400M數(shù)字式電子探空儀接收硬件課件

400M數(shù)字式電子探空儀接收硬件第一節(jié)基本工作原理

一、組成：由400M數(shù)字式電子探空儀、雷達(dá)數(shù)據(jù)解調(diào)板、數(shù)據(jù)處理器。二、工作原理：TPU傳感器將氣象要素物理量變換成電脈沖量，然后輸至數(shù)字采集板變換成數(shù)字信號輸至無線電應(yīng)答器，經(jīng)載波調(diào)制后，將探測數(shù)字化數(shù)據(jù)信息發(fā)送到地面站。為保證氣象要素測量與采集變換使探空與測風(fēng)嚴(yán)格同步，傳感器和采集板分別輸出要素選擇脈沖、周期復(fù)位脈沖、時分控制信號，控制采集板以及無線電應(yīng)答器。1、TPU傳感器與采集器輸出信號的時間關(guān)系圖：為保證采集板和無線電應(yīng)答器穩(wěn)定工作，注水電池組輸出的＋26V經(jīng)7824三端穩(wěn)壓器輸出＋24V電壓對無線電應(yīng)答器供電。＋24V再經(jīng)78L05三端穩(wěn)壓器輸出＋5V對采集板供電。TPU傳感器輸出的六組頻率的含義如下：fs：探空儀保溫盒內(nèi)的溫度，作為對壓力敏感元件溫度修正的依據(jù)。fp：為氣壓要素頻率。fk2：校正頻率2，用以對探空儀變換電路進(jìn)行實時校正。ft：為溫度要素頻率。fu：為濕度要素頻率。fk1：校正頻率1，用以對探空儀變換電路進(jìn)行實時校正。TPU傳感器輸出的六路信號頻率范圍：Fs：9000－10000Hz，盒內(nèi)溫度信號；Fp：9000－10000Hz，氣壓信號；fk2：7000－8100Hz，10pf基準(zhǔn)頻率；Ft：7000－9800Hz，氣溫信號（始終fk-ft≧200Hz）；Fu：7000－9800Hz，濕度信號（始終fk-fu≧200Hz）；fk1：9000－10000Hz，0pf基準(zhǔn)頻率；3、數(shù)字采集板功能：

將VaisalaRS80TPU傳感器輸出的TPU模擬脈沖信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號及0碼位脈沖38.4KHz的付載波輸出，同時輸出時分控制信號。數(shù)字采集板由輸入電路、采集/變換電路及付載波調(diào)制等電路組成。原理框圖：

4、探空儀檢定系數(shù)探空儀檢定系數(shù)是數(shù)據(jù)處理器將探空儀發(fā)送的頻率變換成TPU要素真值的依據(jù)。探空儀檢定系數(shù)格式如下：第一行：A字頭數(shù)組為探空儀編碼，該編碼是自動尋找該檢定系數(shù)的依據(jù)。第二行：數(shù)組為探空儀編號，該編號貼在探空儀包裝上。第三行—第四十九行：即PY0—MCS，為TPU檢定系數(shù)。第五十行—第七十二行：即JU0—JT5，為TPU修正系數(shù)。第七十三行—第七十四行：即XZ1—XZ2止，為頻率修正系數(shù)。在每開一箱探空儀時，需將該箱探空儀檢定系數(shù)光盤數(shù)據(jù)復(fù)制到探測數(shù)據(jù)處理軟件中的JD文件夾中。當(dāng)檢定系數(shù)光盤出現(xiàn)問題時，檢定系數(shù)可利用配發(fā)的檢定系數(shù)表人工輸入到JD文件夾中。第二節(jié)GTC1-4型高空數(shù)據(jù)處理器GTC1-4型高空數(shù)據(jù)處理器與400M數(shù)字式電子探空儀及701二次測風(fēng)雷達(dá)配合，將探測的TPU實時頻率數(shù)據(jù)變換成TPU氣象要素值及系統(tǒng)修正，并采用RS232c串行通訊標(biāo)準(zhǔn)傳送到數(shù)據(jù)終端。一、結(jié)構(gòu)

