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體第一節(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感測(cè)器將氣象要素物理量變換成電脈衝量，然後輸至數(shù)字採(cǎi)集板變換成數(shù)字信號(hào)輸至無(wú)線電應(yīng)答器，經(jīng)載波調(diào)製後，將探測(cè)數(shù)位化數(shù)據(jù)資訊發(fā)送到地面站。為保證氣象要素測(cè)量與採(cǎi)集變換使探空與測(cè)風(fēng)嚴(yán)格同步，感測(cè)器和採(cǎi)集板分別輸出要素選擇脈衝、週期複位脈衝、時(shí)分控制信號(hào)，控制採(cǎi)集板以及無(wú)線電應(yīng)答器。1、TPU感測(cè)器與採(cǎi)集器輸出信號(hào)的時(shí)間關(guān)係圖：為保證採(cǎi)集板和無(wú)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(duì)無(wú)線電應(yīng)答器供電。＋24V再經(jīng)78L05三端穩(wěn)壓器輸出＋5V對(duì)採(cǎi)集板供電。TPU感測(cè)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(duì)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(duì)探空儀變換電路進(jìn)行即時(shí)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(duì)探空儀變換電路進(jìn)行即時(shí)校正。TPU感測(cè)器輸出的六路信號(hào)頻率範(fàn)圍：Fs：9000－10000Hz，盒內(nèi)溫度信號(hào)；Fp：9000－10000Hz，氣壓信號(hào)；fk2：7000－8100Hz，10pf基準(zhǔn)頻率；Ft：7000－9800Hz，氣溫信號(hào)（始終fk-ft≧200Hz）；Fu：7000－9800Hz，濕度信號(hào)（始終fk-fu≧200Hz）；fk1：9000－10000Hz，0pf基準(zhǔn)頻率；3、數(shù)字採(cǎi)集板功能：

將VaisalaRS80TPU感測(cè)器輸出的TPU模擬脈衝信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)及0碼位脈衝38.4KHz的付載波輸出，同時(shí)輸出時(shí)分控制信號(hào)。數(shù)字採(cǎi)集板由輸入電路、採(cǎi)集/變換電路及付載波調(diào)製等電路組成。原理框圖：

4、探空儀檢定係數(shù)探空儀檢定係數(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)。探空儀檢定係數(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(dòng)尋找該檢定係數(shù)的依據(jù)。第二行：數(shù)組為探空儀編號(hào)，該編號(hào)貼在探空儀包裝上。第三行—第四十九行：即PY0—MCS，為TPU檢定係數(shù)。第五十行—第七十二行：即JU0—JT5，為TPU修正係數(shù)。第七十三行—第七十四行：即XZ1—XZ2止，為頻率修正係數(shù)。在每開(kāi)一箱探空儀時(shí)，需將該箱探空儀檢定係數(shù)光碟數(shù)據(jù)複製到探測(cè)數(shù)據(jù)處理軟體中的JD檔夾中。當(dāng)檢定係數(shù)光碟出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，檢定係數(shù)可利用配發(fā)的檢定係數(shù)表人工輸入到JD檔夾中。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(cè)風(fēng)雷達(dá)配合，將探測(cè)的TPU即時(shí)頻率數(shù)據(jù)變換成TPU氣象要素值及系統(tǒng)修正，並採(cǎi)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(cè)數(shù)據(jù)處理器原理框圖：GTC1-4高空探測(cè)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(jì)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(hào)，通過(guò)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(wú)識(shí)別字的探空頻率數(shù)組變換成具有識(shí)別字的頻率數(shù)組。傳送速率將2400bps變換成4800bps

