強(qiáng)對(duì)流天氣下雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊正瑋，鄒萬峰

（南京大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引言

雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)是為了便于氣象觀測(cè)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理雷達(dá)出現(xiàn)的故障而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。為了客觀、真實(shí)、準(zhǔn)確地反映實(shí)際氣象狀況，需要構(gòu)建全國(guó)性的雷達(dá)分布網(wǎng)絡(luò)[1]。通過雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，解決機(jī)房與工作平臺(tái)距離較遠(yuǎn)以及人工方式效率低下、過程繁瑣等問題[2]。美國(guó)早在20 世紀(jì)90 年代就開始研究雷達(dá)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)并構(gòu)建了系統(tǒng)的測(cè)試開發(fā)環(huán)境。在研究過程中，有學(xué)者提出基于物聯(lián)網(wǎng)的雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)于雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)的研究起步較晚，主要針對(duì)軟件方向進(jìn)行研發(fā)，有學(xué)者提出基于Unix 操作系統(tǒng)的雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)。

利用以上系統(tǒng)進(jìn)行雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警時(shí)，在極端天氣狀況下無法進(jìn)行回波處理，在雷達(dá)平均徑向速度為3.6～5.5 m/s 的范圍內(nèi)存在報(bào)警延時(shí)較長(zhǎng)的問題，因此本文設(shè)計(jì)一種強(qiáng)對(duì)流天氣下雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

強(qiáng)對(duì)流天氣下雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)的硬件由控制模塊、顯示模塊、處理器模塊、回波處理模塊、回波報(bào)警模塊和雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)模塊[4]構(gòu)成。

1.1.1 控制模塊

控制模塊由1 個(gè)時(shí)鐘電路、1 個(gè)復(fù)位電路以及1 個(gè)控制芯片即單片機(jī)芯片構(gòu)成[5]。其中，單片機(jī)芯片選用的型號(hào)為C61F187，其是一種集成芯片，還能夠?qū)嵤┏绦蚣用躘6]。模塊中的復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是并聯(lián)狀態(tài)，具體如圖1 所示。

圖1 模塊中的復(fù)位電路和時(shí)鐘電路

1.1.2 顯示模塊

顯示模塊的作用是向工作人員顯示雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)故障，主要由點(diǎn)陣式顯示屏構(gòu)成，該顯示屏自帶中文庫(kù)與自建震蕩源，并且自帶多種串行端口與并行端口，各端口的具體功能如表1 所示[7]。對(duì)該點(diǎn)陣式顯示屏進(jìn)行操作主要就是對(duì)DB7～DB0，E，WR，RS 這幾個(gè)端口進(jìn)行操作，通過改變幾個(gè)端口的對(duì)應(yīng)高低電平來實(shí)現(xiàn)寫命令、寫數(shù)據(jù)等操作[8]。

1.1.3 處理器模塊

MSP034F941處理器是一種電平邏輯為3.3 V的16位微處理器，其供電電源為3.3 V，芯片內(nèi)部自帶60 KB 儲(chǔ)存空間，不需要通過外圍電路對(duì)程序儲(chǔ)存空間進(jìn)行擴(kuò)展。MSP034F941 中集成了多種外圍模塊，模塊圖具體如圖2 所示。圖2 中集成的外圍模塊包括2 路通信USART 端口、6 個(gè)并行8 位I/O 口、2 路A1 與A0，16 位定時(shí)器、2 路數(shù)模12 位轉(zhuǎn)化器、8 路模數(shù)12 位轉(zhuǎn)換器、看門狗定時(shí)器、乘法器。

表1 點(diǎn)陣式顯示屏各端口的具體功能

1.1.4 回波處理模塊

回波處理模塊由換能器單元與回波處理單元構(gòu)成，其中，換能器單元負(fù)責(zé)在回波接收階段打開所有光隔斷，并對(duì)雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，變換為電脈沖信號(hào)，通過回波處理單元對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行處理。換能器單元由換能器與驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，其中換能器采用防水收發(fā)一體型換能器，而驅(qū)動(dòng)電路采用核心為高速光耦的換能器專用驅(qū)動(dòng)電路，高速光耦能夠?qū)崿F(xiàn)回波微弱信號(hào)與換能器脈沖的切換。驅(qū)動(dòng)電路能夠發(fā)射共12 種雷達(dá)監(jiān)測(cè)的脈沖，完成脈沖發(fā)射后，換能器將進(jìn)入回波接收與余震階段[9]。其中，驅(qū)動(dòng)電路諧振頻率具體計(jì)算公式如下：

