L波段雷達模擬實訓(xùn)平臺建設(shè)探索

李戟　夏德奇　劉軍

摘 要：介紹了L波段雷達模擬實訓(xùn)平臺硬件構(gòu)成和軟件組成，該平臺的建設(shè)可以實現(xiàn)在不使用雷達實裝，不釋放探空氣球的條件下對學(xué)員進行仿真訓(xùn)練的目的，提高了設(shè)備的訓(xùn)練效率，豐富了教學(xué)手段和內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：L波段雷達；高空氣象觀測；模擬實訓(xùn)平臺

中圖分類號：P412 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0020-03

Abstract： This paper introduces the hardware structure and software composition of the L-band radar simulation training platform. The construction of the platform can realize the purpose of training the trainees without using radar real equipment and releasing sounding balloons， which improves the training efficiency of the equipment and enriches the teaching methods and contents.

Keywords： L-band radar； upper air meteorological observation； simulation training platform

引言

高空氣象觀測是氣象業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，是天氣預(yù)報、氣候分析、科學(xué)研究和國際交換氣象情報和資料的來源[1]。目前，我國高空氣象觀測使用的是由南京大橋機器有限公司生產(chǎn)的L波段二次測風(fēng)雷達，它與數(shù)字探空儀相配合可獲取地面至30km高空范圍內(nèi)的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、氣壓、濕度等氣象參數(shù)，為氣象臺站提供準確的氣象資料。該雷達由天線裝置、主機箱、計算機、示波器、UPS電源等部分組成。

1 模擬實訓(xùn)平臺建設(shè)的重要性

（1）課程體系建設(shè)的需求。作為承擔全國氣象教育培訓(xùn)的教學(xué)基地，湖南分院以培養(yǎng)能力為核心，逐步形成融合知識、能力、素質(zhì)為一體，基于分層次、多模塊的實訓(xùn)教學(xué)模式。高空氣象觀測實訓(xùn)是高空氣象觀測模塊化課程體系的重要組成部分，它由GTS1系列探空儀和探空儀檢測箱、L波段雷達探測系統(tǒng)、GTC2型L波段探空數(shù)據(jù)接收機、GYR1（ZXG01F）型電子式光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀、制（用）氫安全管理、常見故障維修及處理等幾個層次的教學(xué)內(nèi)容所組成。

（2）綜合能力培養(yǎng)的需求。L波段雷達培訓(xùn)中存在實裝器材損耗大，制氫安全保障難度高，訓(xùn)練環(huán)境電磁干擾導(dǎo)致無法同步進行上機培訓(xùn)，典型故障處理方法無法保證在培訓(xùn)中實際操作，只能使用理論教學(xué)等難點。實訓(xùn)平臺是培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)人才的必要場所[2]，L波段雷達模擬實訓(xùn)平臺的建設(shè)，采用軟硬件結(jié)合的模擬仿真技術(shù)，通過研究溫、壓、濕數(shù)據(jù)與模擬電壓的雙向轉(zhuǎn)換關(guān)系、示波器角度跟蹤亮線與波束參數(shù)間的數(shù)學(xué)模型、探空儀的基測測定仿真等技術(shù)，可以實現(xiàn)在不使用雷達實裝，不釋放探空氣球的條件下對學(xué)員進行仿真訓(xùn)練的目的，相關(guān)模塊的訓(xùn)練可提高學(xué)員的實際動手能力、分析問題和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)員的創(chuàng)新意識[3-6]。

2 L波段雷達模擬實訓(xùn)平臺系統(tǒng)構(gòu)成與特點

（1）系統(tǒng)組成。該平臺采取分布式結(jié)構(gòu)，使用一臺管理計算機運行管理軟件，用于模擬大氣狀態(tài)、雷達跟蹤情況、示波器跟蹤亮線、距離波門顯示等所有L波段雷達運行過程中使用的數(shù)據(jù)，由教員進行操作。多臺訓(xùn)練器同時連接管理計算機獲取仿真數(shù)據(jù)，供學(xué)員完成訓(xùn)練內(nèi)容。訓(xùn)練器由主機柜和終端計算機組成，主機柜外觀與實裝L波段雷達完全一致，終端計算機運行與實裝L波段雷達一致的L波段雷達放球軟件、L波段雷達數(shù)據(jù)處理軟件以及輔助的攝像機模擬軟件，用于實現(xiàn)放球過程中的故障設(shè)置、目標捕獲、數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理操作。系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

