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、雷達數(shù)據(jù)解調(diào)板、數(shù)據(jù)處理器。二、工作原理：TPU感測器將氣象要素物理量變換成電脈衝量，然後輸至數(shù)字採集板變換成數(shù)字信號輸至無線電應答器，經(jīng)載波調(diào)製後，將探測數(shù)位化數(shù)據(jù)資訊發(fā)送到地面站。為保證氣象要素測量與採集變換使探空與測風嚴格同步，感測器和採集板分別輸出要素選擇脈衝、週期複位脈衝、時分控制信號，控制採集板以及無線電應答器。1、TPU感測器與採集器輸出信號的時間關係圖：為保證採集板和無線電應答器穩(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電壓對無線電應答器供電。＋24V再經(jīng)78L05三端穩(wěn)壓器輸出＋5V對採集板供電。TPU感測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行即時校正。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行即時校正。TPU感測器輸出的六路信號頻率範圍：Fs：9000－10000Hz，盒內(nèi)溫度信號；Fp：9000－10000Hz，氣壓信號；fk2：7000－8100Hz，10pf基準頻率；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基準頻率；3、數(shù)字採集板功能：

將VaisalaRS80TPU感測器輸出的TPU模擬脈衝信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號及0碼位脈衝38.4KHz的付載波輸出，同時輸出時分控制信號。數(shù)字採集板由輸入電路、採集/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，該編碼是自動尋找該檢定係數(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)。在每開一箱探空儀時，需將該箱探空儀檢定係數(shù)光碟數(shù)據(jù)複製到探測數(shù)據(jù)處理軟體中的JD檔夾中。當檢定係數(shù)光碟出現(xiàn)問題時，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701二次測風雷達配合，將探測的TPU即時頻率數(shù)據(jù)變換成TPU氣象要素值及系統(tǒng)修正，並採用RS232c串行通訊標準傳送到數(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）雷達數(shù)據(jù)解調(diào)板：將雷達檢波輸出的探空數(shù)組視頻信號，通過放大、積分、積累恢復出探空頻率數(shù)組。傳送速率為2400bps。（2）數(shù)據(jù)處理板：將解調(diào)板輸出的無識別字的探空頻率數(shù)組變換成具有識別字的頻率數(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)；並對其輸出的氣象要素數(shù)據(jù)進行溫度、基點修正。三、數(shù)據(jù)處理器指示燈說明：

