天氣雷達(dá)天線無線電子水平校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安克武，高 原，王 龍，張春雷，賈木辛

(新疆氣象技術(shù)裝備保障中心，烏魯木齊830011)

0 引言

新一代天氣雷達(dá)水平校準(zhǔn)一直是由人工操作來完成，由于天氣雷達(dá)天線單元安裝在天線罩中，且天線轉(zhuǎn)臺(tái)支撐柱較高，人工操作完成天線水平校準(zhǔn)存在兩個(gè)問題：一是天線單元外面有一個(gè)天線罩，天線罩里面燈光昏暗，使用合相水平儀進(jìn)行人工讀數(shù)存在視覺差異，且讀數(shù)時(shí)間較長，需要人工記錄水平儀讀數(shù)，通過人工轉(zhuǎn)換計(jì)算才能得出當(dāng)前水平位置的水平讀數(shù)，工作效率很低；二是天線轉(zhuǎn)臺(tái)支撐柱較高，人員攀爬在轉(zhuǎn)臺(tái)頂部，讀取天線水平讀數(shù)時(shí)人員天線轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，存在極大的人身安全隱患。為了解決天線校準(zhǔn)讀數(shù)誤差大和人員安全隱患兩個(gè)問題，文章提出了雷達(dá)天線無線電子水平校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)思路和方案，并從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成調(diào)試3個(gè)方面，詳細(xì)介紹了裝置的基本工作原理。將該裝置與人工合相水平儀校準(zhǔn)天線水平進(jìn)行對(duì)比，從數(shù)據(jù)誤差和人員操作安全性及方便性等方面進(jìn)行比對(duì)分析。該裝置已研制成功并投入了實(shí)際應(yīng)用，切實(shí)提高了雷達(dá)天線水平校準(zhǔn)的精確度和工作效率，消除了人工操作的安全隱患。

1 裝置設(shè)計(jì)思路

2002-2014年，新疆C波段新一代天氣雷達(dá)天線水平檢查校準(zhǔn)都是由人工使用合相水平儀進(jìn)行校準(zhǔn)。由于天線轉(zhuǎn)臺(tái)距離地面高度較高，平均高度約6 m，個(gè)別臺(tái)站高度達(dá)8 m，攀爬到天線轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行天線水平校準(zhǔn)，不僅存在人員安全隱患，且人工讀取水平儀數(shù)據(jù)誤差較大。針對(duì)實(shí)際工作情況文章提出了雷達(dá)天線無線電子水平儀裝置[1-3]的設(shè)計(jì)思路：

1)設(shè)計(jì)一個(gè)直流電源電池供電的電子水平儀，將電子水平儀放置在天線轉(zhuǎn)臺(tái)上替代合相水平儀，避免人工操作合相水平儀繁瑣以及讀數(shù)誤差問題。

2)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)無線發(fā)送裝置，將電子水平儀當(dāng)前顯示的雷達(dá)天線水平數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送出來。數(shù)據(jù)發(fā)送裝置安裝在電子水平儀的串口，與電子水平儀共用直流電源電池，數(shù)據(jù)無線傳輸有效距離可達(dá)50 m。

3)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)無線接收裝置，接收雷達(dá)天線水平轉(zhuǎn)臺(tái)上數(shù)據(jù)無線發(fā)送裝置發(fā)送的天線水平儀的測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)無線接收裝置安裝在筆記本電腦(或臺(tái)式電腦)的USB口上。

4)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)處理軟件，軟件具備接收無線接收裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)在計(jì)算機(jī)終端上顯示，且能自動(dòng)處理雷達(dá)天線4個(gè)方位的水平差值，即0°～180°、45°～225°、90°～270°、135°～315°水平線的水平誤差值。

2 裝置設(shè)計(jì)原理

由裝置的設(shè)計(jì)思路可以確定，該裝置設(shè)計(jì)單元分4個(gè)部分：雷達(dá)水平數(shù)據(jù)的獲取、發(fā)送、接收和處理。裝置組成框圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)電子水平儀校準(zhǔn)裝置組成

2.1 電子水平儀設(shè)計(jì)技術(shù)

電子水平儀是一種小角度測量儀器，廣義上，它可以測量導(dǎo)軌的直線度和平板的平面度，也可以測量平板的水平。該測試裝置的傳感器采用差動(dòng)電容式傳感器，分度值可達(dá)0.001 mm/m，由一定質(zhì)量的圓盤掛在電極的彈片上，圓盤與電極之間形成一個(gè)差動(dòng)電容，片簧圓盤就成為差動(dòng)電容傳感器的動(dòng)極片[4，5]。

