远程显示控制系统在地面雷达中的实现

摘要：远程显控系统作为一种新型的监视控制技术已经广泛应用于电信、交通、金融、智能小区等领域，其设计方案及实现方法多种多样。与远程监控系统相比，本文提供的解决方案更适合地面雷达无人值守要求。在雷达整机设计初期，将本地监控与远程显控从软、硬件方面加以融合设计。该解决方案具有系统结构灵活、传输方式多样的特点，适用于多种型号的地面雷达，并为民用领域的远程控制系统提供了一种新的设计思路。 关键词：远程显控系统；融合设计；图像传输；雷达 1 引言 随着自动控制技术、计算机技术、通信技术、工业COTS技术的快速发展，电信、交通、金融、智能小区等领域根据自身的需求，针对各自特定的环境和设备进行远程监控已成为一种趋势。与国际上在环境与设备集中监控系统领域的研究和开发相比，国内在设备维修及环境集中监控系统的开发和应用方面尚处于起步阶段。而由于这一领域的多学科性质，使得由单一专业的机构进行的系统设计方案和实施往往存在各种不合理因素：一方面造成诸如只有设备监控而无现场环境图像鉴控，或系统传输方式单一、组网不灵活而造成系统兼容性差；另一方面，在硬件设备上因一味追求降低成本，使用价格低廉、性能单一的非主流器件（如单片机）作为核心单元的控制器，缺少必要通信组网功能，导致系统可可靠性没有保障，无法满足标准化和模块化的要求。 远程监控领域的核心是控制系统，目前国内控制系统的设计方案和实施主机分为二种方式。 ●以单片机为核心的远程监控系统。 单片机系统受硬件设备限制，无法实现模块化。就发展的角度而言，没有生命力，且完成的功能单一，无法传送图像信号，只适用于一些不重要的场合，不能构成多媒体环境下的高集成系统。 ●以PLC（可编程逻辑控制器）为代表的以工业控制器为核心的远程显控系统。 作为成熟的COTS产品，工业控制器在欧美等工业发达国家具有悠久的历史，在汽车、冶金、化工、通信等行业得到广泛应用并取得显著效益，PLC专为在工业环境下应用而设计。采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算述操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。 需要指出的是，目前民用领域的远程显控系统因其设计和工程实施滞后于所需监测设备，并且二者不是由同一个开发商完成，即远程显控系统从根本上不参与所监控设备自身的运行，因此二者不存在统一设计的可能。单独建立一套远程显控系统需增加大量的设备及由此涉及的工作量，另一方面测控软件的开发也是单独设计运行，与所监测设备软件的衔接同样存在二次开发问题。 考虑到上述因素，针对国内新型地面雷达自身具有较完善的本地监控系统这一特点，综合本地监控系统和远程显控系统的共同特性及系统结构的全理性、系统功能的完善性和实用性以及与被控设备的接口能力等因素，本文提供了一种适用于地面雷达标准的远程显控系统。 本系统的目的旨在提高地面雷达设备的自动化程度，特别是在一些工作条件和气候恶劣的高山地区或海岛和边防雷达站，通过远距离显控系统，正常的雷达值勤可以在条件相对宽松的中心指挥室完成，从而实现雷达本地无人或少人值守。此外，指挥中心可以监控雷达网内的多部雷达，做到对整个空情的实时监控。因此，雷达的远距离显控系统对于实战中提高防空网的工作效率和自我防护能力具有重大意义。 2 设计原则 一次设计可实施标准的扩展：为保护远程显控系统符合地面雷达本地监控系统的标准，在工程实施方案阶段对二者进行融合设计，即一方面合理设计硬件结构，对于雷达整各分系统的BITE（机内测试装置）、本控接口、遥控接口、所需监控系统及设备接口进行统一规划和配置，完成一次性设计，但在设计中要做到设计分散、控制设备模块化；另一方面对地软件资源也要进行统一性设计，从设计初期妈着眼于遥控和本控状态下的软件兼容性问题，这样，不但可以保证雷达监控系统软件的可靠性，而且增加了软件系统本身的延续性和可移植性。 