多波段天气雷达测试集成系统设计与实现.pdf

Jun.2023METEOROSCIENCEANDTECHNOLOGY2023年6 月374第51卷第3期Vol.51,No.3象技科多波段天气雷达测试集成系统设计与实现王箫鹏刘洁陈玉宝邵楠（中国气象局气象探测中心，北京10 0 0 8 1）摘要采用USB3.0集线器与合成仪器、高度集成射频收发硬件，并与开放式可扩展软件相结合，实现对S波段、C波段、X波段天气雷达自动测试。系统软件采用分层模式构架，将测试流程与业务模型相融合，实现了标准化、自动化的测试。通过对发射机输出脉冲包络和极限改善因子测量的对比，集成平台测试精度更高，不需人工记录和计算，对雷达性能的判断更为精准，解决了单一雷达系统测试平台和保障平台的局限性，提高了对全国多波段天气雷达系统的测试效率和敏捷性。关键词多波段天气雷达；测试集成；USB3.0集线器；分层模式中图分类号：P409D0I:10.19517/j.1671-6345.20220369文献标识码：A引言现代气象业务和服务不断深化，气象雷达对灾害性天气和重大活动天气监测的重要性不言而喻1-3。气象部门对天气雷达系统的稳定性和可靠性要求也越来越高，同时对天气雷达系统测试工作也提出了更高的要求和需求。全国布网的天气雷达有S和C两个波段共计2 36 部在网业务运行，单偏振天气雷达测试需求有故障诊断、周维护、月维护、年巡检/年维护，双偏振天气雷达系统测试项目更多，测试方法复杂，测试接口多，需要多种仪器仪表并行使用，而传统的测试仪器仪表使用分散、专用性不够，自动化程度低，测试数据保存困难，雷达系统测试面临多波段融合的迫切需求和现实挑战。张福贵等4-5 介绍一种新型天气雷达接收机动态范围测试集成系统，高度集成数/模转化器、数字下变频处理模块和VPX总线接口，提高了测试结果的准确性。刘洁、蔡宏等6-10 利用新型天气雷达发射脉冲包络检测集成技术，能快速准确对发射机脉冲特性进行测试和检测。舒毅等11-13 介绍了多种可行的便携式数字中频测试系统的硬件测试系统和软件控制程序。王杰等14-16 设计了基于Lab-View的新一代天气雷达测试与故障诊断系统，能够准确快速地控制仪器仪表和测试设备，并实现测试数据的快速分析处理、存储和显示。汪俊、范凯波等17-2 4 介绍了虚拟仪器测试系统的设计在天气雷达接收机和发射机测试中的应用。但现有天气雷达测试技术与全国布网的多波段天气雷达测试需求仍有一定差距，需要具备用于不同波段、不同型号的多种测试设备。自主研发的多波段天气雷达测试集成系统实现了对S波段、C波段、X波段天气雷达系统测试功能集成，可满足雷达测试业务的迫切需求。1复集成系统构架设计1.1系统构架设计多波段天气雷达测试集成系统采用USB3.0总线集线器与合成仪器相互融合，使用高度集成的射频收发硬件系统和具有二次开发能力的开放式可扩展软件，同时与千兆网络交换机相结合，确保了测试集成系统的大数据和高带宽要求，测试集成系统构架设计及平台实物分别如图1a、图1b所示。图la中测试集成系统构架设计为4 部分：雷达综合测试软件系统、嵌人式计算机系统、测量仪器功能组件以及测试适配接口。http:/气象科技重大自然灾害监测预警与防范专项（2 0 17 YFC1501701）资助作者简介：王箫鹏，男，198 7 年生，硕士，高级工程师，主要从事天气雷达保障与标校技术研究，Email：w x p d i s c o v e r y 16 3.c o m收稿日期：2 0 2 2 年9月6 日；定稿日期：2 0 2 3年4 月10 日*通信作者，Email:375王箫鹏等：多波段天气雷达测试集成系统设计与实现第3 期综合测试应用软件(b)(a）-687.957仪器控制软件综合测试数据库工嵌入式计算机系统测量仪器功能组件电压频谱功率波形分析测试测试测试模块模块模块模块模块测试适配接口被测雷达图1测试集成系统构架设计(a)及平台外观结构(b)1.2系统接口与应用层协议系统接口为物理接口和测试信号接口，测试信号接口选用常规的SMA/BNC/N型。