GTC1-4高空探測數(shù)據(jù)處理器原理框圖：GTC1-4高空探測數(shù)據(jù)處理器由雷達(dá)數(shù)據(jù)解調(diào)板和數(shù)據(jù)處理器所組成。數(shù)據(jù)處理器由數(shù)據(jù)處理板、數(shù)值計算板及電源所組成。二、功能：（1）雷達(dá)數(shù)據(jù)解調(diào)板：將雷達(dá)檢波輸出的探空數(shù)組視頻信號，通過放大、積分、積累恢復(fù)出探空頻率數(shù)組。傳送速率為2400bps。（2）數(shù)據(jù)處理板：將解調(diào)板輸出的無標(biāo)識符的探空頻率數(shù)組變換成具有標(biāo)識符的頻率數(shù)組。傳送速率將2400bps變換成4800bps

（3）數(shù)值計算板：將數(shù)據(jù)終端主機輸送來的代時間的經(jīng)校正的探空頻率數(shù)組變換成氣象要素數(shù)據(jù)；并對其輸出的氣象要素數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度、基點修正。三、數(shù)據(jù)處理器指示燈說明：

1、視頻指示燈：指示雷達(dá)解調(diào)板是否有原始探空頻率數(shù)組輸出。當(dāng)該指示燈無指示時，說明解調(diào)板或雷達(dá)相關(guān)電路發(fā)生故障。2、TPU數(shù)組指示燈：該指示燈指示數(shù)據(jù)處理器“數(shù)值計算板”輸出的TPU數(shù)組輸出是否正常。當(dāng)該指示燈無指示時說明“數(shù)值計算板”無TPU要素數(shù)組輸出3、啟動指示燈：該指示燈指示時間啟動狀態(tài)。燈“亮”表示已啟動。時間啟動信號來自雷達(dá)啟動開關(guān)，輸來的啟動信號（常態(tài)為5V）對信號處理板進(jìn)行中斷，以使TPU數(shù)據(jù)出現(xiàn)時間與雷達(dá)坐標(biāo)時間嚴(yán)格同步。4、f數(shù)組指示燈：該指示燈指示數(shù)據(jù)處理器“數(shù)據(jù)處理板”輸出的代標(biāo)識符的探空頻率數(shù)組輸出是否正常。當(dāng)該指示燈無指示時，說明“數(shù)據(jù)處理板”發(fā)生故障5、OK指示燈：指示數(shù)值計算板是否正常；同時指示主機輸出的校正后的探空頻率數(shù)組已進(jìn)入該板。當(dāng)該指示燈無指示時，說明“數(shù)值計算板”發(fā)生故障或校正后的探空頻率數(shù)組未輸入。6、ER指示燈：“數(shù)值計算板”發(fā)生故障指示。當(dāng)該燈顯示紅色時，表示“數(shù)值計算板”已發(fā)生故障。7、I/O指示燈：該指示燈指示數(shù)據(jù)處理器“數(shù)值計算板”輸出的TPU數(shù)組輸出是否正常。當(dāng)該指示燈無指示時，說明“數(shù)值計算板”無TPU要素數(shù)組輸出。第三節(jié)雷達(dá)數(shù)據(jù)解調(diào)板結(jié)構(gòu)與原理一、原理結(jié)構(gòu)圖：該雷達(dá)數(shù)據(jù)解調(diào)板同時適用701c及701x雷達(dá)。在701c雷達(dá)上使用時，該板代替原701c接收機組合中的JD3板。在使用電子探空儀時，僅將該板代替原板并插入原板插座中即可。在701x雷達(dá)上使用時，該板為獨立存在成為一個組合，并具有獨立電源供電。由于701x視頻輸出與701c不一樣，在701x中尚無法直接插入數(shù)據(jù)解調(diào)板，但該雷達(dá)所需的一切視頻信號無需外部提供。因此，在701x雷達(dá)中應(yīng)用時，雷達(dá)數(shù)據(jù)解調(diào)板中“雷達(dá)測距視頻脈沖電路”及“信號音響電路”皆無效用。二、工作原理：解調(diào)板的功能是，保證在各種信號中可靠地提取出探空儀發(fā)送的TPU要素頻率數(shù)組的碼位脈沖。雷達(dá)在正常工作時，其視頻輸出包含TPU要素頻率數(shù)組的碼位脈沖、雷達(dá)主波脈沖、應(yīng)答器的應(yīng)答自激脈沖、地物脈沖及其它干擾脈沖等信號。為使探空儀發(fā)送的TPU要素頻率數(shù)組的碼位脈沖具有較強的抗干擾能力，探空儀在發(fā)送碼位脈沖之前，將由晶體振蕩輸出的38.4KHz付載波調(diào)制到碼位脈沖上。