L波段雷达模拟实训平台建设探索

李戟　夏德奇　刘军

摘 要：介绍了L波段雷达模拟实训平台硬件构成和软件组成，该平台的建设可以实现在不使用雷达实装，不释放探空气球的条件下对学员进行仿真训练的目的，提高了设备的训练效率，丰富了教学手段和内容。

关键词：L波段雷达；高空气象观测；模拟实训平台

中图分类号：P412 文献标志码：A 文章编号：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

高空气象观测是气象业务的基础，是天气预报、气候分析、科学研究和国际交换气象情报和资料的来源[1]。目前，我国高空气象观测使用的是由南京大橋机器有限公司生产的L波段二次测风雷达，它与数字探空仪相配合可获取地面至30km高空范围内的风向、风速、温度、气压、湿度等气象参数，为气象台站提供准确的气象资料。该雷达由天线装置、主机箱、计算机、示波器、UPS电源等部分组成。

1 模拟实训平台建设的重要性

（1）课程体系建设的需求。作为承担全国气象教育培训的教学基地，湖南分院以培养能力为核心，逐步形成融合知识、能力、素质为一体，基于分层次、多模块的实训教学模式。高空气象观测实训是高空气象观测模块化课程体系的重要组成部分，它由GTS1系列探空仪和探空仪检测箱、L波段雷达探测系统、GTC2型L波段探空数据接收机、GYR1（ZXG01F）型电子式光学测风经纬仪、制（用）氢安全管理、常见故障维修及处理等几个层次的教学内容所组成。

（2）综合能力培养的需求。L波段雷达培训中存在实装器材损耗大，制氢安全保障难度高，训练环境电磁干扰导致无法同步进行上机培训，典型故障处理方法无法保证在培训中实际操作，只能使用理论教学等难点。实训平台是培养高素质技术人才的必要场所[2]，L波段雷达模拟实训平台的建设，采用软硬件结合的模拟仿真技术，通过研究温、压、湿数据与模拟电压的双向转换关系、示波器角度跟踪亮线与波束参数间的数学模型、探空仪的基测测定仿真等技术，可以实现在不使用雷达实装，不释放探空气球的条件下对学员进行仿真训练的目的，相关模块的训练可提高学员的实际动手能力、分析问题和解决问题的能力，激发学员的创新意识[3-6]。

2 L波段雷达模拟实训平台系统构成与特点

（1）系统组成。该平台采取分布式结构，使用一台管理计算机运行管理软件，用于模拟大气状态、雷达跟踪情况、示波器跟踪亮线、距离波门显示等所有L波段雷达运行过程中使用的数据，由教员进行操作。多台训练器同时连接管理计算机获取仿真数据，供学员完成训练内容。训练器由主机柜和终端计算机组成，主机柜外观与实装L波段雷达完全一致，终端计算机运行与实装L波段雷达一致的L波段雷达放球软件、L波段雷达数据处理软件以及辅助的摄像机模拟软件，用于实现放球过程中的故障设置、目标捕获、数据获取和数据处理操作。系统构成见图1。

（2）与使用实装雷达进行教学的区别和特点。与实装雷达相比，平台最大的区别就是使用一台管理计算机模拟探空过程中所需的所有数据和信号，因此其室外部分（天线装置）是不需要的，其室内部分使用与实装雷达完全一致的主机柜、示波器等硬件设备和软件版本。对学员而言，其面对的是与实装雷达完全一致的操作过程和软件界面，在全程操作与实装雷达并无区别，可以达到平台学会，实装即会的教学效果。对教师而言，因为管理计算机中的数据和故障模拟可以定制，能够将实际雷达操作中可能遇到的典型状况进行模拟和教学，丰富了教学手段和内容[7]。

使用L波段雷达模拟实训平台进行教学的特点是无需制氢、无需充气，节约耗材，减小学员的心理压力；无需等待天气，白天晚上随时教学，减小环境限制；自由设置球炸时间，可极大缩短一次探空过程所需的教学时间；典型故障的引入，可针对探空过程中存在的问题进行操作教学；自动考核评分，用于评估教学效果以及针对弱点因材施教；学员操作完全自由，其操作带来的雷达数据变化与实装雷达完全一致。

3 L波段雷达模拟实训平台硬件组成

L波段雷达模拟平台硬件由雷达主机柜、管理计算机、终端计算机和探空仪检测箱组成（见图2）。为了达到与实物一致的操作培训效果，采用L波段雷达实际主机柜面板的显示和开关，包括甲乙主控分机、显示分机（含示波器）、驱动分机、天线控制盒，通过设计终端接口板与管理计算机通信，探空仪检测箱采用L波段雷达配套探空仪的基测箱，终端计算机安装L波段雷达配套放球软件和数据处理软件，通过网络转多串口转换器分别与管理计算机进行通讯，完成整个系统状态的模拟。

