通用的气象雷达扫描控制技术
​孔亮
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​孔亮,. 通用的气象雷达扫描控制技术[J]. 气候变化研究,2024.8. DOI:10.12721/ccn.2024.157076.
摘要:
气象雷达是专门用于大气探测的雷达,属于主动式微波大气遥感设备。气象雷达在实际工作中受多种因素的影响致使气象雷达扫描控制存在多种类型的问题。为了解决这些问题,文章提出了通用的气象雷达扫描控制技术,这种技术主要借助伺服系统来实现,具有方位、俯仰一定点、定速控制等多种功能,本伺服系统中主要包含了CAPPI、RHI、SECPPI等多种气象雷达扫描模式。文章经过对该项控制技术展开研究与分析,发现该项技术具有良好的通用性。
关键词: 通用气象雷达扫描控制技术
DOI:10.12721/ccn.2024.157076
基金资助:

想要根据不同雷达的伺服系统都要开发专属的扫描控制技术,不仅需要投入大量的资金与时间,而且也会增加大气探测工作的工作量,严重影响着大气探测的工作效率与质量。所以,加强通用的气象雷达扫描控制技术研究,无论是对于降低大气探测成本支出,还是对于提升大气探测的工作效率与质量都具有积极的影响与重要的现实价值。

1.通用的控制指令及状态发送方式

1.1角度、速度编码及转换方式

控制指令对于气象雷达扫描控制技术有着重要的影响,所以在控制指令设计前要对角度、速度等进行编码,以此来实现扫描控制,伺服系统中方位角度应该控制在0°~360°,俯仰角度要控制在-2°~90°;速度取值范围一般为-72°/s~72°/s,而且该项控制技术中如果能够将数据精度控制在0.1°之内,那么就可以为精度以及数据准确性提供重要的基础保障。所以,在设计时为了有效的保证工作效率与工作精度,就可以采用2字节数据编码角度及速度。此外,为了能够保证各项数据的同步,并且实现纠错,不同字节必须要保留首位,且设为0。所以,2字节相关数据的有效数位只有14位,并且用其编码角度与速度,具体如表1所示。

表1角度、速度编码格式表

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1.2气象雷达扫描控制技术指令与伺服状态数据格式

该项扫描控制技术中控制指令与伺服状态数据采用串行数据流方式发送。由于串行数据的复杂性,所以导致所有串行数据流中很难准确的去分别数据记录的开头与结束,所以在格式设计方面可以通过添加同步字符来进行开头与结尾的区分,以此来使得相关的数据读取更加直观与方便。气象雷达扫描控制技术的格式设计主要包含了以下三个方面:(1)控制指令数据格式设计。伺服控制指令是以扫描控制方法与伺服当前的实际状态而产生的,并且发出指令,所以为了保证兼容性,伺服的控制指令必须要以伺服的最基本的运动方式为基础,基本的运动方式即方位、俯仰的定点、定速运动。在设计过程中为了满足控制技术的纠错功能,除首字节Sync及末字节Eom之外,其它字节Bit均为0,而且通过不同的组合使得伺服拥有4种基本运动方式,这4中基本运动方式的随意组合都可以形成多种的扫描模式;(2)伺服状态数据格式设计。伺服状态即伺服系统在运行过程中产生的或者发送给扫描控制技术的实际状态信息。所以,伺服状态数据内容主要包含了方位、俯仰角度、速度值等;同样为了满足扫描控制的纠错功能,除首字节Sync及末字节Eom之外,其它字节Bit均为0,伺服装填数据格式设计主要是为了更好的获取伺服系统的实际运行状态信息,才能对于其运行状态、故障等有直观的了解,进而为雷达扫描控制技术的运用提供重要的数据信息参考;(3)通讯方式格式设计。雷达扫描控制技术中通讯方式的选择较为灵活,可以根据实际情况进行选择,文章推进的通讯方式为网络发送,这种通讯方式相对于其他方式而言更加稳定与灵活,而且还可以实现通讯信息的实时共享,更加便于沟通与交流。

2.通用的气象雷达扫描控制技术模式的实现

2.1模式的特征

气象雷达在实际工作状态中是以用户的需求为工作指导,伺服系统会根据不同的指令执行不同的扫描模式。当前,具有代表性的扫描模式主要包含了体扫、RHI、SECPPI、SECRHI等多种模式,可以有效的满足大部分用户的实际工作需求。但是,不同的扫描模式具有不同的特征,如具有代表性的PPI模式,这种扫描模式主要有PPI ,CAPPI,SECPPI等模式,其主要的特征表现为俯仰处在特定的角度且方位按照特定的速度进行运动的;再如,RHI模式,这种扫描模式主要有RHI, SECRHI等模式,这种扫描模式的特征表现为方位处于特定的角度,而俯仰按照特定的速度进行运动。这就需要相关工作者结合工作实际情况进行扫描控制技术模式的选择。

2.2扫描控制技术位置判定

以(x,y)坐标点为模型,假设伺服运动的目标位置处于(x,y)的坐标点,但是由于伺服存在一定的偏差,而且在工作状态中对于信息数据的采集会存在一定的时间差,所以伺服在运行状态所反馈的实际数据无法正好为(x,y)点,这就需要留有冗余区间,只要数据反馈的数据在这个区间范围内,那么就可以视作其到达(x,y)点之上(如图1所示)。同时,在实际工作过程中影响位置判定的因素主要包含了误差与伺服状态反馈时间,所以在实际工作过程中对于位置的判定一定要考虑这两方面的影响因素,如果落在区间范围内,那么说明伺服到位,如果超出区间范围那么说明伺服并未到位,这就需要通过对方位角的合理调整,以此来保证伺服能够到位。

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图1伺服角度冗余区间示意图

2.3气象雷达扫描控制技术模式的实现   

通过上文的论述可以发现,气象雷达扫描控制技术模式中伺服主要包含了四种基本运动方式即方位定点俯仰定点、方位定点俯仰定速、方位定速俯仰定点、方位定速俯仰定速等,但是要实现这4种模式之前必须要实现停止模式的实现,然后才能实现PPI、CAPPI、SECPPI、RHI、SECRHI等模式。

3.结语

文章通过对通用的控制指令及状态发送方式、通用的气象雷达扫描控制技术模式的实现等两个方面对于气象雷达扫描控制技术中的多种模式进行了分析与研究,发现通用的气象雷达扫描控制技术不仅简单易操作,而且还可以很好的适用于各种伺服,不仅具有极强的应用价值,而且还具有良好的应用前景。

参考文献:

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