强对流天气下雷达异常监测回波报警系统设计

2021-05-20杨正玮邹万峰

现代电子技术 2021年10期

杨正玮，邹万峰

（南京大学大气科学学院，江苏南京 210023）

0 引言

雷达异常监测回波报警系统是为了便于气象观测人员及时发现并处理雷达出现的故障而设计的系统。为了客观、真实、准确地反映实际气象状况，需要构建全国性的雷达分布网络[1]。通过雷达异常监测回波报警系统即可实现雷达的实时监测，解决机房与工作平台距离较远以及人工方式效率低下、过程繁琐等问题[2]。美国早在20 世纪90 年代就开始研究雷达监测报警系统并构建了系统的测试开发环境。在研究过程中，有学者提出基于物联网的雷达异常监测回波报警系统[3]。国内对于雷达异常监测回波报警系统的研究起步较晚，主要针对软件方向进行研发，有学者提出基于Unix 操作系统的雷达异常监测回波报警系统。

利用以上系统进行雷达异常监测回波报警时，在极端天气状况下无法进行回波处理，在雷达平均径向速度为3.6～5.5 m/s 的范围内存在报警延时较长的问题，因此本文设计一种强对流天气下雷达异常监测回波报警系统。

1 设计系统

1.1 硬件设计

强对流天气下雷达异常监测回波报警系统的硬件由控制模块、显示模块、处理器模块、回波处理模块、回波报警模块和雷达异常监测模块[4]构成。

1.1.1 控制模块

控制模块由1 个时钟电路、1 个复位电路以及1 个控制芯片即单片机芯片构成[5]。其中，单片机芯片选用的型号为C61F187，其是一种集成芯片，还能够实施程序加密[6]。模块中的复位电路和时钟电路是并联状态，具体如图1 所示。

图1 模块中的复位电路和时钟电路

1.1.2 显示模块

显示模块的作用是向工作人员显示雷达异常监测故障，主要由点阵式显示屏构成，该显示屏自带中文库与自建震荡源，并且自带多种串行端口与并行端口，各端口的具体功能如表1 所示[7]。对该点阵式显示屏进行操作主要就是对DB7～DB0，E，WR，RS 这几个端口进行操作，通过改变几个端口的对应高低电平来实现写命令、写数据等操作[8]。

1.1.3 处理器模块

MSP034F941处理器是一种电平逻辑为3.3 V的16位微处理器，其供电电源为3.3 V，芯片内部自带60 KB 储存空间，不需要通过外围电路对程序储存空间进行扩展。MSP034F941 中集成了多种外围模块，模块图具体如图2 所示。图2 中集成的外围模块包括2 路通信USART 端口、6 个并行8 位I/O 口、2 路A1 与A0，16 位定时器、2 路数模12 位转化器、8 路模数12 位转换器、看门狗定时器、乘法器。

表1 点阵式显示屏各端口的具体功能

1.1.4 回波处理模块

回波处理模块由换能器单元与回波处理单元构成，其中，换能器单元负责在回波接收阶段打开所有光隔断，并对雷达异常监测回波信号进行转化，变换为电脉冲信号，通过回波处理单元对电脉冲信号进行处理。换能器单元由换能器与驱动电路构成，其中换能器采用防水收发一体型换能器，而驱动电路采用核心为高速光耦的换能器专用驱动电路，高速光耦能够实现回波微弱信号与换能器脉冲的切换。驱动电路能够发射共12 种雷达监测的脉冲，完成脉冲发射后，换能器将进入回波接收与余震阶段[9]。其中，驱动电路谐振频率具体计算公式如下：

式中f代表驱动电路谐振频率。

回波处理单元包括峰值UID 检测电路、反向放大运算电路，其中，反向放大运算电路共三路，包括U1A，U1B，U1C。通过回波处理单元能够对雷达异常监测回波信号中的杂波与干扰信号进行滤除，并放大雷达异常监测回波脉冲，再将其转化成单脉冲输出，使MSP034F941 能够进行A/D 采集。

1.1.5 回波报警模块

回波报警模块由显示液晶屏、声光报警单元构成。选用型号为LCD46821 的显示液晶屏，其内置中文字库，能够显示图案与文字，对比清晰，显示面积较大，能够在强光与黑暗环境下实现清晰显示。

图2 MSP034F941 中集成的多种外围模块

LCD46821 主要通过液晶点阵列的组合实现图案与文字的显示，其液晶点阵列的个数为128×64 个，工作的具体温度范围为-20～70 ℃。LCD46821驱动电压为5 V，并内置点阵汉字共9182 个，点阵汉字的大小为16×16；内置ASC 字符共128 个，其类型为8×16 点阵；内置点阵显示RAM，其大小为256×24。该显示液晶屏能够达到73 mm×79 mm 的视域尺寸，呈现蓝色背光、白色字体。