2.1.1 差動(dòng)電容傳感器測角原理

設(shè)計(jì)采用傾角傳感器為專門設(shè)計(jì)定制的差動(dòng)電容傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩個(gè)平行固定極板與水平儀底座、測量平面固定在一起，動(dòng)極板由懸絲懸掛，當(dāng)被測平面有一定傾斜時(shí)，由于重力作用，動(dòng)極板始終保持豎直狀態(tài)，與一個(gè)固定板極的極距減小，而與另一個(gè)板極極距增大，形成差動(dòng)輸出，由于所測傾角變化很小，可以認(rèn)為動(dòng)板極與固定板極之間始終平行。

圖2 差動(dòng)電容式傳感器結(jié)構(gòu)

1)電容傳感器工作原理

電容式傳感器的電容量可以表示為：

(1)

式中，C為電容容量；ε為介電常數(shù)；S為極板面積；d為板極間距。將介電常數(shù)和極板面積作為輸入量，傳感器的傳遞關(guān)系式為線性，板極間距與電容的變化是非線性關(guān)系。

當(dāng)板極間隙d減小Δd，電容C將增加ΔC，電容增加值為：

(2)

(3)

(4)

2)差動(dòng)電容傳感器特性方程

由圖2可知，當(dāng)水平儀的傾角發(fā)生變化時(shí)，意味著移動(dòng)板極和固定板極之間的間距發(fā)生變化，傳感器板極間隙d減小Δd，電容器C1的間隙變?yōu)閐1=d-Δd，增加電容的特性方程：

(5)

電容器C2的間隙變?yōu)閐2=d+Δd，減少電容特性方程：

(6)

假定ΔC=ΔC1=ΔC2，則差動(dòng)電容傳感器的特性方程：

(7)

由式(7)可知，水平儀傾角位移的變化Δd與電容相對(duì)變化ΔC/C是非線性關(guān)系。

2.1.2 微電容信號(hào)檢測技術(shù)

由于電子水平儀的測量精度達(dá)到0.001 mm/m，傳感電容的變化量僅有幾皮法或幾十皮法(電容單位pF)，而工作環(huán)境干擾、導(dǎo)線布設(shè)、溫度等因素對(duì)寄生電容的影響比傳感器電容要大很多，為了把微小的可用電容信號(hào)提取出來，本裝置采用了高分辨力的信號(hào)處理電路，電路組成框圖如圖3所示。其中電橋轉(zhuǎn)換為電容和電阻構(gòu)成的橋式電路，可以將圖2中左邊的固定板極與移動(dòng)板極定義為電容C1，右邊的固定板極與移動(dòng)板極定義為電容C2。當(dāng)雷達(dá)天線水平發(fā)生變化時(shí)，電容C1和C2有變化，電橋不平衡從而輸出電壓，經(jīng)過放大采樣輸出到微處理器，再經(jīng)過溫度和非線性補(bǔ)償?shù)玫疆?dāng)前的電子水平儀的水平值。

圖3 差動(dòng)電容式傳感器電路組成

2.1.3 非線性處理、溫度補(bǔ)償技術(shù)

2.1.3.1 非線性處理

差動(dòng)電容式傳感器輸出的信號(hào)并非完全與極距(動(dòng)板極與固定板極之間變化的間距)變化成線性關(guān)系。由式(7)和圖3中電橋的差動(dòng)電容相對(duì)變化ΔC/C轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)Uo1可以得知，水平儀傾角位移的變化Δd與電容相對(duì)變化ΔC/C是非線性關(guān)系，表明水平儀傾角位移的變化Δd與電橋電壓信號(hào)Uo1也呈非線性關(guān)系。為了使輸入量與輸出量之間呈線性關(guān)系，必須采取線性處理措施。為降低成本，提高可靠性，本裝置采用軟件方法進(jìn)行線性化矯正，常用的軟件矯正方法有矯正函數(shù)法、查表法、二次拋物線法和線性插值法。文章采用線性插值法，將非線性曲線a=f(u)(a表示傾角；u表示經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的兩個(gè)采樣電壓的比值)按準(zhǔn)確度要求分成n段，用n段折線代替曲線，分段基點(diǎn)為ai、ui，在標(biāo)定過程中，將各個(gè)分段基點(diǎn)先存為表格，供插值計(jì)算時(shí)使用。需要注意的是a=f(u)曲線(可由標(biāo)定裝置試驗(yàn)得出)劃分時(shí)并非均勻劃分，而是根據(jù)準(zhǔn)確度要求進(jìn)行劃分，在矯正曲線曲率較大的地方段數(shù)劃分相對(duì)較密。理論上來說，劃分的段數(shù)越多，得到的結(jié)果就越精確，但計(jì)算所需時(shí)間就越長，即儀器穩(wěn)定時(shí)間越長，因此n的數(shù)值要選擇恰當(dāng)。