应用层协议主要用于测试集成系统与雷达终端、内部测量仪器、外部高精度仪表之间的通信，测试集成系统与雷达交互框图如图2 所示。图2 中雷达终端采用网络通信TCP/IP协议，内部测量仪器和外部高精度仪表采用可编程仪器标准命令（SCPI），测试集成系统与雷达系统之间通过网络通信TCP/IP协议相互发送指令，实现命令和数据的交互。当雷达系统进行机内测试时，测试集成系统自动读取雷达测试数据以及测试日志，当雷达系统进行机外测试时，测试集成系统和雷达系统进行交互指令，通过射频线缆发送和接收测试信号进行测试。频谱分析模块平台嵌入式软件系统波形分析模块1被测雷达系统1USB总线协议测试平台1电压电流测试模块+射频电缆雷达测试端口输入/输出端口1信号产生模块射频电缆+接收机接收信号1平台网口一网络一雷达网口网络通信TCP/IP协议图2测试集成系统与雷达交互2核心单元设计2.1系统核心单元设计测试集成系统核心单元为：显控单元、软件单元、信号中枢单元、加电控制电压、测量单元、工装单元、附件单元，测试集成系统核心单元如图3所示。图3中显控单元包括了主计算机、显示驱动板、触摸屏、按键开关板、本机遥控、待机控制板以及集成系统机箱等；软件单元为分层软件测试系统；加电控制单元为测试集成系统提供电源控制系统；工装单元为预留升级用，能在其中新增测量模块板卡，进行二显控单元软件单元平台州信号中枢单元机加电控制单元测量单元工装单元附件单元图3测试集成系统核心单元376象第51卷技科次开发，扩展测试功能；附件单元主要包括测试电缆、测试功率匹配器件及匹配的检波器、转接头、功分器、衰减器等，实现与被测雷达进行信号输人/输出。2.2信号中枢单元设计信号中枢单元主要采用USB3.0集线器与网络控制模块和网络交换机相结合，信号中枢单元关键技术组成框图如图4 和图5所示。图4 中网络交换机与雷达系统进行通信，雷达系统控制测量单元实现自动测试，测试集成系统主计算机也可通过通信协议在测试状态时控制雷达系统工作，实现自动测试；网络控制模块可连接互联网实现远程遥控。图5中USB3.0集线器为信号中枢单元关键，频谱分析测量、波形测量、功率测量、数字万用表等测量模块及扩展模块、模拟目标模块都汇聚到USB3.0总线；USB3.0总线数据带宽达到10 Gbps作为测量系统的重要控制中枢。测试集成系统主计算机网络交换机网络控制系统USB3.0集线器连接雷达等连接远程遥控连接测量模块被测件网络与工装模块图4信号中枢组成J1（输入示波器板卡CH1）单刀双掷开关J2（平台示波器CHO输入口）(DG3257)同轴检波器射频-J3（备用）+单刀双掷J4（平台射频输入口RFin1）射频-TTL电平转换现场可编程门USB3.0J5（平台射频输入口双刀器阵列集线器RFin2)双掷(74LVC1T45)(XC7K325T)射频J6（输入功率计板卡）4单刀J7（输入频谱仪板卡）4双掷直流电源转换J8（+2 8 V 供电输出）4器J9（触发输入）TTL电平转换器(74LVC1T45)J10（触发输出）4图5信号中枢结构设计2.3测量单元设计测量单元核心主要有频谱分析测量模块、信号源模块、功率测量模块、波形测量模块、数字万用表模块、时钟控制模块、调制器模块、功放模块、射频开关模块。频谱分析测量模块用于发射机、频综、接收机等射频信号频谱测量。信号源模块主要用于测量接收机灵敏度、接收机动态范围、系统强度、差分反射率、差分传播相移等，与频谱分析模块配合可以测量波导损耗、电缆损耗、隔离器与定向耦合器等器件性能指标。功率测量模块主要用于测量发射前级、发射输出峰值功率。波形测量模块主要用于测量发射前级、发射输出高频包络，以及各分系统关键点波形。