LCD46821 主要通过并行方式与处理器相连，连接中共涉及到18 个连接端口，其序号分别为1，2，3，4，5，6，7～14，15，17，19，20，其中，1 端口符号为VSS，端口功能为电源地对应输入端；2 端口符号为VDD，端口功能为电源正极对应输入端；3 端口符号为V0，端口功能为调整对比度端；4 端口符号为RS，端口功能为指令为数据选择端；5 端口符号为R/W，端口功能为控制读/写端；6 端口符号为EN，端口功能为使能信号端；7～14 端口符号为DB0～DB7，端口功能为数据并行口；15 端口符号为PSB，端口功能为串/并选择端；17 端口符号为REST，端口功能为选择复位端；19 端口符号为LED+，端口功能为电源背光正极；20 端口符号为LED-，端口功能为电源背光负极。

声光报警单元由声光报警元件与微处理器构成，其中，声光报警元件由LED 高亮发光二极管与有源5 V 蜂鸣器构成，而微处理器负责通过I/O 口进行发光报警与声音的控制。当声光报警单元处于普通状态时，微处理器的1 号I/O 口对高电平进行输出；2 号I/O 口对低电平进行输出，LED 高亮发光二极管不发亮且有源5 V 蜂鸣器不出声；当系统检测到强对流天气下雷达异常监测中的异常信号，则微处理器的1 号I/O 口对低电平进行输出；与此同时，微处理器的2 号I/O 口对检测回波进行输出，其中，检测回波的具体输出频率是1～20 Hz，经过NPN 三极管做出放大处理后，控制有源5 V 蜂鸣器发出故障间断性报警音且LED 高亮发光二极管进行间断性发光。故障越难处理则报警音越急促，发光越亮。

1.1.6 雷达异常监测模块

雷达异常监测模块不仅能够实现正常天气下的雷达异常监测功能，还能实现强对流天气下的雷达异常监测，主要通过传感器实现雷达异常监测功能。选用型号为US7090 的雷达专用异常监测传感器，该传感器能够实现极端天气状况下的雷达异常监测，具备很强的监测能力[10]。

US7090 雷达专用异常监测传感器的具体数据如下[11⁃12]：类别为收发一体型传感检测器；标称频率为（50.0±2）kHz；声压为108 dB/min；监测范围为30 m2；余震时间最大可达1 ms；静电电容为3.0×（1±25%）nF；监测灵敏度为-95 dB/min；输入标称电压为DC 5.5～6.5 V；方向角为70°±25°；分辨率为15 cm；工作温度为-30～75 ℃；通信接口为TTL RS 232。

1.2 设计软件

强对流天气下雷达异常监测回波报警系统的软件配置为数据处理模块。数据处理模块的主要功能是对雷达异常监测数据进行处理，具体功能包括GIS 显示和雷达回波数据处理。具体数据处理流程如下：通过File.net System 组件对雷达异常监测数据原始文件进行读取，并利用Lambert 投影变换将雷达异常监测数据原始文件繁衍成为JPG 图像。通过GIS 地图配准软件对JPG 图像的配准文件进行生成处理。最后对配准文件实施矢量底图叠加，实现雷达回波数据的处理及其GIS 显示[13⁃14]。

2 实验验证

2.1 实验设计

为了验证本文设计的强对流天气下雷达异常监测回波报警系统的性能，对其进行实验验证。在实验中，利用强对流天气下雷达异常监测回波报警系统对实验天气雷达进行异常监测回波报警。实验天气雷达子系统的构成与功能具体如表2 所示。

表2 实验天气雷达子系统的构成与功能

实验天气雷达具有广泛的应用领域，包括灾害性天气预报预警与检测。此外，还能够大范围估测定量降水，获取降水云体与降水的风场结构。对实验天气雷达进行雷达异常监测回波报警实验。在实验过程中，获取雷达平均径向速度为3.6～5.5 m/s 范围内的系统报警延时数据作为实验数据。为了避免实验结果较为单一，将原有的两种系统作为对比，包括基于物联网、基于Unix操作系统的雷达异常监测回波报警系统。同样利用这两种系统进行实验天气雷达的雷达异常监测回波报警实验，在实验过程中，获取雷达平均径向速度为3.6～5.5 m/s 范围内的系统报警延时数据作为对比实验数据。