栅控行波管雷达发射机的控制与保护

摘要：文章介绍了利用计算机、数据库等技术，面向业务科研需要，建立基于基数据的西藏地区多普勒天气雷达资料管理及共享服务系统的实现方法。
关键词：多普勒雷达；基数据；管理 
中图分类号：tl822+.6   文献标识码：a  文章编号：1007-9599 (2010) 04-0000-02
design and implementation of information management and sharing system based on raw data of tibet doppler radar
li chunyan,liu yong,ciren cuomu
(tibet meteorological information&network center,lhasa  850000)
abstract:this paper introduces the use of computers,database technology, business-oriented research needs to establish basic data on tibet doppler weather radar data management and sharing system realization.
keywords:doppler radar;raw data;management
一、引言
新一代多普勒天气雷达（cinrad）采用了目前世界上先进的雷达技术、计算机技术、数字信号处理以及图像处理等高新技术，具有全天候和高时空分辨率的探测能力，是监测跟踪中小尺度天气系统发生、发展、成熟、消亡过程的有效探测工具。对多普勒天气雷达资料的广泛应用可以大大加强对中小尺度天气系统的探测和预警能力，为开展短时灾害性天气系统及洪涝灾害的监测和预警、人工影响天气、中尺度数值预报奠定坚实基础。
随着中国气象局“新一代天气雷达发展规划”的全面实施，西藏地区已相继建成了四部多普勒天气雷达，并逐步投入业务运行。建立有效收集、管理、使用多普勒天气雷达资料系统，实现资料的共享，是最大限度地发挥新型探测设备作用的关键。
二、西藏地区多普勒天气雷达资料的管理及共享系统的实现
（一）系统设计原则
针对目前西藏地区多普勒天气雷达资料管理分散、无统一的数据管理系统、资料使用效率不高等问题，面向业务科研需要，设计合理的多普勒雷达资料管理策略，对资料进行有效的存储管理，并搭建资料管理和共享服务系统，通过网络将资料进行方便、快捷的共享。
（二）数据管理策略
多普勒天气雷达资料主要包括基数据（既雷达体扫文件，该数据含雷达反射因子z、径向风速度v、谱宽w等信息，为二进制文件格式），还有基于基数据经过各种气象算法和数字图像处理生成的产品，如：组合反射率因子(cr)、垂直液态水(vil)、回波顶(et)、谱宽剖面产品(scs)等丰富的天气雷达二次产品。由于多普勒天气雷达基数据数据量大，一个站点一天数据约为2.9g，其衍生产品可达三十多种，如何对这些资料进行有效分类，并进行科学的存储及管理是本项目需解决的重要问题之一。针对多普勒雷达资料基数据文件大、数据产品种类多等特点，系统研究制定了针对西藏地区多普勒雷达资料的管理策略：
1.根据业务需要及该资料的特点，确定资料存储管理的重点为雷达基数据资料，因为该资料为雷达运行的基础资料，其中包含天气变化信息、雷达运行状况信息、雷达所在环境信息等，所有的衍生产品均是基于此数据；
2.由于基数据为二进制数据格式，需要专业的软件才能读取其中的有用信息，为便于该资料的共享使用，系统开发后台资料处理系统，实时提取基数据中最重要的雷达反射因子z、径向风速度v、谱宽w三种数据，并运用图形图像技术，形成直观的图像，在共享系统上共享应用；
3.根据现有资料的传输情况，对业务要求传输的资料进行存储管理及共享；
4.由于基数据量大，为便于存储，系统采用压缩技术，开发资料自动压缩处理模块，对基数据进行有效压缩后存储；
5.为便于资料的共享使用，与相关自动站站点资料结合，提供按时间和按天气类型两种方式进行资料检索；
6.为便于历史资料的使用，系统开发了针对下载后的雷达资料显示软件。
（三）技术实现
针对多普勒雷达资料特点，系统采用b/s（浏览器/服务器模式）和c/s（客户端/服务器模式）结合的方式开发，其中数据共享应用系统采用b/s方式开发，资料管理系统采用c/s方式开发。
1.系统流程
为便于资料管理，本系统按时间将资料分为实时资料和历史资料两部分进行管理。(1)实时资料库为近期雷达资料，库中含：①实时雷达基数据既雷达体扫文件；②宽带网实时传输的五种数据图；③基数据初步分析的四种数据产品图像：回波强度、谱宽、径向速度、无定证回波强度。(2)历史资料库为非实时库中所有的雷达基数据，采用压缩格式存储，以天为单位，全天数据一个压缩包。为便于使用，提供两种检索方式：①按时间检索、下载；②按天气要素检索、下载（与相关自动站资料相结合）。下图为系统资料管理流程及结构图。 


