701雷达现代化改进技术

赖卫国 熊国华
(江西省气象技术装备中心 ,江西 南昌 330046)
  摘 要:分析了工作于400 MHz的59-701探空系统的使用前景和存在的主要问题,并介绍了701雷达的改进背景和改进技术,以及701-X无备份大修方法。 
  关键词:701雷达 改进 技术 
中图分类号:TN959.4  文献标识码:A  文章编号:1007-9033(2001)03-0041-06
1 前言
1.1 701雷达应用现状
 
  701气象雷达是高空大气探测专用技术装备,它和遥感器等其他技术装置一起构成59-701探空系统。它使用400 MHz频率,通过跟踪和接收由气球携带的高空大气传感器发回的信息,测量由地面到高空30 000 m以上的大气参数。在我国大地上均匀地遍布了100多部701雷达(还有相当规模的军事、科研、民航等的同型号气象雷达未计算在内),构成了一个庞大完整的大气监测网络系统。这些雷达每天同步观测2~4次,将获得的大气参数资料迅速地发往世界各地的气象预报中心。这些信息是气象天气预报的最基本的数据资料。
  最早的701雷达型号定型于60年代末,70年代初开始全国布网,虽然历年来有所改进,但是整体科技水平十分落后,远不能适应现代大气探测和数字信息处理技术的高精度、高速度和自动化的要求。虽然在新世纪里,我国的高空探测系统正酝酿着重大改进,但在400 MHz频率范围的探空系统中,未改进的701雷达是即将淘汰但在数年内又不可替代的探空装备,701雷达的一部分将在新一代探空系统的完善过程中被逐步取代,另一部分改进的701雷达还可能长期使用。可以预见400 MHz探空系统在未来5~10 a的探空体系中还有相当重要的地位。

1.2 改进的必要性
  
 701雷达的继续使用和大修面临着三大问题:一是采用的科学技术过时,不能满足59-710系统的探空现代化需求。二是设备陈旧,元器件缺乏,故障频繁,技术指标下降。三是大修工艺落后复杂、维修周期长,需要较多工程人员,一般单位无法承担。大修完成后,雷达性能指标不能保证更谈不上科技进步和性能改进,大修经费的社会经济效益极差。全国每年有近10部701雷达大修,改造的时机和经费没有充分利用。
  总之,701雷达正处在性能、技术上做重大创新改进,以满足气象业务现代化需求的关键时刻。同时雷达定期大修为雷达改型换代提供了绝好机会。在新的技术条件下,一种采用先进技术、容易实施、成本低、与现有业务体制兼容又适合59-701系统改造的新型雷达为气象人所期待。
  701雷达的唯一出路就是利用大修经费进行彻底改造。如果对701雷达本身做彻底的技术改造,并通过增加电子探空仪接口(提高探空精度)、使用窄带回答器(抗干扰)和自动角度跟踪技术(自动化)进行性能扩展,新型的701雷达与当代工作于其它波段的先进的探空雷达相比将不会有太大差距。在经济成本、频率资源利用、高空历史资料利用等多方面,都会取得重大效益。

1.3 改进的基本思路
  701雷达的生命力就是来源于改进。701雷达诞生后,国内对701雷达的研究改进就开始了,先后派生出701B(1985)、701C(1991),这些改进在当时是成功的。站在现代计算机技术和电子技术发展的全新的角度,进行跨世纪思考,设计制造出满足现代气象需求的400 MHz探空雷达是完全可能的。针对这一课题,我们应用现代电子技术的设计理念,以信息数字化处理为核心,寻找了一条701雷达大修改进新思路。其方法是采用现代高科技的电子技术,用跨越式一步到位的做法,彻底摒弃原雷达的绝大部分构件(仅保留天线及机械结构),重新设计新型的雷达整机。该方案应用有限的经费实现了深入的技术改进,不仅获得了高性能的701雷达,也为省局自备力量大修701雷达找到了最佳解决方案,并且为701雷达在未来探空体系中扩大了应用空间。