数字万用表主要用于测量被测件电压、电流、温度、频率、电阻等；各模块均可独立使用。信号产生与频谱分析为测量单元的重要核心，信号产生与频谱分析设计如图6 和图7 所示。图6 中为确保信号产生模块的噪声性能，使用3个基于频段分段设计的信号产生模块，可分别单独产生S波段、C波段及X波段信号，用模拟开关实现对不同频段信号的选择；图7 中主要实现S波段、C波段雷达信号的频谱377王箫鹏等：多波段天气雷达测试集成系统设计与实现第3 期分析，集超外差低噪声变频技术、直接数字频率合成技术、高速高精度模数转换技术、高性能数字信号处理技术及通信技术于一体，信号经变频、模数转换、基于频谱的数字信号处理后通过USB3.0集线器通信接口传输至终端，用于频谱波形显示及测量参数计算等。S波段信号产生10MHzOSC模块RfoutlCLK inC波段信号产生时钟选择功分器模拟开关功分器10MHz模块CLKoutX波段信号产生Rfout210MHz模块图6信号产生设计RFin隔直器S波段变频单元USB3.08030MHz中频信号频谱分集线器10MHzOSC单刀双掷开关功分器单刀双掷开关析模块CLK时钟选择C波段变频单元10MHz直接式频率合成230240MHz器CLK图7频谱分析设计2.4主要硬件技术指标测试集成系统嵌人的仪表主要有信号源、频谱仪、示波器、功率计、数字万用表等用于满足对S波段（2.7 3.1GHz）、C 波段（5.35.7 GHz）、X波段（9.39.5GHz)天气雷达系统关键参数综合测量，满足详见表1主要硬件合成仪表及技术指标。表1三主要硬件合成仪表及技术指标指标技术要求最小测量脉宽10ns最大采样率1 GSa/s波形测试垂直精确度3%200V时基精确度2010-6边沿触发灵敏度从直流到50 MHz0.6格测量功率类型平均功率/峰值功率测量范围-35+20dBm功率测试功率测量相对精度0.2dB或4.5%示值分辨率0.01 dB最小可测脉宽10ns信号形式连续波，脉冲调制输出功率范围-110 dBm+15dBm电平分辨率0.1 dB信号产生技术连续波模式时绝对电平精度0.6 dB(10 dBm+10 d Bm)频率分辨率0.1Hz单边带相位噪声-110dBc/Hz（Fc=3G H z，10 k H z 频偏）调制方式最小调制脉冲宽度0.5sZDR测量精度0.06dB双通道一致性测试PDP测量精度0.5378象第51卷技科3系统软件设计充分考虑软件系统的自动化、稳定性和扩展性要求，系统软件构架采用分层模式2 5，使用业界主流软件开发，测试集成软件系统构架如图8 所示。图8 中外部雷达为多波段雷达系统需要的接口协议及返回值数据对象；API控制为被动调用模式，开放了所有可以通过UI操作的接口，完成接口自动化操作；协议解析模块对仪表协议解析以及报表的相关协议解析；数据分析模块统一了分析接口，每个数据类型单独处理；通信服务将收到的数据先放入Redis，然后通知解析服务和介人，解析服务的同时保存原始数据和分析后的数据。软件内置标准测试流程（系统登录系统模块自检选择测试选项或诊断内容按流程提醒连接线缆或器件完成测试或诊断自动生成测试报表），减少了测试过程中人工干预的影响，同时也提升了测试效率。UI外部雷达主界面发射频谱发射频谱数据显示与控制服务：按照页面划分控制器，httpshttps服务含所有页面控制器数据显示控制API控制发射频谱发射功率发射频谱发射功数据服控制指令数据解析服务：公共模块务层服务具备所有类型数据解析能直接下发力，每种类型数据独立处理协议解析模块数据解析服务数据提取服务数据分析模块发射频谱发射功率示波器功率计发射波形频谱仪数据缓存服务(redis)持久化层消息通知解析显示数据日志通信服务通信发送模块通信接收模块原始数据仪表通信口外接高精度仪表图：测试集成软件系统架构4实测对比本文以对某S波段天气雷达发射机输出脉冲包络和输出端极限改善因子测试为例。