  摘 要:随着大功率发射机技术的发展,要求发射机的控制和保护电路更加完善、可靠。为了解决这一问题,采用模块化设计思路,同时引入可编程器件技术及光电隔离技术,从而提高了整个系统的可扩展性、可靠性和可维护性。该控制与保护系统完全能满足某雷达的实际需求。
　　关键词:雷达发射机;控制和保护;可编程器件;光电隔离;电流互感器
　　中图分类号:TP368.1;TP274
　　文献标识码:A
　　
　　脉冲行波管雷达发射机集大功率、高频率、高电压和高增益于一体,在工作过程中易发生打火或击穿、自激、串扰等故障现象,因此发射机是雷达中可靠性最低的系统。发射机监控系统担负着发射机工作状态和技术参数的监视、调节、控制和保护等任务。为提高可靠性除对电路拓扑、元器件选择、参数设置、电磁兼容、热设计等要慎重考虑外,还必须确保发射机监控电路自身工作的绝对准确和可靠。
　　
　　1 系统监控
　　
　　发射机系统监控的主要任务是完成对发射机的开、关机控制,工作状态监测与指示,故障判定与隔离,并实现与雷达主控台的通信。该系统采用PC/104总线工控机来设计监控电路。其构成原理框图如图1所示。
　　监控单元以PC/104为控制核心,为模块化结构。PC/104主板由PC/104和CPLD组成,通信接口由此板引出,同时将ISA(Industry Standard Architecture)总线引到背板上。输入板由CPLD,A/D和光电耦合器组成,负责采集全机的状态和故障信号,经过接口电路传送至ISA总线,由PC/104工控机读取并处理。同时,输入板上留有快速保护通道,用于处理需响应速度很快的故障保护信息。输出板由CPLD、光电耦合器和驱动器组成,将总线或输入板中,快速保护通道送来的控制信号经隔离驱动送到发射机的各个部分。同时在发射系统单独调试时产生发射机所需的触发脉冲信号。显示器采用EL屏,主要用来显示发射机各项参数及故障原因。触摸屏与EL屏组成人机交互界面。
　　雷达系统上电后,监控系统首先对内部器件进行初始化自检,确保系统本身工作正常,然后对雷达发射机的各分机进行检测。有本地与遥控两种工作方式。当遥控工作时,除接收雷达操控台控制指令,并发送发射机的各种参数外,其他与本地工作方式相同。
　　本地工作时,雷达发射机开、关机单步操作过程如下:
　　(1) 加冷却、钛泵电源;
　　(2) 加负偏压和灯丝电压,预热5 min,各种参数正常后;
　　(3) 高压软启动;
　　(4) 当高压加至工作点后自动加调制脉冲;
　　(5) 加射频激励。
　　关机时则应注意:由于灯丝的温度下降较慢,故在断灯丝电压之后负偏压仍应保留几分钟,以免对栅极造成损伤。关机步骤为:
　　(1)关激励;
　　(2) 关调制和高压;
　　(3) 关灯丝电源;
　　(4) 关负偏压电源;
　　(5) 关冷却和钛泵电源。
　　实时检测、判断、显示雷达发射机各传感器送来的数据信息,如管体电压、管体电流、栅负压、调制器电流、收集极电流、灯丝电流、钛泵电流。当发生故障时,首先切断发射机的触发脉冲和高压,后将故障信息传出指示,保留相关故障数据,便于事后故障分析处理。

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　　2 关键参数控制与保护
　　
　　在对发射机工作参数进行测量时,需要同时采集多路信号,再通过一定的算法来判定行波管的工作情况。在这个过程中,多路信号同时采样,对发射机监控系统的判定准确性有着很重要的意义。
　　输入板用于发射机重要参数的测试。由于发射机的强电磁干扰环境,每路信号的参考电位会有差异,造成测试的不准确,信号的采集用电流互感器,信号的隔离采用双光耦的办法(信号发送端有一光耦,接收端有一光耦,发送端接地),这样可以很好地解决这个问题。发射机主要参数采集示意图如图2所示。
　　由电流互感器采集来的信号直接送至输入板进行处理。输出板输出的小信号送至控保板进行开、关机等控制。故障发生时,先通过封锁使能信号(激活信号),再切断供电的方法来实现快速保护。
　　
　　2.1 加高压条件
　　下列条件均满足时,可以加高压。当任何一个不满足时,必须切断发射机的所有电源。
　　(1) 灯丝电流。
　　当行波管工作时,若灯丝电流欠流,则易造成管内打火;若灯丝过流,则易使阴极寿命缩短;所以灯丝电流检测保护很重要,稳态时,灯丝电流不变,其电压和阴极温度也保持不变。因此只需测试灯丝电流即可。设计中灯丝电源采用恒流直流灯丝电源,由于该电路是浮动在行波管阴极高压上的,故必须用与高电位隔离的电流互感器进行采样,同时应多注意保护。通常其调整范围为额定值的±5%。另外,考虑到对现代雷达的工作需求,很多情况下要求雷达静默,直到到达作战地点后迅速发现目标。应该在操控台上加一个预热按键,这样既延长了灯丝寿命,也避免了阴极长时间烘烤造成杂散材料的吸附而影响发射能力。
　　(2) 负偏置电压。
　　行波管工作时,在脉冲间隙期间,控制极必须回复到负偏压截止状态,否则过多的电子注的能量会积聚在收集极以外的管子其他部分而使管子损坏,因此应设置负偏压保护电路。通常其调整范围为额定值的±10%。
　　当负偏压电源发生故障或控制极调制器开启管击穿或其激励器发生故障而使控制极不能回复到负偏压截止状态时,保护信号通过输入板的快速保护通道到达输出板,从而迅速切断触发脉冲和高压。
　　(3) 钛泵电源。
　　行波管的钛泵由专用电源供电,主要起吸收气体,保持管内良好真空状态的作用。一般通过测试钛泵电流的大小来判断行波管真空度指标。在正常情况下,真空度良好的行波管,其钛泵电流不大于10 μA,钛泵过载保护门限设在20~25 μA。钛泵电源输出电压一般为3~5 kV,故只进行欠压保护。
　　(4) 冷却系统。
　　冷却系统的工作状态必须进行检测。检测的内容包括风机电流、风量或行波管收集极的温度。风机电流不能超过额定值的±20%。温度检测比较简单,通常采用温度继电器(温度传感器)测试风机出风口的温度即可。当温度超过某一危险值(65 ℃)时,节点闭合传出故障信号
　　(5) 预热时间。
　　行波管的灯丝电源通常预热时间不少于5 min。