1.4 701雷达改进内容和目标
  
 新探空雷达主体包括:高频接收和发射系统,高频馈电和天线定向系统,角度测量和斜距测量系统,探空遥感接收和译码系统,雷达控制和跟踪系统,数据高级处理和联网传输系统。  新雷达采用的是二次雷达的工作原理,通过目标携带的回答器,回答雷达的询问脉冲,测量目标的位置,同时接收目标传感器发回的数据信号。设计现代探空雷达涉及的内容是多学科的,是一个系统工程。它包括:高频及微波发射和接收,微波定向和测距,传感器遥测遥感和信息传输,雷达目标自动跟踪的自动控制技术,雷达信号的数字化及其处理的数字信号处理技术,贯穿新型雷达主体的微处理器应用技术,进行信号传输、数字控制和网络信息交换的通信技术,进行信息综合处理、数据库管理、资料计算等程序开发的计算机应用技术。为了新雷达的工程实现,还涉及EDA电子设计技术,新型电子元器件的应用,电源技术,可靠性技术,机电一体化、电磁兼容性等一系列工程技术。
  不难看出如此宽泛和前沿的技术覆盖面,对于从事701雷达改进的科技人员来说,是极具挑战性的。其改进内容和目标为:
  (1) 改进的新型雷达可采用新技术使探测精度和灵敏度有较大提高。
  (2) 雷达基本淘汰电子管技术,采用高频半导体器件、集成电路和微处理器等新技术器件。
  (3) 雷达数字化、智能化和自动化,可实现探空过程自动化。
  (4) 新雷达小型化、模块化和向下兼容性,对旧雷达可以就地替代改型,免除复杂的大修。
  (5) 雷达性能超前设计便于扩展,能在相当长时间内保持先进性,以便长期使用。
  (6) 新设计的701雷达命名为701-X雷达。
2 701-X雷达概述 
  701-X雷达是701系列雷达(包括701、701B和701C)经过特定的方法大修改进后命名的一种型号,其整体结构如图1所示。它使用的重复频率、工作频率、操作方式及探测精度与原701雷达完全一样。701-X雷达是针对701雷达大修改进而设计的,它在保留701雷达探空测风机理的基础上,采用先进的现代电子技术来实现701雷达功能。这些改进吸收了近年来对701雷达改造的丰富经验。由于701-X能进行探空、测风数据完全的数字化转换,进而实现数据的采集、传送、整理和发报的一条龙自动化处理过程,减少了差错环节和操作人员数量, 因此701-X在性能上比701雷达有更多的优越性。
  701-X雷达硬件应用了现代电路可编程技术,并将微处理器引入雷达硬件设计之中,不仅提高了701雷达性能,而且减小了体积,保证了可靠性。使用701-X技术进行701雷达大修,淘汰了陈旧、复杂而繁琐的电子管电路技术工艺,代之以拆除、更换、保养等简单的技术操作,使一般台站在少量机务人员的配合下,就能轻而易举地实现就地大修改进。由于选用较先进、较成熟的集成电路芯片,采用功能部件模块化、小型化的设计原则,使得701-X易于掌握,调试方便,性能可靠稳定,维护简单。

2.1 重新设计后的701雷达——701-X
   701-X具有以下特点:
  (1) 接收系统采用新型的高频电子器件设计,具有高灵敏度、高信噪比、大动态范围、小型化、固态化等特征,其测试指标较高。
  (2) 雷达高频馈电系统使用了高频电子固态开关进行电子换向测角。
  (3) 雷达发射机使用全固态预调器,运用高压大电流高速MOS开关技术在0.1微秒级解决了高压预调脉冲问题。
  (4) 雷达信号处理使用了数字技术。首先是部分视频和控制信号的数字化,其后是使用微处理器进行数字信号处理。可完成目标识别和目标斜距自动跟踪,完成测角误差数据提取,产生自动测角信号。
  (5) 由高速数字器件、可编程逻辑器件和微处理器件相结合,运用多达8片的微处理器阵列产生各种雷达波形和脉冲,实现雷达的定时、测距、显示、控制功能。
  (6) 运用智能的微处理器控制算法,可实现传感器数据译码、天线位置控制。
  (7) 与微机实时联机,进行数据的实时计算、采集和高级处理、联网传输。
  在701-X中体现了以虚拟设备代替实设备,以软件取代硬件,以数字处理代替模拟处理的现代电子设备设计理念。这也是701-X中各技术创造点和关键点的核心。
  701-X力求取得最优的通用性、适用性和经济性,使其在技术性能上的创新和优化比同类雷达具有明显优势。由于采用高新技术使雷达的加工制造工艺简化,有利于批量生产,且原材料使用和能源消耗明显减少,消除了生产和使用中可能产生环境影响的因素。由于雷达的制造和使用成本大幅度下降,从而具有很好的推广应用价值。
2.2 701-X大修特点
2.2.1 部件彻底更新 性能跳跃提升
 