2.1.3.2 溫度補(bǔ)償處理

由于差動(dòng)電容式傳感器輸出零點(diǎn)與靈敏度都是環(huán)境溫度的函數(shù)，因此均隨溫度變化而變化。為了減小溫度對(duì)該裝置的影響，裝置采用溫度補(bǔ)償辦法降低溫度的變化對(duì)裝置測量數(shù)據(jù)的影響。文章選用線性溫度傳感器REF02作為測溫元件對(duì)儀器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，同時(shí)利用查表的方法進(jìn)行軟件補(bǔ)償。

1)差動(dòng)電容輸出電壓Uo1(電橋輸出)與Uo2(激勵(lì)電壓)之間的關(guān)系：

(8)

式中，R為電橋電阻；d為電容器兩級(jí)間間距；Δd為電容C1和C2之間移動(dòng)極板的距離變化量；ω為激勵(lì)源角頻率；ε為電介質(zhì)常數(shù)；S為電容器極板面積；Uo1為電橋不平衡電壓輸出；Uo2為激勵(lì)源電壓。

令d+jωRεS=K，則jωRεS=K-d，則式(8)變?yōu)椋?/p>

(9)

因?yàn)镵2?Δd2，所以式(9)可簡化為：

(10)

式中，s為測試裝置的靈敏度。

2)溫度硬件和軟件補(bǔ)償處理

式(9)是在沒有考慮環(huán)境溫度的變化情況得出的，在實(shí)際的電子水平儀系統(tǒng)中，檢測系統(tǒng)的輸出零點(diǎn)及靈敏度都是環(huán)境溫度的函數(shù)，都隨著溫度T的變化而變化；因此上式應(yīng)修正為：

(11)

式中，S(t)為電橋的靈敏度；U0(t)為電橋的輸出零點(diǎn)。裝置儀器的輸入量與輸出量的關(guān)系可表示為：

γ=K2(S(t)Δd+U0(t))

(12)

式中，γ為裝置儀器最終輸出量；K2為傳感器后續(xù)放大電路的放大倍數(shù)，與量程有關(guān)。

由式(11)可以看出，影響靈敏度的因素主要有：激勵(lì)源電壓幅值、激勵(lì)源電壓頻率和電介質(zhì)常數(shù)等。在軟件方面采用查表的方式對(duì)水平儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償，即將A/D轉(zhuǎn)換后的測量數(shù)據(jù)做適當(dāng)?shù)淖儞Q后與靈敏度溫度系數(shù)與零點(diǎn)偏置溫度系數(shù)矢量表的地址建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此建立電橋靈敏度溫度系數(shù)及零點(diǎn)偏置溫度系數(shù)的矢量表是關(guān)鍵的步驟，該矢量表需要小角度水平儀通過標(biāo)定測試求出靈敏度溫度系數(shù)及零點(diǎn)偏置溫度系數(shù)，且存放在固化芯片中隨時(shí)轉(zhuǎn)換調(diào)運(yùn)。

2.1.4 數(shù)據(jù)顯示輸出

差動(dòng)電容傳感器動(dòng)板極與固定板極之間變化的間距數(shù)據(jù)，通過微小電容電路檢測處理，再經(jīng)過非線性處理和溫度補(bǔ)償處理，分成兩路輸出，一路輸送至液晶顯示面板直接顯示當(dāng)前的水平變化值，另一路轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)通過串行口或者USB輸送至無線數(shù)據(jù)發(fā)射器，進(jìn)行無線發(fā)送。

2.2 數(shù)據(jù)無線發(fā)送和無線接收裝置設(shè)計(jì)技術(shù)

目前無線通信技術(shù)發(fā)展很快，具有集成化、低功耗和易操作等特點(diǎn)。本裝置采用微功率短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)完成了電子水平儀水平數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。數(shù)據(jù)無線通信收發(fā)裝置主要由單片射頻收發(fā)芯片、微控制器、電源模塊和串口轉(zhuǎn)USB模塊等組成。天線接收靈敏度為-110 dBm，發(fā)射功率為-30～1 dBm，結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)無線通信收發(fā)裝置組成

2.3 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)技術(shù)