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　　2.2 加高压后,正常工作条件
　　发送加高压指令后或按下“加高压”键后,管体电压从0缓慢升到额定值。发射机工作正常后,当任何条件中一个不满足时,应在100 ms内切断触发脉冲、高压电源输入和正偏置电源输入,时间越短越好。
　　(1) 触发脉冲。
　　当雷达发射机工作过程中突然出现无触发、漏脉冲时,易造成高压过压。因此输入板上CPLD中的一个功能是对雷达总体传送来的同步触发脉冲信号进行过脉冲宽度和过工作比检查。如果脉冲宽度或工作比超限,则立即切断触发脉冲输出信号,以保护行波管的安全。
　　(2) 正偏置电压。
　　行波管工作偏离最佳激励太多时会造成工作不稳定,因此设置过、欠激励保护,调整范围为额定值的±10%。由于正、负偏置电源都浮在阴极高电位上,因此取样信号必须通过一种线性光纤传感器进行高压隔离,并将电压信号传送至低压端放大,后发送至输入板。
　　(3) 管体电压。
　　管体电压过压易造成行波管打火,欠压则造成电子注的通过率低,管体过流而引起损坏。因此应设置高压过压、欠压保护,电压调整范围为额定值的±10%。
　　由于真空管的工作特性,打火是不可避免的。当栅控行波管通过的能量超过30 J时,通常会造成管子损坏。当高压为20 kV,储能电容为1 μF时,其储能已达200 J。在中小功率管子中,通常在阴极引线中串入一个限流电阻便可起到保护作用(电阻值在100 Ω以下) 。
　　(4) 收集极电流和管体电流。
　　对于行波管,电子注总流一部分流向管体,一部分流向收集极,如由于散焦等原因引起的管体过流现象,而管体耐功率能力有限,过流会损坏管子,因此对管体电流和收集极电流有必要进行分别检测。同时可根据行波管电子注的通过率检测出行波管是否工作在最佳状态。
　　
　　3 结 语
　　
　　发射机的控制和保护设计是以PC/104 工控机和大规模可编程器件CPLD 为核心、软硬件相结合。随着产品研制和新技术的发展,控制和保护电路逐步集成[LL]化,减少了元件的数量,简化了设计计算,使发射机的控保电路可靠性大大提高。
　　
　　参 考 文 献
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　　[8]陈亚非,向兵,冯进军,等.WinCon8000在雷达发射机控制保护系统中的应用[J].真空电子技术,2006(5):4[CD*2]6.
　　[9]孔凤香.CPLD在雷达发射机中的应用[J].舰船电子对抗,2008,31(2):100[CD*2]103.
　　[10]胡蓓.CPLD在发射机控制保护系统中的应用[J].电源技术应用,2004(4):241[CD*2]245.
　　作者简介 郭高峰 1974年出生,陕西乾县人,工程师。研究方向为雷达通信。















图1.资料管理流程图
2.系统开发技术方法
系统开发主要分为三部分：资料管理系统、资料共享应用系统、基数据图像显示软件三部分。
（1）资料管理系统
系统采用c++buider6.0作为开发工具，结合mysql数据接口技术、winzip软件的命令行工具（wzzip.exe和wzunzip.exe）、目录监控技术以及利用micpas3系统中西藏各县的经纬度数据，实现了全区多普勒天气雷达资料的自动处理和存储。主要有以下模块：1）多普勒天气雷达资料的监控和接收模块。2）多普勒天气雷达基数据的显示处理模块。3）多普勒天气雷达基数据图像化处理模块。4）多普勒天气雷达基数据图像的地图叠加模块。5）多普勒天气雷达基数据图像的自动生成模块。6）多普勒雷达基数据及图形产品自动入库模块。7）雷达数据自动入库和维护。8）历史多普勒雷达基数据的压缩存贮模块。
（2）资料共享应用系统

作者： 郭高峰   海军驻中国电子科技集团公司第二十研究所军事代表室