（3）數(shù)值計(jì)算板：將數(shù)據(jù)終端主機(jī)輸送來(lái)的代時(shí)間的經(jīng)校正的探空頻率數(shù)組變換成氣象要素?cái)?shù)據(jù)；並對(duì)其輸出的氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行溫度、基點(diǎn)修正。三、數(shù)據(jù)處理器指示燈說(shuō)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(wú)指示時(shí)，說(shuō)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(jì)算板”輸出的TPU數(shù)組輸出是否正常。當(dāng)該指示燈無(wú)指示時(shí)說(shuō)明“數(shù)值計(jì)算板”無(wú)TPU要素?cái)?shù)組輸出3、啟動(dòng)指示燈：該指示燈指示時(shí)間啟動(dòng)狀態(tài)。燈“亮”表示已啟動(dòng)。時(shí)間啟動(dòng)信號(hào)來(lái)自雷達(dá)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，輸來(lái)的啟動(dòng)信號(hào)（常態(tài)為5V）對(duì)信號(hào)處理板進(jìn)行中斷，以使TPU數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)間與雷達(dá)座標(biāo)時(shí)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”輸出的代識(shí)別字的探空頻率數(shù)組輸出是否正常。當(dāng)該指示燈無(wú)指示時(shí)，說(shuō)明“數(shù)據(jù)處理板”發(fā)生故障5、OK指示燈：指示數(shù)值計(jì)算板是否正常；同時(shí)指示主機(jī)輸出的校正後的探空頻率數(shù)組已進(jìn)入該板。當(dāng)該指示燈無(wú)指示時(shí)，說(shuō)明“數(shù)值計(jì)算板”發(fā)生故障或校正後的探空頻率數(shù)組未輸入。6、ER指示燈：“數(shù)值計(jì)算板”發(fā)生故障指示。當(dāng)該燈顯示紅色時(shí)，表示“數(shù)值計(jì)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(jì)算板”輸出的TPU數(shù)組輸出是否正常。當(dāng)該指示燈無(wú)指示時(shí)，說(shuō)明“數(shù)值計(jì)算板”無(wú)TPU要素?cái)?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(shí)適用701c及701x雷達(dá)。在701c雷達(dá)上使用時(shí)，該板代替原701c接收機(jī)組合中的JD3板。在使用電子探空儀時(shí)，僅將該板代替原板並插入原板插座中即可。在701x雷達(dá)上使用時(shí)，該板為獨(dú)立存在成為一個(gè)組合，並具有獨(dú)立電源供電。由於701x視頻輸出與701c不一樣，在701x中尚無(wú)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(hào)無(wú)需外部提供。因此，在701x雷達(dá)中應(yīng)用時(shí)，雷達(dá)數(shù)據(jù)解調(diào)板中“雷達(dá)測(cè)距視頻脈衝電路”及“信號(hào)音響電路”皆無(wú)效用。二、工作原理：解調(diào)板的功能是，保證在各種信號(hào)中可靠地提取出探空儀發(fā)送的TPU要素頻率數(shù)組的碼位脈衝。雷達(dá)在正常工作時(shí)，其視頻輸出包含TPU要素頻率數(shù)組的碼位脈衝、雷達(dá)主波脈衝、應(yīng)答器的應(yīng)答自激脈衝、地物脈衝及其它干擾脈衝等信號(hào)。為使探空儀發(fā)送的TPU要素頻率數(shù)組的碼位脈衝具有較強(qiáng)的抗干擾能力，探空儀在發(fā)送碼位脈衝之前，將由晶體振盪輸出的38.4KHz付載波調(diào)製到碼位脈衝上。此時(shí)探空儀發(fā)送的碼位脈衝，實(shí)際上是一串38.4KHz付載波脈衝。因38.4KHz付載波頻率穩(wěn)定度高達(dá)10-4—10-5，因此提取可採(cǎi)用濾波法。本解調(diào)器採(cǎi)用高選擇性窄帶（約7KHz）機(jī)械濾波器。由於濾波器輸入信號(hào)為脈衝方波，因而當(dāng)付載波過(guò)後，濾波器不能立即停止輸出，而產(chǎn)生衰減振盪。探空儀發(fā)送的頻率數(shù)組速率為2400bps，則每個(gè)碼位脈衝中填充16個(gè)付載波脈衝。為此為保證解調(diào)出的碼位脈衝寬度不發(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衝中具有16個(gè)付載波脈衝，由電路中W5電位器控制，見(jiàn)圖：碼位脈衝恢復(fù)電路是由4098可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路晶片組成。為了達(dá)到恢復(fù)的目的，則單穩(wěn)延遲時(shí)常數(shù)應(yīng)略大於一個(gè)付載波週期。因此，恢復(fù)後的碼位脈衝寬度比原碼位脈衝寬半個(gè)付載波週期。為保證解調(diào)輸出的碼位脈衝可靠地驅(qū)動(dòng)後級(jí)，則輸出採(cǎi)用電晶體射隨器電路。該級(jí)負(fù)載電阻採(cǎi)用分壓式電路，是為保證輸出碼位脈衝幅度為5V。解調(diào)板的調(diào)整直接關(guān)係到雷達(dá)與數(shù)據(jù)處理器工作的品質(zhì)。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(shí)常數(shù)應(yīng)根據(jù)本站具體情況進(jìn)行調(diào)整。