海洋气象传真机

数字气象传真机
目录
1 需求与研制必要性分析 (3)
1.1 需求分析 (3)
1.2 研制必要性分析 (3)
2 使用性能与指标 (4)
2.1 使用性能要求 (4)
2.2 主要技术指标 (5)
3 技术方案 (5)
3.1 系统组成 (5)
3.2 硬件方案 (6)
3.3 软件流程 (9)
3.5 关键技术 (11)
4 可行性分析与关键技术解决情况 (12)
4.1 可行性分析 (12)
4.2 关键技术解决情况 (12)
5 推广前景与效益分析 (15)
1 需求与研制必要性分析
1.1 需求分析
中国海军辽宁号的改造成功，标志着我国海军已进入全新发展阶段，海上战斗模式发生深刻改变，远海使命任务也逐渐实现多样化。

在远海，从船舶的航行安全和作战可靠性角度考虑，一个重要的影响因素是船舶所在海域的气象状况，因此，气象信息对于舰艇的调度管理起到非常重要的作用，海洋气象传真机是用来接收气象信息的设备。

本项目拟研制一种数字海洋气象传真机，补充和拓展现有老式的模拟设备，实现舰艇通导设备的数字化与智能化，为舰艇指战员提供一种实时、精确、可靠的气象传真信息获取手段。

1.2 研制必要性分析
1.2.1 现有技术手段的不足
目前，我国装配的气象传真机主要是上海传真通信设备技术研究所研制生产的H/HQC001以及ZSQ-3型气象传真机，该类设备主要采用模拟技术，接收模式和使用方法受到了各种挑战，主要体现在：（1）将接收到的传真天气图直接打印输出，不能输入计算机，这就在管理、通讯和协调上存在诸多问题，例如，气象信息的查询检索不方便、资料的利用率低、信息传输渠道老化，这些都将对舰长做出准确的气象决策带来影响。

另外，当图像打印出来以后，图像的状态就已经确定，如果图像发生不同步、不同相或者受到噪声干扰等情况，无法做更进一步的图像处理；
（2）接收机采用模拟技术，体积庞大，精度低，接收模式单一，而且，器件易老化，抗干扰能力差，这样，在海上极度恶劣的环境下使用时可靠性较低；
（3）海洋气象图通过热敏打印纸输出，不利于历史资料的存储、
积累、分析、总结、复制和处理，而且，在较昏暗的环境中，正在打印的气象图不易于查看；
（4）随着信息技术在国事领域的广泛应用，电子海图等导航设备的自动化、信息化水平越来越高。

纸质的气象传真图难以实现与这些设备的接口，从而制约了气象信息在作战任务中运用的深度和广度。

1.2.2 研制目的和意义
本项目研制一种数字气象传真机，该传真机引入数字解调技术，拟采用超外差结构和中频数字解调相结合的方案，使用先进的现代信号处理算法完成数字域的信号滤波及解调，克服了模拟解调的非线性损伤及模拟电路精度低、对震动敏感、抗干扰能力差等缺点，提高气象传真图的接收质量。

并且，通过数据接口把获取的气象信息融合到综合显示平台中，提高舰艇电子设备的数字化、集成化程度，对于我海军安全、高效地完成作战任务具有十分重要的意义。

2 使用性能与指标
2.1 使用性能要求
（1）采用15寸高亮液晶输出显示气象图；
（2）无人值守，开机自动设置频道进入接收模式,并可自动根据信号强弱选择频道接收；
（3）最高可存储200张气象图，具有检索功能；
（4）可对存储的气象图进行降噪、旋转、缩放操作；
（5）具有16阶灰度模式输出气象图或卫星云图；
（6）可连接USB接口打印机，选择打印所需气象图。

2.2 主要技术指标
2.2.1 环境适应性
（1）工作温度：-20℃～55℃；
（2）储存温度：-40℃～65℃；
（3）工作湿度：（93±2）%（在40℃±3℃温度条件下）；（4）电源波动：19.2 V～26.4 V。