4.1发射机输出包络测量对比分别用外接示波器和测试集成系统对发射机输出包络进行测量，结果如表2 所示。相对于外接示波器，测试集成系统不需要对发射脉冲包络进行大量的测试读数和计算操作，能够直观显示出发射脉冲包络指标的上升沿、下降沿和正脉宽，并能自动计算出发射脉冲包络顶降。表2发射脉冲包络测量指标对比测量仪器t/str/nst/ns8/%Tektronix窄脉冲1.602032022.1MSO2024宽脉冲4.722671793.0测试集成系统窄脉冲1.561401475.6宽脉冲4.701931889.4注：t为发射脉冲宽度tr、z f分别表示脉冲包络的上升、下降沿；为包络顶部降落。4.2发射机输出极限改善因子测量对比分别用外接频谱仪和测试集成系统对发射机输出端频谱进行测量。采用频谱仪测量时，不能直接显示出测量指标结果，同时还需要多次进行人工记379第3 期王箫鹏等：多波段天气雷达测试集成系统设计与实现录和再次计算，采用测试集成系统测量时能够自动计算出参数指标的结果，直观显示发射机输出信号频谱的信噪比S/N和极限改善因子指标I等内容。测试两部设备设置的分析带宽RBW均为3Hz。测试结果对比如表3所示，表3中重复频率F为1282Hz时测试集成系统的信噪比为7 9.7 6 dB，极限改善因子为53.4 5dB；重复频率为6 4 4 Hz时测试集成系统的信噪比为8 1.18 dB，极限改善因子为57.86dB，由于测试集成平台体积、功耗的限制和带宽的限制稍弱于外接仪器，对频谱测量将会进行技术优化。表3极限改善因子测量指标对比重复频率分析带宽信噪比极限改善因子测量仪器HzHzdBdBAgilent644382.5459.22E445A1282381.8155.51测试集成系统644381.1857.861282379.7653.465结论自主研发的多波段天气雷达测试集成系统充分利用目前成熟的测量技术，实现基于标准USB3.0集线器模块化硬件、软件分层模式设计的测试项可编辑、一键自动测试和远程遥控测试，能够覆盖S波段、C波段、X波段天气雷达，实现了组网多波段天气雷达系统的周维护、月维护、年维护等业务规定定标项目自动测试，又能满足对雷达独立组件、部件及关键器件等脱机测试、检测需求，提高了对天气雷达系统的保障效率和测试准确性。未来会在极限改善因子参数测量中采用高分辨频谱测量技术进行优化，并进一步提升多波段测试集成系统的智能测试和雷达故障诊断能力。参考文献1陈亚军，梁海河，张乐坚，等.新一代天气雷达晴空回波反射率因子特征分析J.气象科技，2 0 2 2，50（3）：30 3-313.2吴剑坤，黄初龙，雷蕾.2 0 0 1一2 0 18 年北京地区暴雪天气雷达回波特征分析J.气象科技，2 0 2 1，4 9（1）：10 7-113.3徐八林，杨卫洁，徐舒扬，等.C波段高山天气雷达对森林火灾的探测能力初析J.气象，2 0 2 0，4 6（8）：1113-112 1.4 张福贵，何健新.新型天气雷达接收机动态范围测试集成系统J.现代电子技术，2 0 18，4 1（18）：8 0-8 3.5杨苏勤，汤达昌，谢启杰，等.一次典型CINRAD/SA接收机动态范围异常分析与处理J.气象科技，2 0 13，4 15）：97 0-97 3.6刘洁，陈玉宝，王箫鹏，等.天气雷达移动测试保障平台自动智能化测试设计及实现J.气象科技，2 0 2 2，50（4）：50 0-50 5.7 刘永强，梁华。基于便携式雷达维修测试平台的高稳时钟源设计J.气象科技，2 0 2 2，50（4）：50 6-511.8熊峰，潘雪，刘颖，等.C波段天气雷达巡检报告自动生成系统的设计与实现J.气象科技，2 0 2 1，4 9（2）：30 3-30 7.9李俊，蔡宏，聂成，等.雷达现场测试与诊断移动平台在业务上的应用.气象水文海洋仪器，2 0 18，35（2）：4 1-51.10蔡宏，程昌玉，秦建峰，等.