一種可搬移式X波段天氣雷達(dá)控制維護(hù)軟件設(shè)計(jì)

四創(chuàng)電子股份有限公司 左海琴 屈凱峰 郝立勇

本文介紹了公司開發(fā)的一種可搬移式X波段多普勒天氣雷達(dá)的功能用途，控制維護(hù)軟件是系統(tǒng)直接面向用戶的窗口，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)雷達(dá)估值數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集并處理、顯示、存儲(chǔ)以及控制維護(hù)。在運(yùn)用現(xiàn)有雷達(dá)終端技術(shù)的基礎(chǔ)上，給出了控制維護(hù)軟件系統(tǒng)的基本組成和工作流程，對(duì)快速掃描顯示、基數(shù)據(jù)保存、日志模塊等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述，并采用多線程和多進(jìn)程的處理方式，提高了軟件的穩(wěn)定性和負(fù)載能力。目前，該雷達(dá)已投入到實(shí)際使用中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、具有很強(qiáng)的操作性和普適性。

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司開發(fā)的一款可搬移式X波段多普勒天氣雷達(dá)是一種高機(jī)動(dòng)、可搬移式裝備，在使用時(shí)，可由多人背負(fù)的方式快速移動(dòng)至指定陣地，該雷達(dá)本身具備北斗自動(dòng)定位、授時(shí)和尋北裝置，通過市電或電池供電，可在30min內(nèi)完成設(shè)備組裝。監(jiān)測(cè)陣地周邊的強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生及演變情況，獲取探測(cè)目標(biāo)微觀結(jié)構(gòu)信息，生成天氣保障應(yīng)用產(chǎn)品，為有效監(jiān)測(cè)預(yù)警危險(xiǎn)性天氣提供手段，能夠帶來更多、更全面的分析資料，大力提高氣象的保障能力，可廣泛應(yīng)與于人工影響天氣、重大活動(dòng)氣象保障、氣象預(yù)報(bào)預(yù)警及航空保障等。

控制維護(hù)軟件運(yùn)行在半加固便攜式計(jì)算機(jī)中，是雷達(dá)系統(tǒng)組成的重要部分之一，是該天氣雷達(dá)直接面向用戶的窗口。本文針對(duì)可搬移式雷達(dá)控制維護(hù)軟件進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，論述了系統(tǒng)組成及特點(diǎn)，并對(duì)某些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了說明，并給出了設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖1 可搬移雷達(dá)系統(tǒng)示意圖

1 控制維護(hù)軟件介紹

1.1 雷達(dá)系統(tǒng)組成

可搬移式X波段雷達(dá)系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。該雷達(dá)以一定的掃描方式向空中發(fā)射電磁波，并接收氣象目標(biāo)反射的回波信息，經(jīng)過相關(guān)處理最終輸出強(qiáng)度Z、速度、譜寬，該數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議給控制維護(hù)軟件，由控制維護(hù)軟件完成估值參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)回波顯示，雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)控、雷達(dá)實(shí)時(shí)控制維護(hù)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

1.2 控制維護(hù)軟件系統(tǒng)架構(gòu)

從可搬移式雷達(dá)使用特點(diǎn)及用戶需求出發(fā)，本軟件設(shè)計(jì)基于以下幾點(diǎn)考慮：（1）軟件需要在便攜式筆記本單機(jī)運(yùn)行，且要適應(yīng)計(jì)算機(jī)配置不高的情況，需考慮人機(jī)交互便捷、資源消耗低、單個(gè)界面能夠?qū)崿F(xiàn)所有信息。（2）雷達(dá)基數(shù)據(jù)保存穩(wěn)定、支持壓縮保存，適應(yīng)后續(xù)傳輸要求。（3）應(yīng)保存雷達(dá)控制操作記錄，便于了解雷達(dá)的運(yùn)行過程，發(fā)生故障時(shí)輔助操作員對(duì)故障點(diǎn)的判斷；記錄雷達(dá)故障狀態(tài)信息，便于操作員定位故障點(diǎn)。對(duì)歷史故障信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，基于分析結(jié)果可以對(duì)雷達(dá)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)雷達(dá)故障的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)防。

基于以上幾點(diǎn)的考慮，本文設(shè)計(jì)的控制維護(hù)軟件平臺(tái)基于Windows系統(tǒng)，開發(fā)工具為VS2010，使用C++語言編程。在軟件設(shè)計(jì)上為滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)多任務(wù)的要求，保證對(duì)雷達(dá)各分系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制、雷達(dá)狀態(tài)回饋監(jiān)視、回波數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取，實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)等，采用多線程和多進(jìn)程的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。整個(gè)軟件除了主線程以后，還創(chuàng)建了雷達(dá)控制線程、估值數(shù)據(jù)接收線程、狀態(tài)數(shù)據(jù)接收線程、實(shí)時(shí)掃描顯示以及日志進(jìn)程、基數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)程等。程序?qū)崿F(xiàn)中各線程之間采用的同步運(yùn)用到互斥鎖、信號(hào)量機(jī)制、以及事件對(duì)象機(jī)制。多線程和多進(jìn)程的應(yīng)用提高了軟件的并行性及高效、快速、安全的數(shù)據(jù)處理能力。