1、視頻指示燈：指示雷達解調(diào)板是否有原始探空頻率數(shù)組輸出。當該指示燈無指示時，說明解調(diào)板或雷達相關電路發(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啟動開關，輸來的啟動信號（常態(tài)為5V）對信號處理板進行中斷，以使TPU數(shù)據(jù)出現(xiàn)時間與雷達座標時間嚴格同步。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”輸出的代識別字的探空頻率數(shù)組輸出是否正常。當該指示燈無指示時，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後的探空頻率數(shù)組已進入該板。當該指示燈無指示時，說明“數(shù)值計算板”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)值計算板”發(fā)生故障指示。當該燈顯示紅色時，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：該雷達數(shù)據(jù)解調(diào)板同時適用701c及701x雷達。在701c雷達上使用時，該板代替原701c接收機組合中的JD3板。在使用電子探空儀時，僅將該板代替原板並插入原板插座中即可。在701x雷達上使用時，該板為獨立存在成為一個組合，並具有獨立電源供電。由於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，但該雷達所需的一切視頻信號無需外部提供。因此，在701x雷達中應用時，雷達數(shù)據(jù)解調(diào)板中“雷達測距視頻脈衝電路”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)組的碼位脈衝。雷達在正常工作時，其視頻輸出包含TPU要素頻率數(shù)組的碼位脈衝、雷達主波脈衝、應答器的應答自激脈衝、地物脈衝及其它干擾脈衝等信號。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。此時探空儀發(fā)送的碼位脈衝，實際上是一串38.4KHz付載波脈衝。因38.4KHz付載波頻率穩(wěn)定度高達10-4—10-5，因此提取可採用濾波法。本解調(diào)器採用高選擇性窄帶（約7KHz）機械濾波器。由於濾波器輸入信號為脈衝方波，因而當付載波過後，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，則每個碼位脈衝中填充16個付載波脈衝。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個付載波脈衝，由電路中W5電位器控制，見圖：碼位脈衝恢復電路是由4098可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路晶片組成。為了達到恢復的目的，則單穩(wěn)延遲時常數(shù)應略大於一個付載波週期。因此，恢復後的碼位脈衝寬度比原碼位脈衝寬半個付載波週期。為保證解調(diào)輸出的碼位脈衝可靠地驅(qū)動後級，則輸出採用電晶體射隨器電路。該級負載電阻採用分壓式電路，是為保證輸出碼位脈衝幅度為5V。解調(diào)板的調(diào)整直接關係到雷達與數(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，但板中的積分器時常數(shù)應根據(jù)本站具體情況進行調(diào)整。其他可調(diào)電位器皆需專用模擬器及相關儀錶方可準確調(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將原始無標誌頻率數(shù)組變換成有標誌的標準頻率數(shù)組，同時提取探空儀編碼。標準頻率數(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）檔，並對標準頻率數(shù)組進行校正，然後通過多功能串行卡“COM5－PIO”（傳JD）及“COM4－SEIO”（傳校正後頻率數(shù)組）傳送到數(shù)值計算板。數(shù)值計算板依據(jù)JD檔和頻率數(shù)組計算出TPU要素真值，並通過“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，雷達時間啟動進行同步時，雷達啟動的＋5V脈衝經(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，中斷回應後數(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”進入主機，啟動主數(shù)據(jù)處理程式，完成測風與探空的時間同步。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接收到啟動命令後立即發(fā)出雷達低電平（－8V左右）複位脈衝（寬度50ms－100ms），經(jīng)數(shù)據(jù)處理板“啟動”口輸至雷達，完成時間同步功能。技術性能表：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雷達座標數(shù)據(jù)傳送速率300bps對主機為輸入信號3雷達輸出的頻率數(shù)組速率2400bps對數(shù)據(jù)處理器為輸入信號4標準頻率數(shù)組傳送速率4800bps對數(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純淨，在雷達數(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衝、雷達主波脈衝及其它干擾。為達到上述目的，一級積分器時常數(shù)應根據(jù)本站具體情況進行調(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)，並利用雷達增益旋鈕使U1A第一腳輸出波形處於弱飽和狀態(tài)；再用示波器探頭測量Q1電晶體射極輸出信號調(diào)整W1電位器，使Q1電晶體射極輸出信號僅有探空脈衝，如b圖：為確保積分器能將非付載波脈衝較徹底消除，則積分時常數(shù)可使付載波脈衝前沿傾斜最大近似可達到付載波脈寬的1/3—1/2之間（約4μs－5μs）。二、放大級的調(diào)整解調(diào)板可回應的最低輸入信號幅度，對701x雷達為1.4V±0.4V。當輸入信號幅度低於800mV時，該信號即不能被解調(diào)板輸出，從而會發(fā)生38.4KHz付載波脈衝信號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，雷達在工作中天線應對準目標。最低要求在接收時，雷達四條亮線高度差不應相差太大。由於在實際探測中視頻輸出包含TPU要素頻率數(shù)組的碼位脈衝、雷達主波脈衝、應答器的應答自激脈衝、地物脈衝及其它干擾脈衝等信號，利用實際信號調(diào)整放大級較難定量的調(diào)整。因而需要採用專用模擬探空儀進行定量的調(diào)整。但在雷達修理後或性能發(fā)生變化時，臺站調(diào)整可按以下方法進行近似調(diào)整：在調(diào)整U1A（LF353）及U3（LF353）放大級時，應將U2A（4069）積分級調(diào)整正確後方可進行放大級的調(diào)整。1、按701x雷達視頻輸出調(diào)整U1A（LF353）及U3（LF353）放大級：（1）在地面接通一個探空儀，調(diào)整雷達頻率到探空儀發(fā)射頻率上，然後用示波器探頭測量C6與R7之間波形。調(diào)整雷達增益使U1A（LF353）放大級輸入信號幅度為1.0V（此時雷達處於“近程”），同時波形應當穩(wěn)定，否則應提高輸出幅度或?qū)走_進行認真調(diào)整。（2）將示波器探頭測量U1A第一腳輸出波形，該波形幅度應處於接近弱飽和狀態(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Q1射極輸出波形峰值幅度未接近≥＋10V時，可適當?shù)卦龃驲9電阻值。（4）當上述的調(diào)整結(jié)束後，再將U1A（LF353）放大級輸入信號幅度調(diào)為近似1.5V（此時雷達處於“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與原1V時的波形近似；若此時伩雜比未達標可微調(diào)W1電位器；若仍無效，只好適當?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與原1V時的波形近似。如此反復調(diào)整，使輸入信號幅度為1.0V～1.5V範圍內(nèi)達到要求。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，則探空儀感測器採集板的CPU在輸出TPU頻率數(shù)字信號的同時輸出與0碼位脈衝同步的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付載波脈衝。由於探空儀感測器採集板輸出的TPU頻率數(shù)字信號傳輸速率為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。為此一個獨立的0碼位脈衝中可填充的38.4KHz付載波脈衝個數(shù)近似為16個脈衝週期。為此調(diào)整W5電位器使Q5輸出完整的16個恢復觸發(fā)脈衝，如圖：

四、恢復電路的調(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)整準確，因此不易調(diào)整。該部分在出廠時已準確調(diào)整?；謴碗娐窉裼每稍儆|發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)晶片完成。為保證恢復穩(wěn)定可靠，則單穩(wěn)態(tài)電路時常數(shù)應略大於38.4KHz付載波脈衝週期。故調(diào)整W6電位器使恢復後的碼位脈衝寬度為440μs＜τ≥430μs（τ為碼位脈衝寬度）?；謴歪岬拇a位脈衝濾波器輸出波形的關係，如圖：

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

數(shù)據(jù)處理器主要技術性能：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雷達座標數(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標準