此時探空儀發(fā)送的碼位脈沖，實際上是一串38.4KHz付載波脈沖。因38.4KHz付載波頻率穩(wěn)定度高達(dá)10-4—10-5，因此提取可采用濾波法。本解調(diào)器采用高選擇性窄帶（約7KHz）機械濾波器。由于濾波器輸入信號為脈沖方波，因而當(dāng)付載波過后，濾波器不能立即停止輸出，而產(chǎn)生衰減振蕩。探空儀發(fā)送的頻率數(shù)組速率為2400bps，則每個碼位脈沖中填充16個付載波脈沖。為此為保證解調(diào)出的碼位脈沖寬度不發(fā)生變化，則在電路中加入切割電路。切割電路作用就是保證碼位脈沖中具有16個付載波脈沖，由電路中W5電位器控制，見圖：碼位脈沖恢復(fù)電路是由4098可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路芯片組成。為了達(dá)到恢復(fù)的目的，則單穩(wěn)延遲時常數(shù)應(yīng)略大于一個付載波周期。因此，恢復(fù)后的碼位脈沖寬度比原碼位脈沖寬半個付載波周期。為保證解調(diào)輸出的碼位脈沖可靠地驅(qū)動后級，則輸出采用晶體管射隨器電路。該級負(fù)載電阻采用分壓式電路，是為保證輸出碼位脈沖幅度為5V。解調(diào)板的調(diào)整直接關(guān)系到雷達(dá)與數(shù)據(jù)處理器工作的質(zhì)量。因而該板的調(diào)整在出廠前業(yè)已調(diào)整好，但板中的積分器時常數(shù)應(yīng)根據(jù)本站具體情況進(jìn)行調(diào)整。其它可調(diào)電位器皆需專用模擬器及相關(guān)儀表方可準(zhǔn)確調(diào)整。第四節(jié)數(shù)據(jù)處理器數(shù)據(jù)處理器由信號處理板（實際是一塊輸入信號轉(zhuǎn)接板）、數(shù)據(jù)處理板、數(shù)值計算板及電源板所組成。組合信號流程及供電示意圖：雷達(dá)解調(diào)板輸出的原始頻率數(shù)組經(jīng)數(shù)據(jù)處理板“視頻”口輸至數(shù)據(jù)處理板CPU“RXD”口，數(shù)據(jù)處理板CPU將原始無標(biāo)志頻率數(shù)組變換成有標(biāo)志的標(biāo)準(zhǔn)頻率數(shù)組，同時提取探空儀編碼。標(biāo)準(zhǔn)頻率數(shù)組及探空儀編碼通過數(shù)據(jù)處理板CPU“TXD”口，經(jīng)信號處理板“CH1”至主機多功能串行卡“COM3”發(fā)送給主機。主機按探空儀編碼查詢出本探空儀檢定（JD）文件，并對標(biāo)準(zhǔn)頻率數(shù)組進(jìn)行校正，然后通過多功能串行卡“COM5－PIO”（傳JD）及“COM4－SEIO”（傳校正后頻率數(shù)組）傳送到數(shù)值計算板。數(shù)值計算板依據(jù)JD文件和頻率數(shù)組計算出TPU要素真值，并通過“COM5－PIO”輸至主機。數(shù)值計算板輸出的要素真值全部都經(jīng)過基點和溫度修正。主機計算出基值測定的結(jié)果，通過“COM5－PIO”傳送給數(shù)值計算板。時間同步有兩種方式：其一，雷達(dá)時間啟動進(jìn)行同步時，雷達(dá)啟動的＋5V脈沖經(jīng)數(shù)據(jù)處理板“啟動”口傳至數(shù)據(jù)處理板CPU申請中斷，中斷響應(yīng)后數(shù)據(jù)處理板CPU輸出的啟動命令通過數(shù)據(jù)處理板“CH3”經(jīng)主機串行卡“COM6”進(jìn)入主機，啟動主數(shù)據(jù)處理程序，完成測風(fēng)與探空的時間同步。其二，主機探測數(shù)據(jù)處理主程序發(fā)出時間啟動命令，該命令通過主機串行卡“COM6”，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理板“CH3”傳送到數(shù)據(jù)處理板CPU上，CPU接收到啟動命令后立即發(fā)出雷達(dá)低電平（－8V左右）復(fù)位脈沖（寬度50ms－100ms），經(jīng)數(shù)據(jù)處理板“啟動”口輸至雷達(dá)，完成時間同步功能。技術(shù)性能表：序號項