其他可調(diào)電位器皆需專用模擬器及相關(guān)儀錶方可準(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(hào)處理板（實(shí)際是一塊輸入信號(hào)轉(zhuǎn)接板）、數(shù)據(jù)處理板、數(shù)值計(jì)算板及電源板所組成。組合信號(hào)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(wú)標(biāo)誌頻率數(shù)組變換成有標(biāo)誌的標(biāo)準(zhǔn)頻率數(shù)組，同時(shí)提取探空儀編碼。標(biāo)準(zhǔn)頻率數(shù)組及探空儀編碼通過(guò)數(shù)據(jù)處理板CPU“TXD”口，經(jīng)信號(hào)處理板“CH1”至主機(jī)多功能串行卡“COM3”發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)按探空儀編碼查詢出本探空儀檢定（JD）檔，並對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率數(shù)組進(jìn)行校正，然後通過(guò)多功能串行卡“COM5－PIO”（傳JD）及“COM4－SEIO”（傳校正後頻率數(shù)組）傳送到數(shù)值計(jì)算板。數(shù)值計(jì)算板依據(jù)JD檔和頻率數(shù)組計(jì)算出TPU要素真值，並通過(guò)“COM5－PIO”輸至主機(jī)。數(shù)值計(jì)算板輸出的要素真值全部都經(jīng)過(guò)基點(diǎn)和溫度修正。主機(jī)計(jì)算出基值測(cè)定的結(jié)果，通過(guò)“COM5－PIO”傳送給數(shù)值計(jì)算板。時(shí)間同步有兩種方式：其一，雷達(dá)時(shí)間啟動(dòng)進(jìn)行同步時(shí)，雷達(dá)啟動(dòng)的＋5V脈衝經(jīng)數(shù)據(jù)處理板“啟動(dòng)”口傳至數(shù)據(jù)處理板CPU申請(qǐng)中斷，中斷回應(yīng)後數(shù)據(jù)處理板CPU輸出的啟動(dòng)命令通過(guò)數(shù)據(jù)處理板“CH3”經(jīng)主機(jī)串行卡“COM6”進(jìn)入主機(jī)，啟動(dòng)主數(shù)據(jù)處理程式，完成測(cè)風(fēng)與探空的時(shí)間同步。其二，主機(jī)探測(cè)數(shù)據(jù)處理主程序發(fā)出時(shí)間啟動(dòng)命令，該命令通過(guò)主機(jī)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(dòng)命令後立即發(fā)出雷達(dá)低電平（－8V左右）複位脈衝（寬度50ms－100ms），經(jīng)數(shù)據(jù)處理板“啟動(dòng)”口輸至雷達(dá)，完成時(shí)間同步功能。技術(shù)性能表：序號(hào)項(xiàng)目要求備注1視頻信號(hào)≥4.5V對(duì)數(shù)據(jù)處理器為輸入信號(hào)2雷達(dá)座標(biāo)數(shù)據(jù)傳送速率300bps對(duì)主機(jī)為輸入信號(hào)3雷達(dá)輸出的頻率數(shù)組速率2400bps對(duì)數(shù)據(jù)處理器為輸入信號(hào)4標(biāo)準(zhǔn)頻率數(shù)組傳送速率4800bps對(duì)數(shù)據(jù)處理器為輸出5校正後頻率數(shù)組傳送速率4800bps對(duì)數(shù)據(jù)處理器為輸入信號(hào)6TPU要素真值傳送速率19200bps對(duì)數(shù)據(jù)處理器為輸出7命令19200bps對(duì)數(shù)據(jù)處理器為輸入信號(hào)8時(shí)間啟動(dòng)信號(hào)5v（或±12V）對(duì)701x（對(duì)701c）第五節(jié)硬體系統(tǒng)的調(diào)整一、積分器的調(diào)整為保證輸出的探空信號(hào)純淨(jìng)，在雷達(dá)數(shù)據(jù)解調(diào)板的放大級(jí)中加入一級(jí)積分器。積分器的作用是消除探空信號(hào)中的自激脈衝、雷達(dá)主波脈衝及其它干擾。為達(dá)到上述目的，一級(jí)積分器時(shí)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(gè)探空儀，用示波器探頭測(cè)量雷達(dá)數(shù)據(jù)解調(diào)板上的U1A第一腳輸出波形信號(hào)是否有如（a）圖所示波形出現(xiàn)，並利用雷達(dá)增益旋鈕使U1A第一腳輸出波形處?kù)度躏柡蜖顟B(tài)；再用示波器探頭測(cè)量Q1電晶體射極輸出信號(hào)調(diào)整W1電位器，使Q1電晶體射極輸出信號(hào)僅有探空脈衝，如b圖：為確保積分器能將非付載波脈衝較徹底消除，則積分時(shí)常數(shù)可使付載波脈衝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(jí)的調(diào)整解調(diào)板可回應(yīng)的最低輸入信號(hào)幅度，對(duì)701x雷達(dá)為1.4V±0.4V。