2.2.2 接收机性能
（1）频率范围：2.0000-24.9999MHz；
（2）镜像抑制比：优于60dB；
（3）灵敏度：-120dBm；
（4）中频选择性：带外2.4kHz抑制超过60dB；
（5）合作系数：576/288；
（6）接收速率：每分钟60/90/120/240行；
（7）灰阶等级：16阶灰度；
（8）扫描电分辨率：每平方毫米8个比特像素。

3 技术方案
3.1 系统组成
本项目设计的数字气象传真机系统由1台气象传真机与1根有短波源接收天线构成，如图1所示。

气象传真机采用15寸液晶显示器显示接收的气象图与控制界面，主键盘位于显示器右侧，操作方便易懂。

短波有源接收天线采用玻璃钢结构加工，天线放大器直接置于天线末端。

气象传真机与短波有源接收天线通过10米长同轴线连接。

图1结构示意图
3.2 硬件方案
3.2.1 接收机
图2 数字气象传真机原理框图
1、低噪声放大器
2、可调谐预选滤波器组
3、可变增益放大器
4、第一混频器
5、第一本振
6、中频滤波器一
7、中频放大器一
8、第二混频器
9、第二本振 10、中频滤波器二 11、中频放大器二 12、模数变换器 13、FPGA 核心板 14、ARM 核心板 15、键盘 16、液晶显示器 17、USB 接口 18、蜂鸣器
本项目研制的数字气象传真机由射频前端模块、数字信号处理模
块以及显示控制模块构成，如图2所示，其中射频前端模块由低噪声放大器、可调谐预选滤波器组、可变增益放大器、第一混频器、第一本振、中频滤波器一、中频放大器一、第二混频器、第二本振、中频滤波器二和中频放大器二组成。

数字信号模块由模数变换器、FPGA 核心板13组成。

显示控制模块由ARM核心板、键盘、液晶显示器、USB接口、蜂鸣器组成。

可调谐预选滤波器组由四组带通滤波器组成，带通滤波器由FPGA核心板输出的控制信号进行选通。

第一混频器为上变频混频器，通过第一本振将所需射频信号上变频到30MHz，而后经中频滤波器一滤波进入中频放大器一，构成高中频方案，提高了系统的中频抑制比。

第二混频器为下变频混频器，通过第二本振将所需射频信号上变频到400KHz，而后经中频滤波器二滤波进入中频放大器二，此信号作为数字信号处理模块输入。

FPGA核心板是气象传真机装置的核心处理单元，FPGA核心板上由电源控制电路、FPGA最小系统和存储芯片组成，完成气象传真信号的数字解调功能。

模数变换器完成中频440KHz信号的数据采样，将模拟信号变换到数字域作为FPGA核心板输入。

ARM核心板为气象传真机装置的控制单元，由ARM9芯片、电源电路和存储芯片构成，其中ARM9芯片内嵌Linux操作系统。

3.2.2 有源天线
短波有源接收天线立体剖面图与放大器电路图如图3所示，天线罩体使用玻璃钢材料，天线铜导线和放大器置于玻璃钢罩内，同轴电缆从罩体底部引出，整个结构使用密封胶全封闭。

有源天线铜导体长
2米，在此长度下，有源接收天线有助于提高整个接收系统的灵敏度和信噪比，天线导体末端直接焊接在放大器输入端，进一步提高了天线系统的信噪比。

图3 有源天线剖面图以及放大电路
天线放大器由ESD保护电路、滤波电路、匹配电路与放大电路。

ESD电路采用TCS二极管搭建，抑制瞬态干扰；滤波电路用于抑制AM 信号；匹配电路采用具有高输入阻抗、低噪声系数的J型场效应管搭建的差分对电路，线性度高，通过变压器耦合输出；放大电路为电流跟随器，亦为差分电路形式，通过变压器放大电压，进而放大功率，增益设计为15dB。

3.3 软件流程
中频信号经模数变换器变换为数字信号，并进去进入数字信号处理单元，数字信号处理单元由可编程逻辑器件FPGA实现，完成数字滤波、降噪、FSK信号解调以及射频前端控制等功能，FPGA解调流程图如图3所示。