目要

求備

注1視頻信號≥4.5V對數(shù)據(jù)處理器為輸入信號2雷達(dá)坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送速率300bps對主機為輸入信號3雷達(dá)輸出的頻率數(shù)組速率2400bps對數(shù)據(jù)處理器為輸入信號4標(biāo)準(zhǔn)頻率數(shù)組傳送速率4800bps對數(shù)據(jù)處理器為輸出5校正后頻率數(shù)組傳送速率4800bps對數(shù)據(jù)處理器為輸入信號6TPU要素真值傳送速率19200bps對數(shù)據(jù)處理器為輸出7命令19200bps對數(shù)據(jù)處理器為輸入信號8時間啟動信號5v（或±12V）對701x（對701c）第五節(jié)硬件系統(tǒng)的調(diào)整一、積分器的調(diào)整為保證輸出的探空信號純凈，在雷達(dá)數(shù)據(jù)解調(diào)板的放大級中加入一級積分器。積分器的作用是消除探空信號中的自激脈沖、雷達(dá)主波脈沖及其它干擾。為達(dá)到上述目的，一級積分器時常數(shù)應(yīng)根據(jù)本站具體情況進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整方法如下：1、在地面接通一個探空儀，用示波器探頭測量雷達(dá)數(shù)據(jù)解調(diào)板上的U1A第一腳輸出波形信號是否有如（a）圖所示波形出現(xiàn)，并利用雷達(dá)增益旋鈕使U1A第一腳輸出波形處于弱飽和狀態(tài)；再用示波器探頭測量Q1晶體管射極輸出信號調(diào)整W1電位器，使Q1晶體管射極輸出信號僅有探空脈沖，如b圖：為確保積分器能將非付載波脈沖較徹底消除，則積分時常數(shù)可使付載波脈沖前沿傾斜最大近似可達(dá)到付載波脈寬的1/3—1/2之間（約4μs－5μs）。二、放大級的調(diào)整解調(diào)板可響應(yīng)的最低輸入信號幅度，對701x雷達(dá)為1.4V±0.4V。當(dāng)輸入信號幅度低于800mV時，該信號即不能被解調(diào)板輸出，從而會發(fā)生38.4KHz付載波脈沖信號遺漏而造成碼位脈沖發(fā)生斷裂，使數(shù)組發(fā)生亂碼。為此，雷達(dá)在工作中天線應(yīng)對準(zhǔn)目標(biāo)。最低要求在接收時，雷達(dá)四條亮線高度差不應(yīng)相差太大。由于在實際探測中視頻輸出包含TPU要素頻率數(shù)組的碼位脈沖、雷達(dá)主波脈沖、應(yīng)答器的應(yīng)答自激脈沖、地物脈沖及其它干擾脈沖等信號，利用實際信號調(diào)整放大級較難定量的調(diào)整。因而需要采用專用模擬探空儀進(jìn)行定量的調(diào)整。但在雷達(dá)修理后或性能發(fā)生變化時，臺站調(diào)整可按以下方法進(jìn)行近似調(diào)整：在調(diào)整U1A（LF353）及U3（LF353）放大級時，應(yīng)將U2A（4069）積分級調(diào)整正確后方可進(jìn)行放大級的調(diào)整。1、按701x雷達(dá)視頻輸出調(diào)整U1A（LF353）及U3（LF353）放大級：（1）在地面接通一個探空儀，調(diào)整雷達(dá)頻率到探空儀發(fā)射頻率上，然后用示波器探頭測量C6與R7之間波形。調(diào)整雷達(dá)增益使U1A（LF353）放大級輸入信號幅度為1.0V（此時雷達(dá)處于“近程”），同時波形應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定，否則應(yīng)提高輸出幅度或?qū)走_(dá)進(jìn)行認(rèn)真調(diào)整。（2）將示波器探頭測量U1A第一腳輸出波形，該波形幅度應(yīng)處于接近弱飽和狀態(tài)。（3）將示波器探頭測量Q1射極輸出波形，調(diào)整U3（LF353）雙向限幅放大級，使Q1射極輸出波形峰值幅度接近≥＋10V，如下圖所示：當(dāng)Q1射極輸出波形峰值幅度未接近≥＋10V時，可適當(dāng)?shù)卦龃驲9電阻值。（4）當(dāng)上述的調(diào)整結(jié)束后，再將U1A（LF353）放大級輸入信號幅度調(diào)為近似1.5V（此時雷達(dá)處于“近程”），再用示波器探頭測量Q1射極輸出波形幅度和伩雜比應(yīng)與原1V時的波形近似；若此時伩雜比未達(dá)標(biāo)可微調(diào)W1電位器；若仍無效，只好適當(dāng)?shù)慕档蚏9電阻值。為此還要再檢查輸入信號幅度為1.0V時，Q1射極輸出波形幅度和伩雜比應(yīng)與原1V時的波形近似。如此反復(fù)調(diào)整，使輸入信號幅度為1.0V～1.5V范圍內(nèi)達(dá)到要求。此時U1A（LF353）及U3（LF353）放大級調(diào)整工作結(jié)束。三、濾波器的調(diào)整：濾波器的調(diào)整首先用示波器探頭測量D6與R27之間波形幅度，調(diào)整Q1射極電位器W4使其輸出幅度最大。該探空儀為了提高抗干擾的能力，則探空儀傳感器采集板的CPU在輸出TPU頻率數(shù)字信號的同時輸出與0碼位脈沖同步的38.4KHz付載波。因此，實際探空儀發(fā)射的TPU頻率數(shù)字信號為一串串38.4KHz付載波脈沖。由于探空儀傳感器采集板輸出的TPU頻率數(shù)字信號傳輸速率為2400bps，其碼位脈沖寬度近似為416.67μs，而38.4KHz付載波脈沖寬度為26.04μs。為此一個獨立的0碼位脈沖中可填充的38.4KHz付載波脈沖個數(shù)近似為16個脈沖周期。為此調(diào)整W5電位器使Q5輸出完整的16個恢復(fù)觸發(fā)脈沖，如圖：