（1）主机柜。主机柜采用雷达实际的主机柜外观，通过终端接口板，状态显示板和各分机接口板完成信号的模拟，使用RS232串口经串口服务器与管理计算机连接。

（2）终端接口板。终端接口板是模拟训练器的核心硬件，采用CPU+FPGA方式，并根据L波段雷达的状态生成不同的信号。程序方波（上、下、左、右）、角距显示控制信号、粗扫触发脉冲、精扫触发脉冲、模拟产生距离回波脉冲、角跟踪信号电压、控制盒信号的采集和处理、雷达开关机开关量的检测和雷达状态显示发光管开关量的输出等（见图3）。

终端板使用RS232串口连接到串口服务器上，经由串口服务器将串口数据转换为网络数据与管理计算机进行通讯，发送主机柜面板上的按键状态和控制盒手柄电压给管理计算机，接收来自管理计算机的各控制信号控制主机柜面板上各灯的显示和示波器信号的显示。

（3）主控分机。L波段雷达主控分机分甲、乙两机（可以相互备用），装在主控柜的上（甲）、中（乙）部。主要由中放解调单元、状态显示单元、距离测量单元、终端接口单元、自检解码单元、天線控制单元、仰角数据单元、方位数据单元、主机电源（D1）等组成。主控分机是为了模拟开关信号和显示信号，通过设计主控分机接口板与终端接口板结合完成面板上显示信号的模拟。

（4）显示分机。显示分机装在主控柜的中部，由VP5565D双踪示波器组成，为了模拟显示分机的角跟踪信号4条亮线和距离回波，通过移用L波段雷达的状态显示板，并设计终端接口产生状态显示板需要的控制信号，输出显示分机需要的X轴，Y轴，Z轴信号。

（5）驱动分机。驱动分机装在主控柜的下部，主要由驱动器、发射电源、总电源等组成。模拟训练器是为了模拟该分机的开关信号和发光管显示信号，通过设计驱动接口板与终端接口板结合完成各信号的模拟。

（6）天线控制盒。该平台天线控制盒与实装L波段雷达的天线控制盒完全一致，在内控状态下，操作人员通过控制盒手动控制天线转动，终端接口板采集天线控制盒电压信号传递给管理计算机，由管理计算机通过模拟算法达到模拟天线转动的效果。

4 L波段雷达模拟实训平台软件组成

L波段雷达模拟实训平台软件包括：L波段高空气象探测雷达模拟训练平台管理软件（安装在管理计算机）、摄像头模拟软件（安装在终端计算机）、成绩提交软件（安装在终端计算机）、L波段高空气象探测雷达模拟训练平台终端板软件（嵌入式软件，位于终端接口板）等。该平台运行过程中需要与L波段雷达配套的放球软件和数据处理软件配合使用。

（1）模拟摄像头软件。模拟摄像头软件通过360度全景图片模拟实际摄像头视频图像，包括探空气球、探空仪、探空绳及放球背景，图像画面随天线转动变化，当进行放球操作时，探空气球能在视频中出现缓缓上升的效果，且探空气球随距离的增大逐渐缩小直至消失。

（2）成绩提交软件。当训练考核完毕时，成绩提交软件将训练过程中发现的硬件故障和数据处理结果提交到管理计算机，管理计算机管理软件的评分模块对该次训练过程考核评分。成绩提交软件自动接收学员信息和教员信息，学员确认无误后勾选界面上的故障选择框，确认训练过程中出现的硬件故障，选择数据处理后的文件，点击“提交”按钮，将本次训练情况提交给管理计算机进行考核评分处理。

（3）模拟训练平台管理软件。模拟训练平台管理软件分为管理员和教员2个功能模块。管理员模块包括班级信息、教员信息、考核批次、成绩查询等菜单。主要负责对教员、班级、通信接口和评分标准进行设置。该平台采用Access数据库进行关键数据的存储和查询操作，采用文件与数据库相结合的方法对大数据文件（例如学员提交的处理数据）进行存储，以确保软件运行速度和数据库容量限制均得到满足。教员模块包括数据处理、班级管理、故障管理、考核评分、账户切换、显示切换和显示设置等菜单。当正确输入教员帐号和密码后即可进入教员主界面。教员主界面右上方标题栏显示当前教员姓名和所用故障考核宏名称，工具栏提供经常进行操作的快捷按键入口，左方区域显示当前选中的雷达状态，可双击分别显示雷达示意图、雷达状态图、操作日志、所用数据等图表，右方区域分别显示训练器的操作人员和操作状态。

5 结束语

3年来，湖南分院先后承担了多期全国气象部门高空气象观测上岗培训、地面高空一体化培训等，通过该平台的实训，培训了一批具有较强实际操作能力和解决复杂问题能力的高空气象观测业务人员。通过培训，学员全部拿到了上岗资格证书。L波段雷达模拟实训平台的建设不仅促进了基层气象部门业务人员的业务能力的全面提升，而且有效地推进了湖南分院综合气象观测领域高空气象观测特色学科的建设[8-11]。

参考文献：

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