CN107991654B - 一种用于气象雷达伺服信息和中频信号同步采集的方法 - Google Patents

一种用于气象雷达伺服信息和中频信号同步采集的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于气象雷达伺服信息和中频信号同步采集的方法，避免角度信息与回波信息在采集与存储上不对应的矛盾，很大程度上降低后续算法复杂度，提高硬件存储资源的利用率。本发明使用计时模块，保证综合测试设备与信号处理机之间的时间基准同步；利用LabVIEW事件驱动结构与并行结构实现伺服存储操作和中频回波采集的同步，保证前面板操作与角度信息存储、回波信号采集的同步；利用精确延时模块抵消系统传输延时、通信传输延时，实现实时数据采集与定时回传伺服信息之间的精确同步；通过对每组数据加入时间标头的方法，提高数据文件的可读性和有效利用率。本发明能很好的实现气象雷达伺服信息存储与中频回波信号同步采集的问题。

Description

一种用于气象雷达伺服信息和中频信号同步采集的方法
技术领域
本发明涉及一种用于伺服信息和中频信号同步采集的方法，特别是一种用于气象雷达伺服信息和中频信号同步采集的方法。
背景技术
在实际应用中，气象雷达系统的设计灵活，工作流程测试中需要有不同的工作模式、信号参数，其中最主要最常使用的模式即观测模式，在该模式下各组合正常工作，信号处理回传伺服信息，综合测试设备采集雷达中频回波，算法处理结合伺服信息和回波数据存储文件解算观测模式下的气象信息。
目前的伺服信息回传和回波数据采集方法，分别由信号处理和综合测试设备单独控制，伺服信息采用定时回传方式，即信号处理根据伺服的转动存满固定长度的角度数据向上位机回传一次。中频回波数据采集采用实时触发方式，即触发信号到来时，当前回波被实时采集与存储。由于信号处理与综合测试设备之间没有固定的时间基准，通常情况下为了保证雷达工作过程中的所有有效回波被包含在采集数据中，一般采用超前开启、滞后关闭数据采集卡的方法。这种方法不仅浪费了宝贵的硬件存储资源，而且角度信息与回波数据是无法一一对应的，因而增加了后续算法处理的复杂度。
LabVIEW，Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench是一种用图形代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，是美国国家仪器公司NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于气象雷达伺服信息和中频信号同步采集的方法，解决以往方法中系统的硬件资源利用率低，回波采集与角度存储不同步的问题。
一种用于气象雷达伺服信息和中频信号同步采集的方法的具体步骤为：
第一步、搭建测试控制系统
测试控制系统，包括：初始化模块、顶层事件控制模块、UDP通信模块、系统计时模块、发射信号参数控制模块、模式选择模块、同步控制模块和高速数据采集模块。
初始化模块的功能为：完成高速数据采集卡复位、操作界面初始化与气象雷达系统自检。
顶层事件控制模块的功能为：启动LabVIEW的事件驱动结构，等待用户接口事件的发生。
UDP通信模块的功能为：全双工方式，通过100M以太网实现数据的发送和接收控制。
系统计时模块的功能为：为综合测试设备和信号处理机提供相同的时间基准。
发射信号参数控制模块：生成气象雷达发射信号波形和时序控制参数。
模式选择模块的功能为：控制气象雷达工作于指定的模式下。
同步控制模块的功能为：调整中频回波数据采集与伺服信息存储之间的延时误差。
高速数据采集模块的功能为：采集气象雷达中频回波数据。
第二步、初始化模块完成高速数据采集卡复位、操作界面初始化与气象雷达系统自检
初始化模块首先复位高速数据采集卡，将操作界面的所有显示控件置于默认状态、所有输入控件的输入值置于安全值范围内。通过以太网向气象雷达信号处理机发送自检命令，信号处理机接收到自检命令后，通过422通信接口向伺服、内定标设备发送自检命令，同时开始内部自检，对各种接口、存储器、模数转换器件进行检查，自检完成后，设定定时器固定时间，接收各个组合的自检状态字，同时采集频率变换、发射机的模拟自检信号，将各个组合自检状态字打包存储，自检结果显示在综合测试设备操作界面上。