在选定频道后，首先检测起始信号，若检测到起始信号成功，则继续检测相位信号，否则继续等待；若检测到相位信号后，对相并确定发送速率，若没有则退回，检测起始信号；接收图像信号前首先要检测行同步信号，若检测成功，则接收一行数据，若检测失败，则检测是否有结束信号；接收一行图像数据判断是否一行接收完毕，如果是则继续检验行同步信号，如果不是则继续接收；进入检测结束信号的环节，无论成功与否，结束本章图像接收。

图4 数字解调流程图
中央处理单元由ARM器件实现，并基于Linux操作系统进行开发。

中央处理单元控制流程图如图4所示。

GUI界面应用程序用于等待事件发生，处于不断扫描的状态，检测是否有改变显示事件、需要打印事件、需要存储事件、输入事件以及UART通信事件。

若检测到改变显示事件，则调用LCD驱动；若检测到需要打印事件，则调用USB打印驱动；若检测到需要存储事件，则调用SD驱动；若检测到输入事件，则进入输入事件处理模块，判断是键盘还是触摸屏触发的事件，如果是键盘则调用键盘驱动获取键值并返回键值给输入事件处理模
块，如果是触摸屏则调用触摸屏驱动获取键值并返回键值给输入事件处理模块，最后由输入事件处理模块将键值送到GUI界面应用程序；若检测到UART通信事件，则进入与FPGA通信模块，对FPGA传送的帧格式进行解析，判断是数据信息还是图像信息，如果是数据信息则进入数据处理模块进行数据格式转换并将数据送入GUI界面应用程序，如果是控制信息则进入命令解析处理模块进行分析并将控制信号送入GUI界面应用程序。

图5 中央处理单元控制流程图
3.5 关键技术
本项目涉及的关键技术主要有四项：
（1）降采样率采样技术
（2）CPFSK信号简化序列解调技术
（3）定时及信号频偏信息检测技术
（4）起始信号和结束信号检测技术
4 可行性分析与关键技术解决情况
4.1 可行性分析
本项目接收模块采用成熟且常规的数字解调技术，所选FPGA、ARM芯片均为常规稳定的产品，性能指标、体积、重量和环境实用性均可达到海上军事使用要求，不存在技术风险。

系统设计过程中，采用成熟技术展开设计，通过突出并强调顶层设计、优化系统体系结构降低了整个系统的技术难度以及实现风险，进而减小了系统研制过程中的人力及成本需求；另一方面，技术设计中尽可能地选用成熟或定型的部件，力图最大限度地提高设备的稳定性并降低制造成本；再者，系统设计中，在满足技术先进性的同时，兼顾设备的作业适应能力及环境适应能力，并尽可能通过设计降低操作失误的风险以及使用和维护成本。

4.2 关键技术解决情况
（1）降采样率采样技术
气象传真信号码率包括160/22KHz（IOC=576，RPM=240）、80/22KHz（IOC=576，RPM=120或者IOC=288，RPM=240）、60/22KHz
（IOC=576，RPM=90）、40/22KHz（IOC=576，RPM=60或者（IOC=288，RPM=120）、30/22KHz（IOC=288，RPM=90）、20/22KHz（IOC=288，RPM=60）六种情况。

为了方便后续处理，本发明方法按照接收图片的IOC、RPM 参数将8MHz采样率的CPFSK基带IQ两路信号的采样率降为相应码率的22倍，即160KHz、80KHz、60KHz、40KHz、30KHz、20KHz,。

该过程由一个降采样率可变的CIC降采样器完成。

在CIC降采样器中，数据经历了四级采样率变化，第一级为5倍CIC降采样器，第二级为5倍CIC降采样器，第三级为3倍CIC升采样器，第四级为降采样率可以在3/6/8/12/16/24之间变化的CIC降采样器。