四、恢復(fù)電路的調(diào)整：該電路的調(diào)整，與切割電路的調(diào)整一樣，必須使用專用信號方可調(diào)整準(zhǔn)確，因此不易調(diào)整。該部分在出廠時已準(zhǔn)確調(diào)整?；謴?fù)電路采用可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)芯片完成。為保證恢復(fù)穩(wěn)定可靠，則單穩(wěn)態(tài)電路時常數(shù)應(yīng)略大于38.4KHz付載波脈沖周期。故調(diào)整W6電位器使恢復(fù)后的碼位脈沖寬度為440μs＜τ≥430μs（τ為碼位脈沖寬度）?；謴?fù)后的碼位脈沖濾波器輸出波形的關(guān)系，如圖：

第六節(jié)數(shù)據(jù)處理器與雷達(dá)及主機的連接數(shù)據(jù)處理器與701A或B雷達(dá)及主機的連接示意圖，見圖：

數(shù)據(jù)處理器主要技術(shù)性能：序號項

目要

求備

注1視頻信號≥4.5V對數(shù)據(jù)處理器為輸入信號2雷達(dá)坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送速率300bps對主機為輸入信號3解調(diào)輸出的數(shù)組傳送速率2400bps對數(shù)據(jù)處理器為輸入信號4標(biāo)準(zhǔn)頻率數(shù)組傳