只有将本控和遥控系统底层软件及相应硬件设备统一设计，从根本上解决其兼容性，才有利于进一步开展高可靠性的远距离显控系统设计工作。这是本方案区别于其他远程监控系统的根本所在。 3 系统组成 总体来讲，本系统由雷达本地设备、远端指挥中心和传输信道三部分组成，其组成框图如图1所示。 3.1 雷达本地设备 包括雷达自身的监控系统、终端系统、配电箱及远程唤醒器、各种传感器与摄像设备（包括摄像机、云台及其控制器）。其中，监控系统和终端系统的PC/104计算机模块和能与PC/104兼容的计算机主板是整个远程显控系统的核心。监控系统的主工功能是显示雷达的工作状态、参数监视、故障信息显示等，控制各监控模块。另外，还可以根据需要完成对整机故障及工作状态的记录、查询、统计管理及网络接口的扩展，提供实时的维修帮助信息等。终端系统的主要功能是完成本站雷达的信息获取，产生点迹、目录的录取和跟踪等。这两个系统均具有将综合后的情报送本地显示及图传远程通讯功能。所有功能的实现建立在工程实施方案的软硬件融合设计。 为了满足无人值守的基本要求，远程显控系统应完成远程唤醒和远程对各分系统的复位功能，考虑到控制信号在远距离传输中较易受到干扰和雷达正常运行对电源的严格要求，因此，设计中的控制信号采用宽脉冲触发式（脉宽在500ms以上）。此外，在触发后“保持接通”即功能锁定是必不可少的，功能锁定可以保证远端唤醒控制器的可靠运行（不受远端控制设备故障的影响）。 为此，在远端唤醒控制器中采用西门子公司生活的230RC型控制器作为核心控制器件，230RC的功能相当于一个小型PLC，其内部集成有逻辑门、触发器、继电器和时钟等19个功能块，面板上具有编程输入及显示功能，应用于小型控制系统时，实用性比PLC更好。 对于环境参数和电源设备的监测则由温/湿度、烟雾、红外、电压、电流等高性能传感器经PC/104标准数/模的I/O模块采集后送CPU处理。 雷达车厢内的设备运行图像信号有两种传输方式：一种是通过光缆直接传输；另一种是采用专用的图像传输设备转化后送图传或电话线传输。目前，这两种方式均有较多的COTS产品提供选择。 3.2 远端指挥中心 包括一台标准配置的PII工控机，通过远程遥控软件呆移植雷达本地监控系统的工作，即将雷达整机管理远程化，实现雷达工作状态参量和故障信息的采集、故障隔离、记录、显示和告警。具有开机检测、实时和循环检测等多种工作状态的切换功能，完成与监控系统的信息交换，提供友好的人机界面。 带有图传终端的地面雷达的基本功能是对目标的识别和录取等操作，图传终端由光栅显示器、操纵台、回波及显示卡组成，在构成和功能上与雷达本地的分显完全一致，使雷达目标显示录取远程化。 3.3 图像传输设备 雷达图像传输设备是地面雷达情报传递的专用设备，具有对雷达终端显示器的画面和目标参数、数据和话音的双向传输功能，图传设备的结构框图如图2所示。 图传发端分机直接与雷达接口，将雷达要传输的信号经频分、时分后混合成基带信号，送往传输设备。图传收端分机对基带信号进行解调，分别送往图传终端显示器和遥控主机以完成数据传输并再现雷达信号。图传分机具有双工功能，发端和收端相兼容。 根据图传发端和图传收端之间的距离，有三种信道选择。距离在100m以内时选择电缆信道（视频电缆）；距离在2km以内时选择光缆信道；距离50km以内时选用微波信道；距离超过50km时在微波终端之间需增加中断微波站。 