（1）雷達(dá)控制線程：實(shí)現(xiàn)對(duì)各分系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，參數(shù)設(shè)置。

（2）估值數(shù)據(jù)接收線程：采集雷達(dá)實(shí)時(shí)估值數(shù)據(jù)、解析并處理、完成實(shí)時(shí)回波顯示。

（3）狀態(tài)數(shù)據(jù)接收線程：采集雷達(dá)各分系統(tǒng)的狀態(tài)回饋信息，處理并顯示及故障告警。

（4）基數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)程：完成回波數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及實(shí)現(xiàn)壓縮保存。

（5）日志進(jìn)程：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)日志的記錄及存儲(chǔ)，支持顯示、查詢等操作。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 快速掃描實(shí)時(shí)顯示

可搬移式雷達(dá)采用的是方位向機(jī)械掃描、俯仰向電掃體制，除了具有天氣雷達(dá)常用的平掃，高掃，體掃等掃描方式外，還具備方位和仰角同時(shí)掃描的快速掃描模式。因此，控制維護(hù)軟件還要具備方位和仰角同時(shí)變化的實(shí)時(shí)顯示。由于可搬移式終端設(shè)備是一臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)，只有一個(gè)顯示屏幕，因此設(shè)計(jì)時(shí)通過軟件界面菜單（菜單下拉選擇層號(hào)）來切換顯示相應(yīng)的仰角層上的四要素（信噪比、強(qiáng)度、速度、譜寬），實(shí)時(shí)刷新顯示對(duì)應(yīng)仰角層的PPI畫面。本軟件采用雙緩沖繪圖機(jī)制，保證了圖像無閃爍顯示，完成快速掃描分層顯示。

圖2 軟件程序流程圖

圖3 數(shù)據(jù)保存實(shí)現(xiàn)流程圖

設(shè)計(jì)思路：

（1）根據(jù)當(dāng)前的快速掃描模式和當(dāng)前徑向數(shù)據(jù)的仰角值，獲取徑向數(shù)據(jù)的仰角層波位號(hào)索引，記錄到徑向數(shù)據(jù)頭中。

（2）按照波位號(hào)索引，將當(dāng)前估值數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)仰角層的徑向數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)用戶當(dāng)前選擇的顯示層數(shù)，檢索程序內(nèi)存中對(duì)應(yīng)該層的徑向數(shù)據(jù)，并繪制該層的PPI畫面。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

由于氣象雷達(dá)回波數(shù)據(jù)量大，且對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取速度要求較高，因此本軟件采用單獨(dú)進(jìn)程完成雷達(dá)基數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)壓縮保存。較之以往的直接在主程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方法，本方法具有不耗費(fèi)主程序資源、功能穩(wěn)定、節(jié)約數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，便于后續(xù)傳輸?shù)让黠@優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

2.3 日志模塊

在以往的天氣雷達(dá)終端軟件中，日志存儲(chǔ)與讀取顯示在主程序中實(shí)現(xiàn)，這造成主程序系統(tǒng)開銷大，尤其是某軟件化天氣雷達(dá)一天的日志記錄數(shù)目高達(dá)十幾萬條，如果仍采用以前的設(shè)計(jì)方案，會(huì)占用大量的內(nèi)存，尤其當(dāng)終端軟件正在進(jìn)行回波實(shí)時(shí)掃描顯示時(shí)，很明顯的看到掃描線可能出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象，影響用戶視覺體驗(yàn)感，無法滿足實(shí)時(shí)顯示畫面的穩(wěn)定性和連續(xù)性需求。本文設(shè)計(jì)的日志模塊采用單獨(dú)進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)，主程序通過調(diào)用的方式來減少程序開銷，提高軟件運(yùn)行效率，并采用虛擬列表的方式提高日志記錄顯示效率。日志數(shù)據(jù)庫(kù)采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖4為日志軟件的運(yùn)行界面，日志類別分為故障、操作、狀態(tài)、標(biāo)定四種類型，具有顯示、檢索、刷新、導(dǎo)出日志等功能。

圖4 日志界面

結(jié)束語：本文提出了可搬移式雷達(dá)控制維護(hù)軟件的架構(gòu)組成和工作原理，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)描述。系統(tǒng)已經(jīng)在氣象預(yù)報(bào)、氣象保障、協(xié)同觀測(cè)試驗(yàn)等相關(guān)領(lǐng)域得到應(yīng)用，軟件系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、簡(jiǎn)單易操作、探測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確、運(yùn)行效率高，可以有效地解決現(xiàn)有天氣雷達(dá)終端軟件存在的共性問題，具有很強(qiáng)的可操作性。