天气雷达天线无线电子水平校准装置的设计与实现

安克武，高 原，王 龙，张春雷，贾木辛

(新疆气象技术装备保障中心，乌鲁木齐830011)

0 引言

新一代天气雷达水平校准一直是由人工操作来完成，由于天气雷达天线单元安装在天线罩中，且天线转台支撑柱较高，人工操作完成天线水平校准存在两个问题：一是天线单元外面有一个天线罩，天线罩里面灯光昏暗，使用合相水平仪进行人工读数存在视觉差异，且读数时间较长，需要人工记录水平仪读数，通过人工转换计算才能得出当前水平位置的水平读数，工作效率很低；二是天线转台支撑柱较高，人员攀爬在转台顶部，读取天线水平读数时人员天线转台一起转动，存在极大的人身安全隐患。为了解决天线校准读数误差大和人员安全隐患两个问题，文章提出了雷达天线无线电子水平校准装置的设计思路和方案，并从系统的硬件设计、软件设计和系统集成调试3个方面，详细介绍了装置的基本工作原理。将该装置与人工合相水平仪校准天线水平进行对比，从数据误差和人员操作安全性及方便性等方面进行比对分析。该装置已研制成功并投入了实际应用，切实提高了雷达天线水平校准的精确度和工作效率，消除了人工操作的安全隐患。

1 装置设计思路

2002-2014年，新疆C波段新一代天气雷达天线水平检查校准都是由人工使用合相水平仪进行校准。由于天线转台距离地面高度较高，平均高度约6 m，个别台站高度达8 m，攀爬到天线转台进行天线水平校准，不仅存在人员安全隐患，且人工读取水平仪数据误差较大。针对实际工作情况文章提出了雷达天线无线电子水平仪装置[1-3]的设计思路：

1)设计一个直流电源电池供电的电子水平仪，将电子水平仪放置在天线转台上替代合相水平仪，避免人工操作合相水平仪繁琐以及读数误差问题。

2)设计一个数据无线发送装置，将电子水平仪当前显示的雷达天线水平数据，通过串口发送出来。数据发送装置安装在电子水平仪的串口，与电子水平仪共用直流电源电池，数据无线传输有效距离可达50 m。

3)设计一个数据无线接收装置，接收雷达天线水平转台上数据无线发送装置发送的天线水平仪的测量数据。数据无线接收装置安装在笔记本电脑(或台式电脑)的USB口上。

4)设计一个数据处理软件，软件具备接收无线接收装置发送的数据，并实时在计算机终端上显示，且能自动处理雷达天线4个方位的水平差值，即0°～180°、45°～225°、90°～270°、135°～315°水平线的水平误差值。

2 装置设计原理

由装置的设计思路可以确定，该装置设计单元分4个部分：雷达水平数据的获取、发送、接收和处理。装置组成框图如图1所示。

图1 雷达电子水平仪校准装置组成

2.1 电子水平仪设计技术

电子水平仪是一种小角度测量仪器，广义上，它可以测量导轨的直线度和平板的平面度，也可以测量平板的水平。该测试装置的传感器采用差动电容式传感器，分度值可达0.001 mm/m，由一定质量的圆盘挂在电极的弹片上，圆盘与电极之间形成一个差动电容，片簧圆盘就成为差动电容传感器的动极片[4，5]。

2.1.1 差动电容传感器测角原理

设计采用倾角传感器为专门设计定制的差动电容传感器，其结构如图2所示。两个平行固定极板与水平仪底座、测量平面固定在一起，动极板由悬丝悬挂，当被测平面有一定倾斜时，由于重力作用，动极板始终保持竖直状态，与一个固定板极的极距减小，而与另一个板极极距增大，形成差动输出，由于所测倾角变化很小，可以认为动板极与固定板极之间始终平行。

图2 差动电容式传感器结构

1)电容传感器工作原理

电容式传感器的电容量可以表示为：

(1)

式中，C为电容容量；ε为介电常数；S为极板面积；d为板极间距。将介电常数和极板面积作为输入量，传感器的传递关系式为线性，板极间距与电容的变化是非线性关系。

当板极间隙d减小Δd，电容C将增加ΔC，电容增加值为：

(2)

(3)

(4)

2)差动电容传感器特性方程

由图2可知，当水平仪的倾角发生变化时，意味着移动板极和固定板极之间的间距发生变化，传感器板极间隙d减小Δd，电容器C1的间隙变为d1=d-Δd，增加电容的特性方程：