當(dāng)輸入信號(hào)幅度低於800mV時(shí)，該信號(hào)即不能被解調(diào)板輸出，從而會(huì)發(fā)生38.4KHz付載波脈衝信號(hào)遺漏而造成碼位脈衝發(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(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。最低要求在接收時(shí)，雷達(dá)四條亮線高度差不應(yīng)相差太大。由於在實(shí)際探測(cè)中視頻輸出包含TPU要素頻率數(shù)組的碼位脈衝、雷達(dá)主波脈衝、應(yīng)答器的應(yīng)答自激脈衝、地物脈衝及其它干擾脈衝等信號(hào)，利用實(shí)際信號(hào)調(diào)整放大級(jí)較難定量的調(diào)整。因而需要採(cǎi)用專用模擬探空儀進(jìn)行定量的調(diào)整。但在雷達(dá)修理後或性能發(fā)生變化時(shí)，臺(tái)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(jí)時(shí)，應(yīng)將U2A（4069）積分級(jí)調(diào)整正確後方可進(jìn)行放大級(jí)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(jí)：（1）在地面接通一個(gè)探空儀，調(diào)整雷達(dá)頻率到探空儀發(fā)射頻率上，然後用示波器探頭測(cè)量C6與R7之間波形。調(diào)整雷達(dá)增益使U1A（LF353）放大級(jí)輸入信號(hào)幅度為1.0V（此時(shí)雷達(dá)處?kù)丁敖獭保?，同時(shí)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(cè)量U1A第一腳輸出波形，該波形幅度應(yīng)處?kù)督咏躏柡蜖顟B(tài)。（3）將示波器探頭測(cè)量Q1射極輸出波形，調(diào)整U3（LF353）雙向限幅放大級(jí)，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(shí)，可適當(dāng)?shù)卦龃驲9電阻值。（4）當(dāng)上述的調(diào)整結(jié)束後，再將U1A（LF353）放大級(jí)輸入信號(hào)幅度調(diào)為近似1.5V（此時(shí)雷達(dá)處?kù)丁敖獭保儆檬静ㄆ魈筋^測(cè)量Q1射極輸出波形幅度和伩雜比應(yīng)與原1V時(shí)的波形近似；若此時(shí)伩雜比未達(dá)標(biāo)可微調(diào)W1電位器；若仍無(wú)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(hào)幅度為1.0V時(shí)，Q1射極輸出波形幅度和伩雜比應(yīng)與原1V時(shí)的波形近似。如此反復(fù)調(diào)整，使輸入信號(hào)幅度為1.0V～1.5V範(fàn)圍內(nèi)達(dá)到要求。此時(shí)U1A（LF353）及U3（LF353）放大級(jí)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(cè)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，則探空儀感測(cè)器採(cǎi)集板的CPU在輸出TPU頻率數(shù)字信號(hào)的同時(shí)輸出與0碼位脈衝同步的38.4KHz付載波。因此，實(shí)際探空儀發(fā)射的TPU頻率數(shù)字信號(hào)為一串串38.4KHz付載波脈衝。由於探空儀感測(cè)器採(cǎi)集板輸出的TPU頻率數(shù)字信號(hào)傳輸速率為2400bps，其碼位脈衝寬度近似為416.67μs，而38.4KHz付載波脈衝寬度為26.04μs。為此一個(gè)獨(dú)立的0碼位脈衝中可填充的38.4KHz付載波脈衝個(gè)數(shù)近似為16個(gè)脈衝週期。為此調(diào)整W5電位器使Q5輸出完整的16個(gè)恢復(fù)觸發(fā)脈衝，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(hào)方可調(diào)整準(zhǔn)確，因此不易調(diào)整。該部分在出廠時(shí)已準(zhǔn)確調(diào)整?；謴?fù)電路採(cǎi)用可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)晶片完成。為保證恢復(fù)穩(wěn)定可靠，則單穩(wěn)態(tài)電路時(shí)常數(shù)應(yīng)略大於38.4KHz付載波脈衝週期。故調(diào)整W6電位器使恢復(fù)後的碼位脈衝寬度為440μs＜τ≥430μs（τ為碼位脈衝寬度）?；謴?fù)後的碼位脈衝濾波器輸出波形的關(guān)係，如圖：

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

數(shù)據(jù)處理器主要技術(shù)性能：序號(hào)項(xiàng)目要求備注1視頻信號(hào)≥4.5V對(duì)數(shù)據(jù)處理器為輸入信號(hào)2雷達(dá)座標(biāo)數(shù)據(jù)傳送速率300bps對(duì)主機(jī)為輸入信號(hào)3解調(diào)輸出的數(shù)組傳送速率2400bps對(duì)數(shù)據(jù)處理器為輸入信號(hào)4標(biāo)準(zhǔn)