式中f代表驅(qū)動(dòng)電路諧振頻率。

回波處理單元包括峰值UID 檢測(cè)電路、反向放大運(yùn)算電路，其中，反向放大運(yùn)算電路共三路，包括U1A，U1B，U1C。通過回波處理單元能夠?qū)走_(dá)異常監(jiān)測(cè)回波信號(hào)中的雜波與干擾信號(hào)進(jìn)行濾除，并放大雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波脈沖，再將其轉(zhuǎn)化成單脈沖輸出，使MSP034F941 能夠進(jìn)行A/D 采集。

1.1.5 回波報(bào)警模塊

回波報(bào)警模塊由顯示液晶屏、聲光報(bào)警單元構(gòu)成。選用型號(hào)為L(zhǎng)CD46821 的顯示液晶屏，其內(nèi)置中文字庫(kù)，能夠顯示圖案與文字，對(duì)比清晰，顯示面積較大，能夠在強(qiáng)光與黑暗環(huán)境下實(shí)現(xiàn)清晰顯示。

圖2 MSP034F941 中集成的多種外圍模塊

LCD46821 主要通過液晶點(diǎn)陣列的組合實(shí)現(xiàn)圖案與文字的顯示，其液晶點(diǎn)陣列的個(gè)數(shù)為128×64 個(gè)，工作的具體溫度范圍為-20～70 ℃。LCD46821驅(qū)動(dòng)電壓為5 V，并內(nèi)置點(diǎn)陣漢字共9182 個(gè)，點(diǎn)陣漢字的大小為16×16；內(nèi)置ASC 字符共128 個(gè)，其類型為8×16 點(diǎn)陣；內(nèi)置點(diǎn)陣顯示RAM，其大小為256×24。該顯示液晶屏能夠達(dá)到73 mm×79 mm 的視域尺寸，呈現(xiàn)藍(lán)色背光、白色字體。

LCD46821 主要通過并行方式與處理器相連，連接中共涉及到18 個(gè)連接端口，其序號(hào)分別為1，2，3，4，5，6，7～14，15，17，19，20，其中，1 端口符號(hào)為VSS，端口功能為電源地對(duì)應(yīng)輸入端；2 端口符號(hào)為VDD，端口功能為電源正極對(duì)應(yīng)輸入端；3 端口符號(hào)為V0，端口功能為調(diào)整對(duì)比度端；4 端口符號(hào)為RS，端口功能為指令為數(shù)據(jù)選擇端；5 端口符號(hào)為R/W，端口功能為控制讀/寫端；6 端口符號(hào)為EN，端口功能為使能信號(hào)端；7～14 端口符號(hào)為DB0～DB7，端口功能為數(shù)據(jù)并行口；15 端口符號(hào)為PSB，端口功能為串/并選擇端；17 端口符號(hào)為REST，端口功能為選擇復(fù)位端；19 端口符號(hào)為L(zhǎng)ED+，端口功能為電源背光正極；20 端口符號(hào)為L(zhǎng)ED-，端口功能為電源背光負(fù)極。

聲光報(bào)警單元由聲光報(bào)警元件與微處理器構(gòu)成，其中，聲光報(bào)警元件由LED 高亮發(fā)光二極管與有源5 V 蜂鳴器構(gòu)成，而微處理器負(fù)責(zé)通過I/O 口進(jìn)行發(fā)光報(bào)警與聲音的控制。當(dāng)聲光報(bào)警單元處于普通狀態(tài)時(shí)，微處理器的1 號(hào)I/O 口對(duì)高電平進(jìn)行輸出；2 號(hào)I/O 口對(duì)低電平進(jìn)行輸出，LED 高亮發(fā)光二極管不發(fā)亮且有源5 V 蜂鳴器不出聲；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到強(qiáng)對(duì)流天氣下雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)中的異常信號(hào)，則微處理器的1 號(hào)I/O 口對(duì)低電平進(jìn)行輸出；與此同時(shí)，微處理器的2 號(hào)I/O 口對(duì)檢測(cè)回波進(jìn)行輸出，其中，檢測(cè)回波的具體輸出頻率是1～20 Hz，經(jīng)過NPN 三極管做出放大處理后，控制有源5 V 蜂鳴器發(fā)出故障間斷性報(bào)警音且LED 高亮發(fā)光二極管進(jìn)行間斷性發(fā)光。故障越難處理則報(bào)警音越急促，發(fā)光越亮。