(5)

电容器C2的间隙变为d2=d+Δd，减少电容特性方程：

(6)

假定ΔC=ΔC1=ΔC2，则差动电容传感器的特性方程：

(7)

由式(7)可知，水平仪倾角位移的变化Δd与电容相对变化ΔC/C是非线性关系。

2.1.2 微电容信号检测技术

由于电子水平仪的测量精度达到0.001 mm/m，传感电容的变化量仅有几皮法或几十皮法(电容单位pF)，而工作环境干扰、导线布设、温度等因素对寄生电容的影响比传感器电容要大很多，为了把微小的可用电容信号提取出来，本装置采用了高分辨力的信号处理电路，电路组成框图如图3所示。其中电桥转换为电容和电阻构成的桥式电路，可以将图2中左边的固定板极与移动板极定义为电容C1，右边的固定板极与移动板极定义为电容C2。当雷达天线水平发生变化时，电容C1和C2有变化，电桥不平衡从而输出电压，经过放大采样输出到微处理器，再经过温度和非线性补偿得到当前的电子水平仪的水平值。

图3 差动电容式传感器电路组成

2.1.3 非线性处理、温度补偿技术

2.1.3.1 非线性处理

差动电容式传感器输出的信号并非完全与极距(动板极与固定板极之间变化的间距)变化成线性关系。由式(7)和图3中电桥的差动电容相对变化ΔC/C转化为电压信号Uo1可以得知，水平仪倾角位移的变化Δd与电容相对变化ΔC/C是非线性关系，表明水平仪倾角位移的变化Δd与电桥电压信号Uo1也呈非线性关系。为了使输入量与输出量之间呈线性关系，必须采取线性处理措施。为降低成本，提高可靠性，本装置采用软件方法进行线性化矫正，常用的软件矫正方法有矫正函数法、查表法、二次抛物线法和线性插值法。文章采用线性插值法，将非线性曲线a=f(u)(a表示倾角；u表示经A/D转换后的两个采样电压的比值)按准确度要求分成n段，用n段折线代替曲线，分段基点为ai、ui，在标定过程中，将各个分段基点先存为表格，供插值计算时使用。需要注意的是a=f(u)曲线(可由标定装置试验得出)划分时并非均匀划分，而是根据准确度要求进行划分，在矫正曲线曲率较大的地方段数划分相对较密。理论上来说，划分的段数越多，得到的结果就越精确，但计算所需时间就越长，即仪器稳定时间越长，因此n的数值要选择恰当。

2.1.3.2 温度补偿处理

由于差动电容式传感器输出零点与灵敏度都是环境温度的函数，因此均随温度变化而变化。为了减小温度对该装置的影响，装置采用温度补偿办法降低温度的变化对装置测量数据的影响。文章选用线性温度传感器REF02作为测温元件对仪器进行温度补偿，同时利用查表的方法进行软件补偿。

1)差动电容输出电压Uo1(电桥输出)与Uo2(激励电压)之间的关系：

(8)

式中，R为电桥电阻；d为电容器两级间间距；Δd为电容C1和C2之间移动极板的距离变化量；ω为激励源角频率；ε为电介质常数；S为电容器极板面积；Uo1为电桥不平衡电压输出；Uo2为激励源电压。

令d+jωRεS=K，则jωRεS=K-d，则式(8)变为：

(9)

因为K2≫Δd2，所以式(9)可简化为：

(10)

式中，s为测试装置的灵敏度。

2)温度硬件和软件补偿处理

式(9)是在没有考虑环境温度的变化情况得出的，在实际的电子水平仪系统中，检测系统的输出零点及灵敏度都是环境温度的函数，都随着温度T的变化而变化；因此上式应修正为：

(11)

式中，S(t)为电桥的灵敏度；U0(t)为电桥的输出零点。装置仪器的输入量与输出量的关系可表示为：

γ=K2(S(t)Δd+U0(t))

(12)

式中，γ为装置仪器最终输出量；K2为传感器后续放大电路的放大倍数，与量程有关。

由式(11)可以看出，影响灵敏度的因素主要有：激励源电压幅值、激励源电压频率和电介质常数等。在软件方面采用查表的方式对水平仪进行温度补偿，即将A/D转换后的测量数据做适当的变换后与灵敏度温度系数与零点偏置温度系数矢量表的地址建立一一对应的关系。因此建立电桥灵敏度温度系数及零点偏置温度系数的矢量表是关键的步骤，该矢量表需要小角度水平仪通过标定测试求出灵敏度温度系数及零点偏置温度系数，且存放在固化芯片中随时转换调运。