4 系统功能 远程显控系统的主要功能与雷达监控系统相同，并啬了空调器监控、加热器监控、发射机总电源监控、天线驱动总电源监控、1号车总电源监控、询问机监控、温/湿度监控和图像监控等功能。 4.1 对雷达各分系统的控制 系统控制模块是把控制命令集合中的一系列控制命令根据需要，通过人机界面中的多级菜单将相应的控制命令发布给任务管理模块，再由任务管理模块调用通讯模块具体执行雷达远程遥控工作，主要包括：天线驱动控制、极化控制、发射机控制、接收系统控制、综合分机控制、温度控制和摄像机控制等。 4.2 显示功能 显示模块包括状态和故障实时显示模块，其主要作用是实时地将监控系统检测到的信息和受控后雷达各分系统状态通过监控模块采集的信息，经传输信道将通信数据进行处理后在人机界面中显示。 把对雷达的各项控制命令通过人机界面下达给任务管理模块，由任务管理模块通过通讯模块将相应回馈信号在人机界面中显示。 将故障检测模块所提供的各种信息码用图形故障检测界面显示出来，绿色表示正常，红色表示故意。 4.3 目标显示录取功能 显示经计算机处理后的二次信息、完成各种人工干预。 光栅显示器主要由高分辨率多扫描彩色图形显示器、回波处理板、图形板、操纵台（含键盘、跟踪球）等组成。来自图传雷达回波的二次信息进入显示器的图形处理板，经过转换、处理后，在图形板中进先例中成，最终送到监视器显示。 4.4 远程唤醒和复位功能 由于远程对雷达整机上电前的监控系统处在待唤醒状态，因此无法通过监控系统与遥控系统的双向数据通道来实现远程对雷达电子方仓的上电及下电功能，只有将着眼点放在本笛一直处于带电状态的图传收/发端地个分机上，解决问题的方法是在图传收端分机上设置一个上电和下电开关，经数据复合后送至图传发端，经过光耦隔离接至远程唤醒器，将弱电信号与其所要控制的后级强电隔离。同时将上电宽脉冲经隔离、驱动后送到监控系统、终端系统和信号处理系统等，利用PLC在触发后状态锁定功能，对雷达本地系统进行远程复位操作。 4.5 图像监控 通过光缆、图传或现在有民用通信线路对雷达本地车厢内设备运行状态、环境状态及天线状态等进行实时图像监测，其实现方式主要有二种：一种通过光缆直接传输视频信号，中心设立单独的监视器；另一种通过专用图像压缩传输设备对视频信号处理后送标准串口，经长线传输在指挥中心的计算机显示器上进行图像监视。 5 系统控制软件 控制系统是本地系统的核心，系统由多个微处理器组构成一个完备的闭环控制网络并由CPU控制，通过遥控软件完成分析并确定雷达各种状态，执行相应指令，由若干软件模块实现各种控制，在本系统中，远程控制传输模块的软件采用Visual Basic模块化编程，具有灵活的移植性和可扩展性。 软件模块的相互关系如图3所示。 系统控制模块的功能是状态设置、自检、系统控制、通讯、显示器。 故障检测模块的功能是信息采集、故障隔离、告警、维护指南。 通讯模块的功能是与监控模块的信息交换，与系统外部的通讯。 人机界面模块的功能是功能选择和显示。 故障信息与推理规则库是根据使用手册、专家经验经知识工程而产生的库文件。 雷达操纵员通过人机界面对雷达系统进行干预。系统控制模块启动通讯模块，采集由各监控模块上报的现场数据。在采集同时完成信息甄别。利用现场数据库、故障信息库和推理规则库完成故障隔离，一旦发现故障或临界状态，即发出提示或告警信号。 6 小结 为了缩短研发周期，降低开发成本，本设计方案引进了工业自动化技术和成果，在系统方案设计初期采用了隔合设计和系统集成技术，注重对商品化PC/104嵌入式计算机及外围各功能模块、可编程控制器（PLC）及外围各功能模块的软硬件应用，并对远程显控系统的可靠性、电磁兼容性及与雷达本地系统的兼容性进行了一定研究，在此基础上实现了地面雷达无人值守方案的工程实施。