（2）與使用實裝雷達進行教學(xué)的區(qū)別和特點。與實裝雷達相比，平臺最大的區(qū)別就是使用一臺管理計算機模擬探空過程中所需的所有數(shù)據(jù)和信號，因此其室外部分（天線裝置）是不需要的，其室內(nèi)部分使用與實裝雷達完全一致的主機柜、示波器等硬件設(shè)備和軟件版本。對學(xué)員而言，其面對的是與實裝雷達完全一致的操作過程和軟件界面，在全程操作與實裝雷達并無區(qū)別，可以達到平臺學(xué)會，實裝即會的教學(xué)效果。對教師而言，因為管理計算機中的數(shù)據(jù)和故障模擬可以定制，能夠?qū)嶋H雷達操作中可能遇到的典型狀況進行模擬和教學(xué)，豐富了教學(xué)手段和內(nèi)容[7]。

使用L波段雷達模擬實訓(xùn)平臺進行教學(xué)的特點是無需制氫、無需充氣，節(jié)約耗材，減小學(xué)員的心理壓力；無需等待天氣，白天晚上隨時教學(xué)，減小環(huán)境限制；自由設(shè)置球炸時間，可極大縮短一次探空過程所需的教學(xué)時間；典型故障的引入，可針對探空過程中存在的問題進行操作教學(xué)；自動考核評分，用于評估教學(xué)效果以及針對弱點因材施教；學(xué)員操作完全自由，其操作帶來的雷達數(shù)據(jù)變化與實裝雷達完全一致。

3 L波段雷達模擬實訓(xùn)平臺硬件組成

L波段雷達模擬平臺硬件由雷達主機柜、管理計算機、終端計算機和探空儀檢測箱組成（見圖2）。為了達到與實物一致的操作培訓(xùn)效果，采用L波段雷達實際主機柜面板的顯示和開關(guān)，包括甲乙主控分機、顯示分機（含示波器）、驅(qū)動分機、天線控制盒，通過設(shè)計終端接口板與管理計算機通信，探空儀檢測箱采用L波段雷達配套探空儀的基測箱，終端計算機安裝L波段雷達配套放球軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)多串口轉(zhuǎn)換器分別與管理計算機進行通訊，完成整個系統(tǒng)狀態(tài)的模擬。

（1）主機柜。主機柜采用雷達實際的主機柜外觀，通過終端接口板，狀態(tài)顯示板和各分機接口板完成信號的模擬，使用RS232串口經(jīng)串口服務(wù)器與管理計算機連接。

（2）終端接口板。終端接口板是模擬訓(xùn)練器的核心硬件，采用CPU+FPGA方式，并根據(jù)L波段雷達的狀態(tài)生成不同的信號。程序方波（上、下、左、右）、角距顯示控制信號、粗掃觸發(fā)脈沖、精掃觸發(fā)脈沖、模擬產(chǎn)生距離回波脈沖、角跟蹤信號電壓、控制盒信號的采集和處理、雷達開關(guān)機開關(guān)量的檢測和雷達狀態(tài)顯示發(fā)光管開關(guān)量的輸出等（見圖3）。

終端板使用RS232串口連接到串口服務(wù)器上，經(jīng)由串口服務(wù)器將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與管理計算機進行通訊，發(fā)送主機柜面板上的按鍵狀態(tài)和控制盒手柄電壓給管理計算機，接收來自管理計算機的各控制信號控制主機柜面板上各燈的顯示和示波器信號的顯示。

（3）主控分機。L波段雷達主控分機分甲、乙兩機（可以相互備用），裝在主控柜的上（甲）、中（乙）部。主要由中放解調(diào)單元、狀態(tài)顯示單元、距離測量單元、終端接口單元、自檢解碼單元、天線控制單元、仰角數(shù)據(jù)單元、方位數(shù)據(jù)單元、主機電源（D1）等組成。主控分機是為了模擬開關(guān)信號和顯示信號，通過設(shè)計主控分機接口板與終端接口板結(jié)合完成面板上顯示信號的模擬。

（4）顯示分機。顯示分機裝在主控柜的中部，由VP5565D雙蹤示波器組成，為了模擬顯示分機的角跟蹤信號4條亮線和距離回波，通過移用L波段雷達的狀態(tài)顯示板，并設(shè)計終端接口產(chǎn)生狀態(tài)顯示板需要的控制信號，輸出顯示分機需要的X軸，Y軸，Z軸信號。