2.1.4 数据显示输出

差动电容传感器动板极与固定板极之间变化的间距数据，通过微小电容电路检测处理，再经过非线性处理和温度补偿处理，分成两路输出，一路输送至液晶显示面板直接显示当前的水平变化值，另一路转换成串行数据通过串行口或者USB输送至无线数据发射器，进行无线发送。

2.2 数据无线发送和无线接收装置设计技术

目前无线通信技术发展很快，具有集成化、低功耗和易操作等特点。本装置采用微功率短距离无线数据传输技术完成了电子水平仪水平数据的接收和发送。数据无线通信收发装置主要由单片射频收发芯片、微控制器、电源模块和串口转USB模块等组成。天线接收灵敏度为-110 dBm，发射功率为-30～1 dBm，结构框图如图4所示。

图4 数据无线通信收发装置组成

2.3 数据处理软件设计技术

通过软件设计，将无线接收装置接收到的数据处理后显示在计算机终端上，同时以文本文件的格式存储在本地计算机文件夹。自动处理雷达天线4个方位方向水平差值，即0°～180°、45°～225°、90°～270°、135°～315°水平线的水平误差值，当误差值超过规定误差值时自动弹出提示信息，提示保障人员需要进行雷达天线水平校准，同时将误差值显示在终端并保存为相应的文件。软件其他功能包括串口参数的设置、雷达站点参数的设置等。

2.4 系统测试及调试

1)将电子水平仪开启后，放置在雷达天线支撑柱天线转台平面上；2)在雷达主机室开启笔记本电脑，并在电脑的USB口插入数据接收模块；3)启动天线水平校准软件，设置串行口，设置完成后天线水平仪校准装置的水平数据将自动显示在终端屏幕上；4)将雷达天线仰角设置为0°并保持不变；5)将雷达方位分别设置为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，同时在每个方位角读取雷达天线水平值；6)分别比较0°～180°、45°～225°、90°～270°、135°～315°水平线的水平误差值，如果水平误差值在合理范围内说明雷达天线水平保持良好，不需要校准，否则根据水平误差值调整雷达天线支撑柱与水泥预制件相固定的螺丝，直到雷达天线水平误差值在合理范围内为止。

3 实际应用比对分析

2015—2020年，新疆13部天气雷达的水平校准全部采用该校准装置。在实际应用中，分别从数据测量精度、人员操作安全性和方便性以及工作效率3个方面进行比对分析(表1)。

由表1数据可以得出，电子水平校准装置与合相水平仪相比，具有测量精度高、人员操作简单、无人员安全隐患、效率高和数据准确等明显特点。

表1 合相水平仪与电子水平仪校准装置功能比对

4 结束语

雷达天线无线电子水平校准装置的设计，不仅需要电容传感器、电容电桥电路和信号放大处理等硬件电子技术，还需要解决差动电容传感器电容相对变化输入与电桥输出电压非线性关系问题；为了提高测量精度，需要解决工作环境温度对该装置的灵敏度和系统输出零点数据的影响等技术难题。另外，还需要无线通信技术和计算机数据库及编程技术。在设计此装置时应注意以下方面：

1)在设计电容检测电路时，为了防止激励源输出失真电压波形以及减少干扰信号对差动电容传感器输出信号的干扰，采用精密高质量的激励信号发生器，保证输出的电压波形不因环境温度的改变而发生变化，并且电压信号采样同步工作；

2)在进行温度补偿处理，建立电桥灵敏度温度系数及零点偏置温度系数的矢量表的过程中，特殊点不能选取太多，否则将影响装置的稳定时间，但也不能选取太少，否则将降低装置准确性，应合理选择。

雷达天线电子水平校准装置设计原理简单，替代了合相水平仪人工操作读数的雷达天线水平标定模式，提升了雷达标定自动化水平、工作效率和测量精度，最大程度保证了工作人员人身安全。2014年在新疆15部天气雷达(含兵团)保障维护进行业务应用，2015-2019年在全国31个省市气象系统进行推广应用，用户普遍反映使用效果很好。