1.1.6 雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)模塊

雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)模塊不僅能夠?qū)崿F(xiàn)正常天氣下的雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)功能，還能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣下的雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)，主要通過傳感器實(shí)現(xiàn)雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)功能。選用型號(hào)為US7090 的雷達(dá)專用異常監(jiān)測(cè)傳感器，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)極端天氣狀況下的雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)，具備很強(qiáng)的監(jiān)測(cè)能力[10]。

US7090 雷達(dá)專用異常監(jiān)測(cè)傳感器的具體數(shù)據(jù)如下[11?12]：類別為收發(fā)一體型傳感檢測(cè)器；標(biāo)稱頻率為（50.0±2）kHz；聲壓為108 dB/min；監(jiān)測(cè)范圍為30 m2；余震時(shí)間最大可達(dá)1 ms；靜電電容為3.0×（1±25%）nF；監(jiān)測(cè)靈敏度為-95 dB/min；輸入標(biāo)稱電壓為DC 5.5～6.5 V；方向角為70°±25°；分辨率 為15 cm；工作溫度 為-30～75 ℃；通信接口為TTL RS 232。

1.2 設(shè)計(jì)軟件

強(qiáng)對(duì)流天氣下雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)的軟件配置為數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能是對(duì)雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體功能包括GIS 顯示和雷達(dá)回波數(shù)據(jù)處理。具體數(shù)據(jù)處理流程如下：通過File.net System 組件對(duì)雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)原始文件進(jìn)行讀取，并利用Lambert 投影變換將雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)原始文件繁衍成為JPG 圖像。通過GIS 地圖配準(zhǔn)軟件對(duì)JPG 圖像的配準(zhǔn)文件進(jìn)行生成處理。最后對(duì)配準(zhǔn)文件實(shí)施矢量底圖疊加，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的處理及其GIS 顯示[13?14]。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的強(qiáng)對(duì)流天氣下雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)的性能，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中，利用強(qiáng)對(duì)流天氣下雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)天氣雷達(dá)進(jìn)行異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警。實(shí)驗(yàn)天氣雷達(dá)子系統(tǒng)的構(gòu)成與功能具體如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)天氣雷達(dá)子系統(tǒng)的構(gòu)成與功能

實(shí)驗(yàn)天氣雷達(dá)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)預(yù)警與檢測(cè)。此外，還能夠大范圍估測(cè)定量降水，獲取降水云體與降水的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。對(duì)實(shí)驗(yàn)天氣雷達(dá)進(jìn)行雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，獲取雷達(dá)平均徑向速度為3.6～5.5 m/s 范圍內(nèi)的系統(tǒng)報(bào)警延時(shí)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為單一，將原有的兩種系統(tǒng)作為對(duì)比，包括基于物聯(lián)網(wǎng)、基于Unix操作系統(tǒng)的雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)。同樣利用這兩種系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)天氣雷達(dá)的雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中，獲取雷達(dá)平均徑向速度為3.6～5.5 m/s 范圍內(nèi)的系統(tǒng)報(bào)警延時(shí)數(shù)據(jù)作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 結(jié)果分析

在雷達(dá)平均徑向速度為3.6～4.5 m/s 范圍內(nèi)，強(qiáng)對(duì)流天氣下雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)與基于物聯(lián)網(wǎng)、基于Unix 操作系統(tǒng)的雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)的系統(tǒng)報(bào)警延時(shí)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

由表3 的系統(tǒng)報(bào)警延時(shí)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在雷達(dá)平均徑向速度為3.6～4.5 m/s 范圍內(nèi)，強(qiáng)對(duì)流天氣下雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)的系統(tǒng)報(bào)警延時(shí)小于基于物聯(lián)網(wǎng)、基于Unix 操作系統(tǒng)的雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)。

表3 系統(tǒng)報(bào)警延時(shí)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在雷達(dá)平均徑向速度為4.6～5.5 m/s 范圍內(nèi)，強(qiáng)對(duì)流天氣下雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)與基于物聯(lián)網(wǎng)、基于Unix 操作系統(tǒng)的雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)的系統(tǒng)報(bào)警延時(shí)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 系統(tǒng)報(bào)警延時(shí)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4 的系統(tǒng)報(bào)警延時(shí)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在雷達(dá)平均徑向速度為4.6～5.5 m/s 范圍內(nèi)，強(qiáng)對(duì)流天氣下雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)的系統(tǒng)報(bào)警延時(shí)小于基于物聯(lián)網(wǎng)、基于Unix 操作系統(tǒng)的雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的強(qiáng)對(duì)流天氣下雷達(dá)異常監(jiān)測(cè)回波報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)報(bào)警延時(shí)的縮短，對(duì)于天氣雷達(dá)的故障檢測(cè)具有很大意義。