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