6323.73期望值(dBZ)-10.779.7916.3220.4423.49差值(dB)-0.12-0.10-0.19-0.19-0.24