便携式雷达现场测试和诊断移动系统设计及应用J.气象科技，2 0 17，4 5（5）：938-94 3.11舒毅，李宏图，林岚，等.CINRAD/SA雷达天线座动态故障分析J.气象科技，2 0 16，4 4（2）：192-196.12 李强，刘永亮，於莹.CINRAD/SA雷达接收机故障分析J.气象研究与应用，2 0 14，35（3）：10 0-10 2.13舒毅，杨苏勤，舒童，等.CINRAD/SA雷达控制序列超时故障分析J.气象科技，2 0 12，4 0（6）：8 96-90 1.14 王杰，何健新.基于LabVIEW的新一代天气雷达测试与故障诊断系统设计J.气象科技，2 0 12，4 0（6）：90 2-90 5.15罗红，罗旭，马浩，等.CINRAD/CD型天气雷达发射机调制系统故障诊断技术.气象科技，2 0 12，4 0（5）：7 2 7-7 30.16 刘光普，梁莺，吴昌，等.基于LabVIEW的CINRAD发射系统参数远程自动测试系统J.气象科技，2 0 17，4 5（3）：435-439.17 汪俊，高玉春.虚拟仪器在天气雷达接收机测试中的应用J.气象科技，2 0 13，4 1（6）：998-10 0 2.18 潘新民，尹春光，崔炳俭，等.CINRAD/SA(B)发射机触发器芯片级故障诊断流程J.气象科技，2 0 18，4 6（3）：4 4 3-4 4 9.19叶勇，刘颖，张维。一次CINRAD/CC雷达接收机频率源故障诊断J.气象科技，2 0 13，4 1（1）：32-36.2 0 曾广宇，郭泽勇，杜云东，等.基于双信号源的双偏振雷达接收机故障诊断技巧J.气象科技，2 0 2 1，4 9（1）：139-14 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improvement factor,the integratedplatform has higher test accuracy,no manual recording and calculation are required,and the judgment ofradar performance is more accurate,which solves the limitations of a single radar system test platform andsupport platform,and improves the test efficiency and agility of the national multi-band weather radarsystem.Keywords:multi-band CINRAD;test integration;USB 3.0 hub;layered mode欢迎订阅气象科技气象科技由中国气象局气象探测中心、中国气象科学研究院、北京市气象局、国家卫星气象中心及国家气象信息中心联合主办。报道大气科学和相关科学各领域新理论、新方法和新技术，也刊载反映大气科学各领域发展水平的综合评述。主要栏目：大气探测与信息技术，天气气候与数值预报，应用气象与科学试验，台站实用技术等。欢迎气象部门和相关学科的业务、科研、技术开发人员以及相关院校师生投稿和订阅。气象科技为大16 开本双月刊，全年定价：12 0 元，全年随时订阅。联系地址：北京市海淀区中关村南大街4 6 号，中国气象局气象探测中心，气象科技编辑部http：/w w w.q x k j.n e t.c n，邮政编码：10 0 0 8 1,电话：[phone],Email：q x k j c ma.g o v.c n户名：中国气象局气象探测中心，账号：4 0 4 32 0 0 0 0 18 1990 0 0 2 552 5，开户行：华夏银行北京紫竹桥支行