第三步、UDP通信模块实现数据的发送和接收控制
UDP通信模块采用100M以太网实现信号处理机与综合测试设备之间的数据传输，全双工方式来传输控制命令和科学数据。通信过程首先设置本地IP地址、本地端口值和信号处理机端口值，然后综合测试设备发送UDP通信请求，信号处理机接收指令判断校验码，完成控制命令发送；综合测试设备在固定延时后判断接口状态和校验码，完成通信接收。
第四步、顶层事件控制模块实时响应用户操作
顶层事件控制模块利用一个循环等待特定事件的发生，不需要在主循环中轮询控件、菜单的状态。在特定事件发生后，发送消息并执行相应的操作。因为不需要一个死循环不断的查询前面板控件状态的变化，在占用小量CPU的同时，通过事件驱动结构能快速检测到控件的变化，达到实时响应。
第五步、系统计时模块实现信号处理机和综合测试设备的时间同步
系统计时模块启动后，气象雷达接收命令并判断校验和正确后，在同步时钟信号的下一个下降沿到来时计时器清零，开始计时；收到读取命令后，在同步时钟信号的下一个下降沿到来时读取计时器当前时间值并应答。综合测试设备启动计时命令后，将和信号处理机从同一个时间起点开始计时，通过读取计时校准信号处理机与综合测试设备之间的误差，达到时间同步的效果，为伺服信息存储与中频回波数据采集提供准确的时间基准。
第六步、发射信号参数控制模块完成气象雷达发射信号和各个组合时序控制信号的生成
发射信号参数控制模块实现中频混合调频信号的产生，包括发射信号的生成与参数上传。发射波形采用脉压兼容窄脉冲的方式，双频分时发射，信号处理机以200MHz速率转发信号DA输出。时序控制完成以脉冲重复频率为基准的各个组合的时序控制信号和开关电平信号。
第七步、模式选择模块选择气象雷达的工作模式
模式选择模块决定气象雷达当前工作模式，当前面板设置工作模式后，在事件结构驱动下信号处理机将上传发射信号参数控制模块下对应的发射信号信息。
第八步、同步控制模块利用LabVIEW多线程并行功能执行伺服信息存储和中频回波数据采集的同步进行
同步控制模块实现气象雷达在观测模式下，综合测试设备对中频回波数据和伺服回传角度的同步存储，且当前时刻的伺服信息与当前时刻的中频回波数据一一对应。信号处理机接收到工作启动命令后，根据上位机工作模式指令设定的积累点数、扫描范围和扫描速度，周期性控制伺服系统的方位和俯仰角度，接收角度测量值并存储，定时向上位机传送工作数据。为了保证伺服信息与中频回波数据之间存储的同步，在每一包回传数据的包头都加入由计时命令生成的当前时刻值。
综合测设备发出工作启动命令后，首先由波门选通信号触发高速数据采集模块对气象雷达输出的中频回波数据进行采集与存储。具体过程为：利用高效的生产者消费者结构来实现对AD中频数据进行高速采集，采用创建安全队列的方式保证生产和消费两个进程之间数据通信的准确性和独立性。为了保证伺服信息与中频回波数据之间存储的同步，在每一包中频回波数据的包头都加入由计时命令生成的当前时刻值。
至此，完成了气象雷达伺服信息和中频回波数据同步采集。
在该系统中频回波数据采集和伺服角度信息存储具有相同的优先级，因此巧妙的利用了LabVIEW多线程并行功能实现两者的同步执行。同时利用系统计时模块实现信号处理和综合测试设备的时间对准，利用延时模块消除系统延时、以太网传输、422通信传输和伺服工作状态等引起的时间误差。从而实现伺服信息与当前时刻的回波数据一一对应，进一步提高了数据的利用率、降低硬件资源的浪费和算法处理的复杂度。
具体实施方式
一种用于气象雷达伺服信息和中频信号同步采集的方法具体步骤为：
第一步、搭建测试控制系统
测试控制系统，包括：初始化模块、顶层事件控制模块、UDP通信模块、系统计时模块、发射信号参数控制模块、模式选择模块、同步控制模块和高速数据采集模块。
初始化模块的功能为：完成高速数据采集卡复位、操作界面初始化与气象雷达系统自检。
顶层事件控制模块的功能为：启动LabVIEW的事件驱动结构，等待用户接口事件的发生。
UDP通信模块的功能为：全双工方式，通过100M以太网实现数据的发送和接收控制。