通過軟件設(shè)計(jì)，將無線接收裝置接收到的數(shù)據(jù)處理后顯示在計(jì)算機(jī)終端上，同時(shí)以文本文件的格式存儲(chǔ)在本地計(jì)算機(jī)文件夾。自動(dòng)處理雷達(dá)天線4個(gè)方位方向水平差值，即0°～180°、45°～225°、90°～270°、135°～315°水平線的水平誤差值，當(dāng)誤差值超過規(guī)定誤差值時(shí)自動(dòng)彈出提示信息，提示保障人員需要進(jìn)行雷達(dá)天線水平校準(zhǔn)，同時(shí)將誤差值顯示在終端并保存為相應(yīng)的文件。軟件其他功能包括串口參數(shù)的設(shè)置、雷達(dá)站點(diǎn)參數(shù)的設(shè)置等。

2.4 系統(tǒng)測試及調(diào)試

1)將電子水平儀開啟后，放置在雷達(dá)天線支撐柱天線轉(zhuǎn)臺(tái)平面上；2)在雷達(dá)主機(jī)室開啟筆記本電腦，并在電腦的USB口插入數(shù)據(jù)接收模塊；3)啟動(dòng)天線水平校準(zhǔn)軟件，設(shè)置串行口，設(shè)置完成后天線水平儀校準(zhǔn)裝置的水平數(shù)據(jù)將自動(dòng)顯示在終端屏幕上；4)將雷達(dá)天線仰角設(shè)置為0°并保持不變；5)將雷達(dá)方位分別設(shè)置為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，同時(shí)在每個(gè)方位角讀取雷達(dá)天線水平值；6)分別比較0°～180°、45°～225°、90°～270°、135°～315°水平線的水平誤差值，如果水平誤差值在合理范圍內(nèi)說明雷達(dá)天線水平保持良好，不需要校準(zhǔn)，否則根據(jù)水平誤差值調(diào)整雷達(dá)天線支撐柱與水泥預(yù)制件相固定的螺絲，直到雷達(dá)天線水平誤差值在合理范圍內(nèi)為止。

3 實(shí)際應(yīng)用比對(duì)分析

2015—2020年，新疆13部天氣雷達(dá)的水平校準(zhǔn)全部采用該校準(zhǔn)裝置。在實(shí)際應(yīng)用中，分別從數(shù)據(jù)測量精度、人員操作安全性和方便性以及工作效率3個(gè)方面進(jìn)行比對(duì)分析(表1)。

由表1數(shù)據(jù)可以得出，電子水平校準(zhǔn)裝置與合相水平儀相比，具有測量精度高、人員操作簡單、無人員安全隱患、效率高和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等明顯特點(diǎn)。

表1 合相水平儀與電子水平儀校準(zhǔn)裝置功能比對(duì)

4 結(jié)束語

雷達(dá)天線無線電子水平校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)，不僅需要電容傳感器、電容電橋電路和信號(hào)放大處理等硬件電子技術(shù)，還需要解決差動(dòng)電容傳感器電容相對(duì)變化輸入與電橋輸出電壓非線性關(guān)系問題；為了提高測量精度，需要解決工作環(huán)境溫度對(duì)該裝置的靈敏度和系統(tǒng)輸出零點(diǎn)數(shù)據(jù)的影響等技術(shù)難題。另外，還需要無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫及編程技術(shù)。在設(shè)計(jì)此裝置時(shí)應(yīng)注意以下方面：

1)在設(shè)計(jì)電容檢測電路時(shí)，為了防止激勵(lì)源輸出失真電壓波形以及減少干擾信號(hào)對(duì)差動(dòng)電容傳感器輸出信號(hào)的干擾，采用精密高質(zhì)量的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器，保證輸出的電壓波形不因環(huán)境溫度的改變而發(fā)生變化，并且電壓信號(hào)采樣同步工作；

2)在進(jìn)行溫度補(bǔ)償處理，建立電橋靈敏度溫度系數(shù)及零點(diǎn)偏置溫度系數(shù)的矢量表的過程中，特殊點(diǎn)不能選取太多，否則將影響裝置的穩(wěn)定時(shí)間，但也不能選取太少，否則將降低裝置準(zhǔn)確性，應(yīng)合理選擇。

雷達(dá)天線電子水平校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)原理簡單，替代了合相水平儀人工操作讀數(shù)的雷達(dá)天線水平標(biāo)定模式，提升了雷達(dá)標(biāo)定自動(dòng)化水平、工作效率和測量精度，最大程度保證了工作人員人身安全。2014年在新疆15部天氣雷達(dá)(含兵團(tuán))保障維護(hù)進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用，2015-2019年在全國31個(gè)省市氣象系統(tǒng)進(jìn)行推廣應(yīng)用，用戶普遍反映使用效果很好。