天氣雷達天線無線電子水平校準(zhǔn)裝置的設(shè)計與實現(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

新一代天氣雷達水平校準(zhǔn)一直是由人工操作來完成，由于天氣雷達天線單元安裝在天線罩中，且天線轉(zhuǎn)臺支撐柱較高，人工操作完成天線水平校準(zhǔn)存在兩個問題：一是天線單元外面有一個天線罩，天線罩里面燈光昏暗，使用合相水平儀進行人工讀數(shù)存在視覺差異，且讀數(shù)時間較長，需要人工記錄水平儀讀數(shù)，通過人工轉(zhuǎn)換計算才能得出當(dāng)前水平位置的水平讀數(shù)，工作效率很低；二是天線轉(zhuǎn)臺支撐柱較高，人員攀爬在轉(zhuǎn)臺頂部，讀取天線水平讀數(shù)時人員天線轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動，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問題，文章提出了雷達天線無線電子水平校準(zhǔn)裝置的設(shè)計思路和方案，并從系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和系統(tǒng)集成調(diào)試3個方面，詳細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)天線水平進行對比，從數(shù)據(jù)誤差和人員操作安全性及方便性等方面進行比對分析。該裝置已研制成功并投入了實際應(yīng)用，切實提高了雷達天線水平校準(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)計思路

2002-2014年，新疆C波段新一代天氣雷達天線水平檢查校準(zhǔn)都是由人工使用合相水平儀進行校準(zhǔn)。由于天線轉(zhuǎn)臺距離地面高度較高，平均高度約6 m，個別臺站高度達8 m，攀爬到天線轉(zhuǎn)臺進行天線水平校準(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。針對實際工作情況文章提出了雷達天線無線電子水平儀裝置[1-3]的設(shè)計思路：

1)設(shè)計一個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)計一個數(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50 m。

3)設(shè)計一個數(shù)據(jù)無線接收裝置，接收雷達天線水平轉(zhuǎn)臺上數(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(或臺式電腦)的USB口上。

4)設(shè)計一個數(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)，并實時在計算機終端上顯示，且能自動處理雷達天線4個方位的水平差值，即0°～180°、45°～225°、90°～270°、135°～315°水平線的水平誤差值。

2 裝置設(shè)計原理

由裝置的設(shè)計思路可以確定，該裝置設(shè)計單元分4個部分：雷達水平數(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 雷達電子水平儀校準(zhǔn)裝置組成

2.1 電子水平儀設(shè)計技術(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電容式傳感器，分度值可達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差動電容，片簧圓盤就成為差動電容傳感器的動極片[4，5]。

2.1.1 差動電容傳感器測角原理

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

圖2 差動電容式傳感器結(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，意味著移動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與電容相對變化ΔC/C是非線性關(guān)系。

2.1.2 微電容信號檢測技術(shù)

由于電子水平儀的測量精度達到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提取出來，本裝置采用了高分辨力的信號處理電路，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板極定義為電容C1，右邊的固定板極與移動板極定義為電容C2。當(dāng)雷達天線水平發(fā)生變化時，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)過溫度和非線性補償?shù)玫疆?dāng)前的電子水平儀的水平值。

圖3 差動電容式傳感器電路組成

2.1.3 非線性處理、溫度補償技術(shù)

2.1.3.1 非線性處理

差動電容式傳感器輸出的信號并非完全與極距(動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中電橋的差動電容相對變化ΔC/C轉(zhuǎn)化為電壓信號Uo1可以得知，水平儀傾角位移的變化Δd與電容相對變化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，分段基點為ai、ui，在標(biāo)定過程中，將各個分段基點先存為表格，供插值計算時使用。需要注意的是a=f(u)曲線(可由標(biāo)定裝置試驗得出)劃分時并非均勻劃分，而是根據(jù)準(zhǔn)確度要求進行劃分，在矯正曲線曲率較大的地方段數(shù)劃分相對較密。理論上來說，劃分的段數(shù)越多，得到的結(jié)果就越精確，但計算所需時間就越長，即儀器穩(wěn)定時間越長，因此n的數(shù)值要選擇恰當(dāng)。

2.1.3.2 溫度補償處理

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

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

(8)

式中，R為電橋電阻；d為電容器兩級間間距；Δd為電容C1和C2之間移動極板的距離變化量；ω為激勵源角頻率；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為激勵源電壓。

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

(9)

因為K2?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，在實際的電子水平儀系統(tǒng)中，檢測系統(tǒng)的輸出零點及靈敏度都是環(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。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：激勵源電壓幅值、激勵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水平儀進行溫度補償，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)與零點偏置溫度系數(shù)矢量表的地址建立一一對應(yīng)的關(guān)系。因此建立電橋靈敏度溫度系數(shù)及零點偏置溫度系數(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)及零點偏置溫度系數(shù)，且存放在固化芯片中隨時轉(zhuǎn)換調(diào)運。

2.1.4 數(shù)據(jù)顯示輸出

差動電容傳感器動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。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)計技術(shù)

通過軟件設(shè)計，將無線接收裝置接收到的數(shù)據(jù)處理后顯示在計算機終端上，同時以文本文件的格式存儲在本地計算機文件夾。自動處理雷達天線4個方位方向水平差值，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)定誤差值時自動彈出提示信息，提示保障人員需要進行雷達天線水平校準(zhǔn)，同時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、雷達站點參數(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，放置在雷達天線支撐柱天線轉(zhuǎn)臺平面上；2)在雷達主機室開啟筆記本電腦，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)將自動顯示在終端屏幕上；4)將雷達天線仰角設(shè)置為0°并保持不變；5)將雷達方位分別設(shè)置為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，同時在每個方位角讀取雷達天線水平值；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)整雷達天線支撐柱與水泥預(yù)制件相固定的螺絲，直到雷達天線水平誤差值在合理范圍內(nèi)為止。

3 實際應(yīng)用比對分析

2015—2020年，新疆13部天氣雷達的水平校準(zhǔn)全部采用該校準(zhǔn)裝置。在實際應(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個方面進行比對分析(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。

表1 合相水平儀與電子水平儀校準(zhǔn)裝置功能比對

4 結(jié)束語

雷達天線無線電子水平校準(zhǔn)裝置的設(shè)計，不僅需要電容傳感器、電容電橋電路和信號放大處理等硬件電子技術(shù)，還需要解決差動電容傳感器電容相對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)境溫度對該裝置的靈敏度和系統(tǒng)輸出零點數(shù)據(jù)的影響等技術(shù)難題。另外，還需要無線通信技術(shù)和計算機數(shù)據(jù)庫及編程技術(shù)。在設(shè)計此裝置時應(yīng)注意以下方面：

1)在設(shè)計電容檢測電路時，為了防止激勵源輸出失真電壓波形以及減少干擾信號對差動電容傳感器輸出信號的干擾，采用精密高質(zhì)量的激勵信號發(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，并且電壓信號采樣同步工作；

2)在進行溫度補償處理，建立電橋靈敏度溫度系數(shù)及零點偏置溫度系數(shù)的矢量表的過程中，特殊點不能選取太多，否則將影響裝置的穩(wěn)定時間，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。

雷達天線電子水平校準(zhǔn)裝置設(shè)計原理簡單，替代了合相水平儀人工操作讀數(shù)的雷達天線水平標(biāo)定模式，提升了雷達標(biāo)定自動化水平、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(含兵團)保障維護進行業(yè)務(wù)應(yīng)用，2015-2019年在全國31個省市氣象系統(tǒng)進行推廣應(yīng)用，用戶普遍反映使用效果很好。