  701-X雷达是一个完整的高科技产品,实现了701雷达的大跨度技术进步。701-X技术抛弃了原701雷达除了天线外的全部部件。701-X雷达的接收机性能、自动增益性能、自动测距技术、角度、斜距数字化传输、探空信号处理等,都达到了701系列雷达的最佳水平,与现有探空处理系统完全兼容。改进后探空实现了无纸化,只需1~2人即可完成综合探空过程。701-X技术可以适用于701、701B、701C系列雷达的大修改进。
2.2.2 业务不间断大修
  
在两次探空之间即可同步完成雷达大修和探空业务应用转换。大修期间不需要备份雷达过渡,雷达标定简单快速。待修雷达如不移动天线和作房屋改造,经数小时线路改造及电缆连接,大修的主要工作即告结束。经2 h的放球实验,即可投入下一次正式探空使用。雷达天线大修维护工作,也可不影响正常值班。2.2.3 低消耗、少维护、易操作
  
 新主机小于原机体积的1/5、小于原机重量的1/10。免除了大修中通常必须的大型设备的拆装和运输等最为头痛且消耗大量经费的工作。大修工作只需1~2机务人员,在探空组人员的配合下数小时即完成,事先无需培训。整机功耗(包括2台电脑和发射机)在500 W以下,可以免用发电机设备,机器发热少,机内机外布线接头少,故障率极低。机房安静整洁噪声极小,雷达操作简单,即学即用只需简单培训就能上岗操作。701-X的维修采用板块替换,简单迅速。
2.3 701-X的技术特点
2.3.1 接收机
  
 由高频放大器+变频器前放以及中频放大器两部分组成。接收机灵敏度为1~2 uv,中放动态范围60 db。具有自动和手动增益(AGC)功能。
  低噪声30 db增益的高频放大器(可控固定衰减),并加有前级带通滤波器。
  中频放大器包括完全相同的两路,其中一路为备份中放。中放带有探空音频的选通电路,可直接输出探空音频原码。
2.3.2 发射机
  
 保留了原701雷达的发射管与发射腔体。重复频率为1 875周或1 500周,峰值功率大于或等于3 KW 的400兆周的高频脉冲,与原701雷达一样。对调制器进行了彻底的改造,原来比较笨重的低、高压电源体系完全不用。脉冲形成和高频脉冲调制均使用MOS电路技术,电路简单明了且故障少,但发射功率略低。
2.3.3 馈电系统
  701-X馈电原理与701相同,但完全固态化。原软同轴的相位圈结构改为硬同轴。取消原机械电容换相,改用PIN二极管电子换相。收发开关采用多节防漏功短路线,提高接收机高放的可靠性。
2.3.4 定时与测距 
  定时和测距合并在一个模块中。由14.992 M晶振产生(10 m分辨率)脉冲信号作为全机的测距和定时的基准。为了模拟原701雷达的2 km信号,14.992 M振荡频率经GAL作200分频。2 km信号经50/40分频,产生对应原701的每秒1 500/1 850重复频率(100/80 km测距间隔)的发射触发脉冲和全机测距定时信号。定时与测距的控制采用了两片单片微处理器和GAL(可编程逻辑阵列)芯片。测距分手动测距与自动测距两种方式。手动测距与原701相似,但使用的是数字移相技术,它消除了电容移相的非线性误差。自动测距由距离门电路和单片微处理器组成,通过判断距离门内回波前沿的概率位置,移动距离门对回波沿进行自动跟踪,从而实现自动测距。利用一个示波器进行测距显示,显示方式与701的精显示器相似,即以满屏2 km的量程显示回波,用一个跟踪缺口指示跟踪位置,每整数2 km自动跳档。测距操作用计算机通用的轨迹球实现。
2.3.5 角度转换 
  701-X去掉了接收同步机,代之以角度数字化转换电路。由4个同步发送机送来的角度信号共12路, 经合并处理为8路角度模拟信号,由8路10位A/D进行准同步采样,通过微处理器进行三角函数角度转换,形成分辨率为0.0125°的数字化角。角度转换频率为50 Hz。
2.3.6 测角显示
  