系统计时模块的功能为：为综合测试设备和信号处理机提供相同的时间基准。
发射信号参数控制模块：生成气象雷达发射信号波形和时序控制参数。
模式选择模块的功能为：控制气象雷达工作于指定的模式下。
同步控制模块的功能为：调整中频回波数据采集与伺服信息存储之间的延时误差。
高速数据采集模块的功能为：采集气象雷达中频回波数据。
第二步、初始化模块完成高速数据采集卡复位、操作界面初始化与气象雷达系统自检
初始化模块首先复位高速数据采集卡，将操作界面的所有显示控件置于默认状态、所有输入控件的输入值置于安全值范围内。通过以太网向气象雷达信号处理机发送自检命令，信号处理机接收到自检命令后，通过422通信接口向伺服、内定标设备发送自检命令，同时开始内部自检，对各种接口、存储器、模数转换器件进行检查，自检完成后，设定定时器固定时间，接收各个组合的自检状态字，同时采集频率变换、发射机的模拟自检信号，将各个组合自检状态字打包存储，自检结果显示在综合测试设备操作界面上。
第三步、UDP通信模块实现数据的发送和接收控制
UDP通信模块采用100M以太网实现信号处理机与综合测试设备之间的数据传输，全双工方式来传输控制命令和科学数据。通信过程首先设置本地IP地址、本地端口值和信号处理机端口值，然后综合测试设备发送UDP通信请求，信号处理机接收指令判断校验码，完成控制命令发送；综合测试设备在固定延时后判断接口状态和校验码，完成通信接收。
第四步、顶层事件控制模块实时响应用户操作
顶层事件控制模块利用一个循环等待特定事件的发生，不需要在主循环中轮询控件、菜单的状态。在特定事件发生后，发送消息并执行相应的操作。因为不需要一个死循环不断的查询前面板控件状态的变化，在占用小量CPU的同时，通过事件驱动结构能快速检测到控件的变化，达到实时响应。
第五步、系统计时模块实现信号处理机和综合测试设备的时间同步
系统计时模块启动后，气象雷达接收命令并判断校验和正确后，在同步时钟信号的下一个下降沿到来时计时器清零，开始计时；收到读取命令后，在同步时钟信号的下一个下降沿到来时读取计时器当前时间值并应答。综合测试设备启动计时命令后，将和信号处理机从同一个时间起点开始计时，通过读取计时校准信号处理机与综合测试设备之间的误差，达到时间同步的效果，为伺服信息存储与中频回波数据采集提供准确的时间基准。
第六步、发射信号参数控制模块完成气象雷达发射信号和各个组合时序控制信号的生成
发射信号参数控制模块实现中频混合调频信号的产生，包括发射信号的生成与参数上传。发射波形采用脉压兼容窄脉冲的方式，双频分时发射，信号处理机以200MHz速率转发信号DA输出。时序控制完成以脉冲重复频率为基准的各个组合的时序控制信号和开关电平信号。
第七步、模式选择模块选择气象雷达的工作模式
模式选择模块决定气象雷达当前工作模式，当前面板设置工作模式后，在事件结构驱动下信号处理机将上传发射信号参数控制模块下对应的发射信号信息。
第八步、同步控制模块利用LabVIEW多线程并行功能执行伺服信息存储和中频回波数据采集的同步进行
同步控制模块实现气象雷达在观测模式下，综合测试设备对中频回波数据和伺服回传角度的同步存储，且当前时刻的伺服信息与当前时刻的中频回波数据一一对应。信号处理机接收到工作启动命令后，根据上位机工作模式指令设定的积累点数、扫描范围和扫描速度，周期性控制伺服系统的方位和俯仰角度，接收角度测量值并存储，定时向上位机传送工作数据。为了保证伺服信息与中频回波数据之间存储的同步，在每一包回传数据的包头都加入由计时命令生成的当前时刻值。
综合测设备发出工作启动命令后，首先由波门选通信号触发高速数据采集模块对气象雷达输出的中频回波数据进行采集与存储。具体过程为：利用高效的生产者消费者结构来实现对AD中频数据进行高速采集，采用创建安全队列的方式保证生产和消费两个进程之间数据通信的准确性和独立性。为了保证伺服信息与中频回波数据之间存储的同步，在每一包中频回波数据的包头都加入由计时命令生成的当前时刻值。
至此，完成了气象雷达伺服信息和中频回波数据同步采集。

Claims (1)

1.一种用于气象雷达伺服信息和中频信号同步采集的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