（5）驅(qū)動分機。驅(qū)動分機裝在主控柜的下部，主要由驅(qū)動器、發(fā)射電源、總電源等組成。模擬訓(xùn)練器是為了模擬該分機的開關(guān)信號和發(fā)光管顯示信號，通過設(shè)計驅(qū)動接口板與終端接口板結(jié)合完成各信號的模擬。

（6）天線控制盒。該平臺天線控制盒與實裝L波段雷達的天線控制盒完全一致，在內(nèi)控狀態(tài)下，操作人員通過控制盒手動控制天線轉(zhuǎn)動，終端接口板采集天線控制盒電壓信號傳遞給管理計算機，由管理計算機通過模擬算法達到模擬天線轉(zhuǎn)動的效果。

4 L波段雷達模擬實訓(xùn)平臺軟件組成

L波段雷達模擬實訓(xùn)平臺軟件包括：L波段高空氣象探測雷達模擬訓(xùn)練平臺管理軟件（安裝在管理計算機）、攝像頭模擬軟件（安裝在終端計算機）、成績提交軟件（安裝在終端計算機）、L波段高空氣象探測雷達模擬訓(xùn)練平臺終端板軟件（嵌入式軟件，位于終端接口板）等。該平臺運行過程中需要與L波段雷達配套的放球軟件和數(shù)據(jù)處理軟件配合使用。

（1）模擬攝像頭軟件。模擬攝像頭軟件通過360度全景圖片模擬實際攝像頭視頻圖像，包括探空氣球、探空儀、探空繩及放球背景，圖像畫面隨天線轉(zhuǎn)動變化，當進行放球操作時，探空氣球能在視頻中出現(xiàn)緩緩上升的效果，且探空氣球隨距離的增大逐漸縮小直至消失。

（2）成績提交軟件。當訓(xùn)練考核完畢時，成績提交軟件將訓(xùn)練過程中發(fā)現(xiàn)的硬件故障和數(shù)據(jù)處理結(jié)果提交到管理計算機，管理計算機管理軟件的評分模塊對該次訓(xùn)練過程考核評分。成績提交軟件自動接收學(xué)員信息和教員信息，學(xué)員確認無誤后勾選界面上的故障選擇框，確認訓(xùn)練過程中出現(xiàn)的硬件故障，選擇數(shù)據(jù)處理后的文件，點擊“提交”按鈕，將本次訓(xùn)練情況提交給管理計算機進行考核評分處理。

（3）模擬訓(xùn)練平臺管理軟件。模擬訓(xùn)練平臺管理軟件分為管理員和教員2個功能模塊。管理員模塊包括班級信息、教員信息、考核批次、成績查詢等菜單。主要負責對教員、班級、通信接口和評分標準進行設(shè)置。該平臺采用Access數(shù)據(jù)庫進行關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲和查詢操作，采用文件與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方法對大數(shù)據(jù)文件（例如學(xué)員提交的處理數(shù)據(jù)）進行存儲，以確保軟件運行速度和數(shù)據(jù)庫容量限制均得到滿足。教員模塊包括數(shù)據(jù)處理、班級管理、故障管理、考核評分、賬戶切換、顯示切換和顯示設(shè)置等菜單。當正確輸入教員帳號和密碼后即可進入教員主界面。教員主界面右上方標題欄顯示當前教員姓名和所用故障考核宏名稱，工具欄提供經(jīng)常進行操作的快捷按鍵入口，左方區(qū)域顯示當前選中的雷達狀態(tài)，可雙擊分別顯示雷達示意圖、雷達狀態(tài)圖、操作日志、所用數(shù)據(jù)等圖表，右方區(qū)域分別顯示訓(xùn)練器的操作人員和操作狀態(tài)。

5 結(jié)束語

3年來，湖南分院先后承擔了多期全國氣象部門高空氣象觀測上崗培訓(xùn)、地面高空一體化培訓(xùn)等，通過該平臺的實訓(xùn)，培訓(xùn)了一批具有較強實際操作能力和解決復(fù)雜問題能力的高空氣象觀測業(yè)務(wù)人員。通過培訓(xùn)，學(xué)員全部拿到了上崗資格證書。L波段雷達模擬實訓(xùn)平臺的建設(shè)不僅促進了基層氣象部門業(yè)務(wù)人員的業(yè)務(wù)能力的全面提升，而且有效地推進了湖南分院綜合氣象觀測領(lǐng)域高空氣象觀測特色學(xué)科的建設(shè)[8-11]。

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