 这里“测角”是指操作天线电轴对准回答器所在空间角的过程中,误差信息的显示方法。使用了电子换相技术,取消了换相电机。由于不受电机转速的限制,天线换相扫描速度是任意的。由于没有了换相电容的过渡时间,在测角显示中也不需要匿影信号。701-X中增加了亮线幅度提取功能。通过分相幅度积分和A/D 变换,产生直流的和数字化的测角误差信息,可定量提供误差矫正量,并可供天线自动跟踪装置使用。在亮线的显示中,亮线直流幅度还可用来产生亮线“火柴头”,在噪声大时有利于看清楚4条回波亮线顶部。
2.3.7 天线电动控制和自动跟踪 
  根据701雷达的不同型号采用相应的天线驱动装置。701B为可控硅天线控制器,701C为步进电动机控制器,701雷达没有天线控制器。701-X为相应雷达设计智能化的天线控制器,也可根据用户的要求扩充自动跟踪性能。
2.3.8 探空解码 
  对探空视频信号滤波和宽度识别,在经微处理器做数字滤波输出探空数字码和探空莫尔斯码。探空数字码加入串行信息流输出至外部计算机。探空莫尔斯码用RS232接口电平直接输出,供其它探空数字码解码器使用。
2.3.9 液晶显示器
  
 701-X使用一个微处理器和液晶显示器(TMDMG12864A)实现显示实时雷达数据。数据包括仰角、方位、斜距、探空电码、时间。数据以2次/s的速率更新。
2.3.10 微处理器串行总线
  
 701-X的一大特色是在系统中嵌入了分布式微处理器系统进行信号的处理和控制。各微处理器之间的信息交换采用异步串行通讯总线方式。其中完成通信控制2片,测距2片,测角、角码转换、探空滤波解码、数据显示各1片,共使用微处理器芯片8片。由1片微处理器担任通信主控计算机,信息的交换规程分内外两种。内外通信电路用通信微处理器隔离开。对外与微机通信,采用通用232接口规程;对内使用单片机串行总线。由于所有通信口都并接在一起,通信是在主控机的调度下分时进行的。 内外通信都采用9 600 波特的速率。
2.3.11 探空测风数据显示存储终端
  
 701-X使用3线RS232信号与外部计算机交换信息。输出的信息有测角、测距、亮线幅度、时间、探空及调试信息。这些信息分别以每秒1次、每秒2次、每秒4次或随机的采样速率产生,以9 600波特率实时传输。
  701-X使用1台微机作为探空测风数据显示存储终端。其作用是进一步对实时传输的大量测风、探空资料做高级处理和记录存储。对测距数据做平滑内插,对测角数据做平滑后以图象方式显示,对角度数据做定时采集和人工操作判断,对探空数据做整理存储。显示终端将上述数据整理、存储后用串行方式传输到探空、测风自动处理终端。当然,也可在探空测风数据显示存储终端上直接安装探空、测风自动处理程序。
  701-X显示终端目前已与探空自动处理终端实现数据全自动传送和控制,包括放球自动启动。 
3 各系统单元技术指标
3.1 接收系统
 
  (1) 低噪声晶体管高频放大器增益为30 db。(高放近程衰减时0 db)
  (2)加前级带通滤波器,带宽>10 MHz。
  (3)中放自动增益控制(自动增益>60 db)。
  (4) 探空仪信号的音频解调输出。
  其指标为:接收机灵敏度106 db,自动增益60 db,可解调59型探空仪信号。
3.2 测距系统
    
(1) 稳定的晶体振荡频率,正确的分频和测距。
  (2) 斜距自动/手动跟踪和平滑显示。
  其指标为:测距指示精度≤10 m,自动测距误差< 40 m。
3.3 测角系统
  
 (1) 同步机角码的数字化转换和显示。
  (2) 测角亮线模拟显示和数字化输出。
  其指标为:角度量化精度0.0125°,有效指示精度0.05°。
3.4 内部总线和通信
  
 (1) 机内分布式多处理器的控制系统通信可靠。
  (2) 机外通信速率9 600波特,接口满足IEERS232规程标准,传输距离>15 m。
  (3) 数据实时输出不滞后,所有项目每秒可传输4次以上的数据量。
3.5 探空测风数据终端
  
 (1) 测风数据二次处理实时或控制输出。
  (2) 有用数据自动存储,历史资料无条件保存(可人工删除)。
  (3) 可安装配套实时数据处理系统的软件。
  (4) 探空仪信号自动解码,实时输出(选项)。
  其指标为:可进行正常综合探空业务联机。
3.6 天线系统
  
 (1) 701天线换向器改用电子固体换向后性能正常。
  (2) 漏功满足晶体管高放要求。
  其指标为:天线参数保持原雷达指标。

参考文献 
1. 孙仲康.雷达数据处理[M].北京:国防工业出板社,1983.
2. 何立民.单片机应用系统设计[M].北京: 北京航空航天大学出版社,1990.
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4. 中央气象局.高空大气探测手册[M].北京:气象出版社,1990.

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