第一步、搭建测试控制系统
测试控制系统，包括：初始化模块、顶层事件控制模块、UDP通信模块、系统计时模块、发射信号参数控制模块、模式选择模块、同步控制模块和高速数据采集模块；
初始化模块的功能为：完成高速数据采集卡复位、操作界面初始化与气象雷达系统自检；
顶层事件控制模块的功能为：启动LabVIEW的事件驱动结构，等待用户接口事件的发生；
UDP通信模块的功能为：全双工方式，通过100M以太网实现数据的发送和接收控制；
系统计时模块的功能为：为综合测试设备和信号处理机提供相同的时间基准；
发射信号参数控制模块：生成气象雷达发射信号波形和时序控制参数；
模式选择模块的功能为：控制气象雷达工作于指定的模式下；
同步控制模块的功能为：调整中频回波数据采集与伺服信息存储之间的延时误差；
高速数据采集模块的功能为：采集气象雷达中频回波数据；
第二步、初始化模块完成高速数据采集卡复位、操作界面初始化与气象雷达系统自检
初始化模块首先复位高速数据采集卡，将操作界面的所有显示控件置于默认状态、所有输入控件的输入值置于安全值范围内；通过以太网向气象雷达信号处理机发送自检命令，信号处理机接收到自检命令后，通过422通信接口向伺服、内定标设备发送自检命令，同时开始内部自检，对各种接口、存储器、模数转换器件进行检查，自检完成后，设定定时器固定时间，接收各个组合的自检状态字，同时采集频率变换、发射机的模拟自检信号，将各个组合自检状态字打包存储，自检结果显示在综合测试设备操作界面上；
第三步、UDP通信模块实现数据的发送和接收控制
UDP通信模块采用100M以太网实现信号处理机与综合测试设备之间的数据传输，全双工方式来传输控制命令和科学数据；通信过程首先设置本地IP地址、本地端口值和信号处理机端口值，然后综合测试设备发送UDP通信请求，信号处理机接收指令判断校验码，完成控制命令发送；综合测试设备在固定延时后判断接口状态和校验码，完成通信接收；
第四步、顶层事件控制模块实时响应用户操作
顶层事件控制模块利用一个循环等待特定事件的发生，不需要在主循环中轮询控件、菜单的状态；在特定事件发生后，发送消息并执行相应的操作；因为不需要一个死循环不断的查询前面板控件状态的变化，在占用小量CPU的同时，通过事件驱动结构能快速检测到控件的变化，达到实时响应；
第五步、系统计时模块实现信号处理机和综合测试设备的时间同步
系统计时模块启动后，气象雷达接收命令并判断校验和正确后，在同步时钟信号的下一个下降沿到来时计时器清零，开始计时；收到读取命令后，在同步时钟信号的下一个下降沿到来时读取计时器当前时间值并应答；综合测试设备启动计时命令后，将和信号处理机从同一个时间起点开始计时，通过读取计时校准信号处理机与综合测试设备之间的误差，达到时间同步的效果，为伺服信息存储与中频回波数据采集提供准确的时间基准；
第六步、发射信号参数控制模块完成气象雷达发射信号和各个组合时序控制信号的生成
发射信号参数控制模块实现中频混合调频信号的产生，包括发射信号的生成与参数上传；发射波形采用脉压兼容窄脉冲的方式，双频分时发射，信号处理机以200MHz速率转发信号DA输出；时序控制完成以脉冲重复频率为基准的各个组合的时序控制信号和开关电平信号；
第七步、模式选择模块选择气象雷达的工作模式
模式选择模块决定气象雷达当前工作模式，当前面板设置工作模式后，在事件结构驱动下信号处理机将上传发射信号参数控制模块下对应的发射信号信息；
第八步、同步控制模块利用LabVIEW多线程并行功能执行伺服信息存储和中频回波数据采集的同步进行
同步控制模块实现气象雷达在观测模式下，综合测试设备对中频回波数据和伺服回传角度的同步存储，且当前时刻的伺服信息与当前时刻的中频回波数据一一对应；信号处理机接收到工作启动命令后，根据上位机工作模式指令设定的积累点数、扫描范围和扫描速度，周期性控制伺服系统的方位和俯仰角度，接收角度测量值并存储，定时向上位机传送工作数据；为了保证伺服信息与中频回波数据之间存储的同步，在每一包回传数据的包头都加入由计时命令生成的当前时刻值；
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