400M数字式电子探空仪接收硬件课件

400M數字式電子探空儀接收硬體第一節基本工作原理

一、組成：由400M數字式電子探空儀、雷達數據解調板、數據處理器。二、工作原理：TPU感測器將氣象要素物理量變換成電脈衝量，然後輸至數字採集板變換成數字信號輸至無線電應答器，經載波調製後，將探測數位化數據資訊發送到地面站。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定工作，注水電池組輸出的＋26V經7824三端穩壓器輸出＋24V電壓對無線電應答器供電。＋24V再經78L05三端穩壓器輸出＋5V對採集板供電。TPU感測器輸出的六組頻率的含義如下：fs：探空儀保溫盒內的溫度，作為對壓力敏感元件溫度修正的依據。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、數字採集板功能：

將VaisalaRS80TPU感測器輸出的TPU模擬脈衝信號轉換成數字信號及0碼位脈衝38.4KHz的付載波輸出，同時輸出時分控制信號。數字採集板由輸入電路、採集/變換電路及付載波調製等電路組成。原理框圖：

4、探空儀檢定係數探空儀檢定係數是數據處理器將探空儀發送的頻率變換成TPU要素真值的依據。探空儀檢定係數格式如下：第一行：A字頭數組為探空儀編碼，該編碼是自動尋找該檢定係數的依據。第二行：數組為探空儀編號，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。第五十行—第七十二行：即JU0—JT5，為TPU修正係數。第七十三行—第七十四行：即XZ1—XZ2止，為頻率修正係數。在每開一箱探空儀時，需將該箱探空儀檢定係數光碟數據複製到探測數據處理軟體中的JD檔夾中。當檢定係數光碟出現問題時，檢定係數可利用配發的檢定係數表人工輸入到JD檔夾中。第二節GTC1-4型高空數據處理器GTC1-4型高空數據處理器與400M數字式電子探空儀及701二次測風雷達配合，將探測的TPU即時頻率數據變換成TPU氣象要素值及系統修正，並採用RS232c串行通訊標準傳送到數據終端。一、結構

GTC1-4高空探測數據處理器原理框圖：GTC1-4高空探測數據處理器由雷達數據解調板和數據處理器所組成。數據處理器由數據處理板、數值計算板及電源所組成。二、功能：（1）雷達數據解調板：將雷達檢波輸出的探空數組視頻信號，通過放大、積分、積累恢復出探空頻率數組。傳送速率為2400bps。（2）數據處理板：將解調板輸出的無識別字的探空頻率數組變換成具有識別字的頻率數組。傳送速率將2400bps變換成4800bps

