天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

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1、第25卷第3期成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)Vol.25No.32010年6月JOURNALOFCHENGDUUNIVERSITYOFINFORMATIONTECHNOLOGYJun.2010文章編號(hào):1671-1742(2010)03-0237-05天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)11112朱毅,何建新,李飛,王中科,靳小兵(1.成都信息工程學(xué)院,四川成都610225;2.四川省防雷中心,四川成都610072)摘要:天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是/全國天氣雷達(dá)終端更新0項(xiàng)目的關(guān)鍵,其目的就是要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波信號(hào)的高速采集與

2、處理、天線控制、實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)、回波強(qiáng)度定標(biāo)等功能。設(shè)計(jì)中,利用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)和QuartusII設(shè)計(jì)軟件,產(chǎn)生各種復(fù)雜的時(shí)序邏輯控制時(shí)鐘,協(xié)調(diào)信號(hào)處理器、天線控制器中各功能電路的工作。實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)達(dá)到了系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo),通過實(shí)際使用證明,系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、界面友好、操作方便、便于升級(jí),完全能夠?qū)崟r(shí)、高效地處理常規(guī)天氣雷達(dá)信號(hào)。關(guān)鍵詞:天氣雷達(dá);數(shù)據(jù)處理系統(tǒng);信號(hào)處理器;天線控制器中圖分類號(hào):TN959.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言天氣雷達(dá)在氣象短臨預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)等方面發(fā)揮了不可低

3、估的作用。目前,全國布設(shè)完成了158部多普勒天氣雷達(dá),與此同時(shí),仍有一大批常規(guī)天氣雷達(dá)和數(shù)字化天氣雷達(dá)還在使用。數(shù)字化雷達(dá)的改造和多普勒雷達(dá)的建設(shè),在我國氣象業(yè)務(wù)和科研中發(fā)揮了重要作用。由于多種原因,我國業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)終端的型號(hào)繁多,且在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上存在很大差異,信號(hào)處理方法,數(shù)據(jù)格式規(guī)定,產(chǎn)品種類和生成方法,以及資料存儲(chǔ)格式和方法都不相同,有的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理出現(xiàn)錯(cuò)誤,觀測(cè)數(shù)據(jù)失真,給正常業(yè)務(wù)觀測(cè),組網(wǎng)拼圖、數(shù)據(jù)共享以及重大科學(xué)試驗(yàn)帶來困難和[1]損失。另一方面,超大規(guī)模集成電路以其卓越的性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì),在現(xiàn)

4、代電子產(chǎn)品的研制生產(chǎn)中被廣泛采用。為此,中國氣象局實(shí)施了/全國天氣雷達(dá)終端更新0項(xiàng)目,對(duì)數(shù)字化天氣雷達(dá)進(jìn)行更新改造,以確保能正確地處理觀測(cè)數(shù)據(jù),統(tǒng)一雷達(dá)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)格式,滿足全國天氣雷達(dá)組網(wǎng)拼圖、數(shù)據(jù)交換、資料共享的需求。/天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)0是更新項(xiàng)目的一個(gè)重要組成部分,主要完成雷達(dá)回波的采集與處理、天線控制、實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)、回波強(qiáng)度定標(biāo)等功能,為雷達(dá)數(shù)據(jù)的后續(xù)處理,生成實(shí)用的預(yù)報(bào)產(chǎn)品提供支持。天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包含信號(hào)處理器、天線控制器、系統(tǒng)處理軟件等部分。2方案選擇與系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)2.1方案選擇系統(tǒng)

5、擔(dān)負(fù)著雷達(dá)回波的實(shí)時(shí)采集和顯示,雷達(dá)參數(shù)和回波數(shù)據(jù)的標(biāo)定以及天線運(yùn)行狀態(tài)的控制等工作,其穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行將直接影響整個(gè)項(xiàng)目的成敗。經(jīng)過充分的分析、調(diào)研和比較,決定采用如下技術(shù)方案:(1)為提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、易維護(hù)性以及設(shè)備的小型化,在系統(tǒng)的信號(hào)處理器和天線控制器的設(shè)計(jì)[2,3]中使用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。(2)信號(hào)處理器和天線控制器作為兩個(gè)獨(dú)立的功能設(shè)備分別設(shè)計(jì),分開放置。信號(hào)處理器以插卡的形式插入微機(jī)的擴(kuò)展槽中;天線控制器作為一個(gè)單獨(dú)的機(jī)箱,置于微機(jī)之外。(3)信號(hào)處理器和天線控制器之

6、間的數(shù)據(jù)交換采用串行方式,使用帶屏蔽雙絞線,遵循RS-422標(biāo)準(zhǔn)。(4)為保證雷達(dá)本身和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)安全正常地工作,需要在雷達(dá)開機(jī),系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的自檢測(cè)。自檢通過,才能進(jìn)行雷達(dá)觀測(cè)作業(yè)。除此之外,天線控制器和信號(hào)處理器作為獨(dú)立功能設(shè)備,也能夠分別進(jìn)行自檢和單獨(dú)調(diào)試、檢查。(5)系統(tǒng)處理軟件運(yùn)行于Windows環(huán)境,要求操作界面友好,使用方便。收稿日期:2009-12-04;修訂日期:2010-03-01238成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)第25卷2.2系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)(1)高速A/D轉(zhuǎn)換(10MHz轉(zhuǎn)換

7、速度),12bit。(2)距離積分采用可變庫長(zhǎng),分別為125m,250m,500m,1000m。(3)方位積分次數(shù)不為固定值,積分次數(shù)隨天線轉(zhuǎn)速不同而變化。采用滑動(dòng)積分方式。[4-6](4)獨(dú)立積分次數(shù)32次,積分精度[1dB。(5)水平掃描1b輸出一組觀測(cè)值,垂直掃描0.1b輸出一組觀測(cè)值。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分。3.1硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)從硬件上分為信號(hào)處理器和天線控制器兩大模塊,原理框圖如圖1所示。信號(hào)處理器使用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD),保證在完成各種設(shè)計(jì)功能的前提下,

8、使處理板小型化(18cm@11cm)。完成的主要功能包括:A/D變換;距離積分和方位積分處理;向天線控制器發(fā)出天線控制命令;接收天線控制器傳來的天線狀態(tài)數(shù)據(jù);產(chǎn)生控制邏輯與時(shí)鐘信號(hào)等。天線控制器中,采用89C51單片機(jī)、CPLD等圖1系統(tǒng)原理框圖器件,實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的控制。所有硬件(含電源)被集成于小機(jī)箱內(nèi),可置于雷達(dá)主控臺(tái)上方。主要功能包括:接收來自計(jì)算機(jī)的命令,對(duì)天線的位置、速度和運(yùn)動(dòng)模式實(shí)施控制;輸出天線狀態(tài)數(shù)據(jù)至主控微機(jī),