第4级降采样率可变CIC降采样器由5级积分器、几个抽样器、5级差分器构成，其中的抽样器的抽样倍数可变。

经过CIC降采样器后的低采样率IQ两路信号经过带宽为1200Hz的基带FIR滤波器后被输出给CPFSK信号解调模块和远程控制信号检测与信道估计模块。

（2）CPFSK信号简化序列解调技术
在判决一个码元时，本发明在远程控制信号检测模块输出的同步脉冲的控制下，截取66个以上采样率为22倍码率的基带IQ两路信号的样点,其中前22点为第i-1个码元时间内的基带信号样点，中间22个样点为第i个码元时间内的基带信号样点，后22个样点为第i+1个码元时间内的基带信号样点。

记截取的66个复数样点数据序列为Si。

在该序列检测器中，Si 与000、001、010、011、100、101、110、111八种可能的序列数据
进行相关，取相关结果最大的序列的中间码元值作为第i码元的判决值。

在完成一个码元的判决后，将该判决值输送给图像处理与输出模块，同时将取数窗口后移一个码元时间（22个样点）。

（3）定时及信号频偏信息检测技术
气象图的对相信号为周期性黑白交替信号，每周期先出现5%的白信号，在出现95%的黑信号，周期为行重复周期。

本发明通过采用匹配滤波的方法对信号进行互相关计算，当相关值大于信号平均功率的一定比例时，判断出现了对相信号。

与对相信号检测并行进行着一个混频操作，用2300Hz复信号与数据相乘。

相乘的结果被送入数字鉴频器，当判断出现对相信号时，将鉴频器输出作为频偏值输送给数字下变频用以使之将频偏影响去除。

从判断出现对相信号的时刻开始，根据信号码率和本地定时周期性的产生每行数据的定时脉冲并送给解调模块用以正确截取数据样点。

（4）起始信号和结束信号检测技术
本项目在FPGA中对信号进行监测，将信号输入鉴相器，并对鉴相器输出进行频率检测。

当监测到信号的频率变化轨迹的300Hz或者675Hz信号分量能量大于总能量的一定比例时，判断出现了图像起始信号，并根据频率大小改变输出给可变速率CIC降采样器的IOC寄存器值，当出现300Hz时将IOC变为576，当出现675Hz时将IOC变为288。

当监测到信号的频率变化轨迹的450Hz信号分量能量大于总能
量的一定比例时，判断出现了图像结束信号。

当出现开始信号时，将解调器输出的码元序列按照图像排布，每行图像像素在IOC=576时为1818点，当IOC=288时为909点。

当出现结束信号时，将结束生成图像并将生成好的图像存储起来。

5 推广前景与效益分析
气象传真机是船舶水文气象仪器的关重设备，具有较高的研究价值。

随着军事通信技术在近二十年来有了飞速的发展，传统的模拟无线通信技术正向数字无线通信转化，实现数字化的软件和硬件技术的快速发展，当前国外无线气象传真技术已经逐步走向小型化、数字化、网络化，而国内市场还没有推出体积小且将显示和打印终端集于一身的数字气象传真机，基本停留在模拟化处理阶段上，体积庞大，内部电路结构的集成度低、可靠性差，并且不能与计算机相连接，气象传真图的查询检索很不方便。

本项目提出的数字气象传真机则摆脱了这些问题的制约，通过引入数字解调技术大大提高了气象传真机的性能和技术水平，并且为气象传真图的进一步处理、充分发挥作用提供了有力支撑。

随着信息化时代的来临，舰艇对航海气象信息的高效和准确处理成为当务之急，数字气象传真机使气象传真图可以直接面对计算机，并为数字气象传真图与其它航行数据(如电子海图)资料有机结合起来提供了接口，可以使用船舶指挥官更直观方便的使用和处理与航行有关的气象数据，为指挥官做出正确战略决策提供有力保障。

数字气象传真机的推出必将成为今后中国舰载设备研制的启明星，它预示着中国数字化时代的到来，有力推动我中国海军装备向数字化、网络化方向的快速发展，从某种程度上讲，这将是中国船舶装备的一种革新，其影响将是长远的，随着我国向远海进国，在我中国装备信息化水平不断提升的过程中，数字气象传真机必将产生巨大的军事效益和经济效益。