（3）數值計算板：將數據終端主機輸送來的代時間的經校正的探空頻率數組變換成氣象要素數據；並對其輸出的氣象要素數據進行溫度、基點修正。三、數據處理器指示燈說明：

1、視頻指示燈：指示雷達解調板是否有原始探空頻率數組輸出。當該指示燈無指示時，說明解調板或雷達相關電路發生故障。2、TPU數組指示燈：該指示燈指示數據處理器“數值計算板”輸出的TPU數組輸出是否正常。當該指示燈無指示時說明“數值計算板”無TPU要素數組輸出3、啟動指示燈：該指示燈指示時間啟動狀態。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（常態為5V）對信號處理板進行中斷，以使TPU數據出現時間與雷達座標時間嚴格同步。4、f數組指示燈：該指示燈指示數據處理器“數據處理板”輸出的代識別字的探空頻率數組輸出是否正常。當該指示燈無指示時，說明“數據處理板”發生故障5、OK指示燈：指示數值計算板是否正常；同時指示主機輸出的校正後的探空頻率數組已進入該板。當該指示燈無指示時，說明“數值計算板”發生故障或校正後的探空頻率數組未輸入。6、ER指示燈：“數值計算板”發生故障指示。當該燈顯示紅色時，表示“數值計算板”已發生故障。7、I/O指示燈：該指示燈指示數據處理器“數值計算板”輸出的TPU數組輸出是否正常。當該指示燈無指示時，說明“數值計算板”無TPU要素數組輸出。第三節雷達數據解調板結構與原理一、原理結構圖：該雷達數據解調板同時適用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據解調板，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，雷達數據解調板中“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：解調板的功能是，保證在各種信號中可靠地提取出探空儀發送的TPU要素頻率數組的碼位脈衝。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。為使探空儀發送的TPU要素頻率數組的碼位脈衝具有較強的抗干擾能力，探空儀在發送碼位脈衝之前，將由晶體振盪輸出的38.4KHz付載波調製到碼位脈衝上。此時探空儀發送的碼位脈衝，實際上是一串38.4KHz付載波脈衝。因38.4KHz付載波頻率穩定度高達10-4—10-5，因此提取可採用濾波法。本解調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，而產生衰減振盪。探空儀發送的頻率數組速率為2400bps，則每個碼位脈衝中填充16個付載波脈衝。為此為保證解調出的碼位脈衝寬度不發生變化，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可再觸發單穩態觸發電路晶片組成。為了達到恢復的目的，則單穩延遲時常數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。為保證解調輸出的碼位脈衝可靠地驅動後級，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。解調板的調整直接關係到雷達與數據處理器工作的品質。因而該板的調整在出廠前業已調整好，但板中的積分器時常數應根據本站具體情況進行調整。其他可調電位器皆需專用模擬器及相關儀錶方可準確調整。第四節數據處理器數據處理器由信號處理板（實際是一塊輸入信號轉接板）、數據處理板、數值計算板及電源板所組成。組合信號流程及供電示意圖：雷達解調板輸出的原始頻率數組經數據處理板“視頻”口輸至數據處理板CPU“RXD”口，數據處理板CPU將原始無標誌頻率數組變換成有標誌的標準頻率數組，同時提取探空儀編碼。標準頻率數組及探空儀編碼通過數據處理板CPU“TXD”口，經信號處理板“CH1”至主機多功能串行卡“COM3”發送給主機。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”（傳校正後頻率數組）傳送到數值計算板。數值計算板依據JD檔和頻率數組計算出TPU要素真值，並通過“COM5－PIO”輸至主機。數值計算板輸出的要素真值全部都經過基點和溫度修正。主機計算出基值測定的結果，通過“COM5－PIO”傳送給數值計算板。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脈衝經數據處理板“啟動”口傳至數據處理板CPU申請中斷，中斷回應後數據處理板CPU輸出的啟動命令通過數據處理板“CH3”經主機串行卡“COM6”進入主機，啟動主數據處理程式，完成測風與探空的時間同步。其二，主機探測數據處理主程序發出時間啟動命令，該命令通過主機串行卡“COM6”，再經數據處理板“CH3”傳送到數據處理板CPU上，CPU接收到啟動命令後立即發出雷達低電平（－8V左右）複位脈衝（寬度50ms－100ms），經數據處理板“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對數據處理器為輸入信號2雷達座標數據傳送速率300bps對主機為輸入信號3雷達輸出的頻率數組速率2400bps對數據處理器為輸入信號4標準頻率數組傳送速率4800bps對數據處理器為輸出5校正後頻率數組傳送速率4800bps對數據處理器為輸入信號6TPU要素真值傳送速率19200bps對數據處理器為輸出7命令19200bps對數據處理器為輸入信號8時間啟動信號5v（或±12V）對701x（對701c）第五節硬體系統的調整一、積分器的調整為保證輸出的探空信號純淨，在雷達數據解調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，一級積分器時常數應根據本站具體情況進行調整。調整方法如下：1、在地面接通一個探空儀，用示波器探頭測量雷達數據解調板上的U1A第一腳輸出波形信號是否有如（a）圖所示波形出現，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；再用示波器探頭測量Q1電晶體射極輸出信號調整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、放大級的調整解調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板輸出，從而會發生38.4KHz付載波脈衝信號遺漏而造成碼位脈衝發生斷裂，使數組發生亂碼。為此，雷達在工作中天線應對准目標。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，利用實際信號調整放大級較難定量的調整。因而需要採用專用模擬探空儀進行定量的調整。但在雷達修理後或性能發生變化時，臺站調整可按以下方法進行近似調整：在調整U1A（LF353）及U3（LF353）放大級時，應將U2A（4069）積分級調整正確後方可進行放大級的調整。1、按701x雷達視頻輸出調整U1A（LF353）及U3（LF353）放大級：（1）在地面接通一個探空儀，調整雷達頻率到探空儀發射頻率上，然後用示波器探頭測量C6與R7之間波形。調整雷達增益使U1A（LF353）放大級輸入信號幅度為1.0V（此時雷達處於“近程”），同時波形應當穩定，否則應提高輸出幅度或對雷達進行認真調整。（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。（3）將示波器探頭測量Q1射極輸出波形，調整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，可適當地增大R9電阻值。（4）當上述的調整結束後，再將U1A（LF353）放大級輸入信號幅度調為近似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W1電位器；若仍無效，只好適當的降低R9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。如此反復調整，使輸入信號幅度為1.0V～1.5V範圍內達到要求。此時U1A（LF353）及U3（LF353）放大級調整工作結束。三、濾波器的調整：濾波器的調整首先用示波器探頭測量D6與R27之間波形幅度，調整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，實際探空儀發射的TPU頻率數字信號為一串串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付載波脈衝個數近似為16個脈衝週期。為此調整W5電位器使Q5輸出完整的16個恢復觸發脈衝，如圖：

四、恢復電路的調整：該電路的調整，與切割電路的調整一樣，必須使用專用信號方可調整準確，因此不易調整。該部分在出廠時已準確調整。恢復電路採用可再觸發單穩態觸發晶片完成。為保證恢復穩定可靠，則單穩態電路時常數應略大於38.4KHz付載波脈衝週期。故調整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）。恢復後的碼位脈衝濾波器輸出波形的關係，如圖：

第六節數據處理器與雷達及主機的連接數據處理器與701A或B雷達及主機的連接示意圖，見圖：

數據處理器主要技術性能：序號項目要求備注1視頻信號≥4.5V對數據處理器為輸入信號2雷達座標數據傳送速率300bps對主機為輸入信號3解調輸出的數組傳送速率2400bps對數據處理器為輸入信號4標準