数字气象机目录1 需求与研制必要性分析 31.1 需求分析 31.2 研制必要性分析 32 使用性能与指标 42.1 使用性能要求 42.2 主要技术指标 53 技术方案 53.1 系统组成 53.2 硬件方案 63.3 软件流程 93.5 关键技术 114 可行性分析与关键技术解决情况 124.1 可行性分析 124.2 关键技术解决情况 125 推广前景与效益分析 151 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，我国装配的气象机主要是上海通信设备技术研究 所研制生产的H/HQC001以及ZSQ-3型气象机，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机，该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°C〜55°C；(2) 储存温度：-40C〜65°C；(3) 工作湿度：(93土2) % (在40C ±3°C温度条件下)；(4) 电源波动： 19.2 V〜26.4 V2.2.2 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机系统由1 台气象机与 1 根有短 波源接收天线构成，如图1所示。
气象机采用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 线末端气象机与短波有源接收天线通过10 米长同轴线连接11寸液晶显7K器嘛1o'冒:d:l°j图 1 结构示意图3.2 硬件方案3.2.1 接收机control Moduleital FAX Receiver12115141317 1816图 2 数字气象机原理框图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 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 15dB3.3 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(I0C=576, RPM=90)、40/22KHz (I0C=576, RPM=60 或者(I0C=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I0C=576时为 1818点，当I0C=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机的性能 和技术水平，并且为气象图的进一步处理、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，数字气象机使气象图可以直接面对计算机， 并为数字气象图与其它航行数据 （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，数字气象机必将产生巨大的 军事效益和经济效益。