一种单脉冲雷达发射机在线监测系统的制作方法

1.本发明涉及单脉冲雷达发射机技术领域，特别涉及一种单脉冲雷达发射机在线监测系统。


背景技术：

2.单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达，是当前航天测控网的重要组成部分，它通过目标对电磁波的反射来获得目标飞行参数，雷达发射机作为将激励信号放大并辐射至空间的重要组成部分，是雷达可以跟踪目标的前提。在当前跟踪测量需求越来越多的情况下，单脉冲雷达设备工作频次与以往相比更加密集，操作人员的工作压力更大。
3.由于目前某在用单脉冲雷达发射机使用已有十余年，发射机各个组合的参数及状态显示方式为指针式电表显示与红绿指示灯显示，工作状态与工作数据的记录需要操作人员人工完成，这种记录方式在设备频繁开机的状况下很不友好，操作人员无法保证对设备参数的实时性观察与记录。并且纸质记录的数据不利于收集汇总分析，操作人员无法充分利用历史数据及时感知设备的潜在故障风险。此外，由于雷达发射机工作时，发射机房噪声约70db，长时间在噪声环境下工作对操作人员的健康状况有不良影响。此外雷达速调管工作时会产生一定的x射线，在长时间电离辐射环境中，操作人员的健康会受到一定的潜在威胁。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种单脉冲雷达发射机在线监测系统，以解决背景技术中提出的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种单脉冲雷达发射机在线监测系统，包括上位机、表头信息监视模块、发射机以及状态信息监视模块；
6.所述上位机与表头信息监视模块连接，用于进行状态的判断、识别及验证；
7.所述表头信息监视模块与上位机连接，用于通信、数据处理与显示、参数记录、故障告警及阈值配置；
8.所述状态信息监视模块与所述上位机连接，用于完成摄像头初始化、录像功能配置、指示灯状态识别及显示、故障告警；
9.所述发射机用于发射数据信息，其与所述状态信号监视模块实现数据通讯。
10.所述表头信息监视模块包括硬件块及参数采集软件块；
11.所述硬件块包括若干智能仪表及串口集线器，通过对智能仪表的总线地址进行配置的方法，将各个智能仪表与参数采集软件块的数据接口进行一一对应，且智能仪表读取保持寄存器的时间上叠加0.1s延时，保证读取信息的准确性；
12.所述参数采集软件块用于完成对各个智能仪表的通信、数据处理与显示、参数记录、故障告警及阈值配置；根据总线地址对各个表头信息完成初始化后，采用轮询的方式对表头采集的电压/电流信息进行读取；智能仪表响应查询命令后返回保持寄存器内部的电
压/电流信息至上位机，上位机对读取的数据进行解算后实时显示，同时将数据打时标后写入存盘文件，若当前的表头电压/电流值超出工作时的上下限阈值，则软件会在“告警信息”一栏内提示发射机运行的异常情况，提示操作人员前往处置。
13.所述轮询的方式时间为每秒2次。
14.所述状态信息监视模块包括状态采集软件块及硬件平台块；
15.所述硬件平台块为高清摄像头，通过采用高清摄像头对准发射机“控保组合”上的指示灯，以20fps的采样速率对发射机“控保组合”进行视频监视；对“控保组合”上的绿色状态指示灯、红色故障告警灯、加电指示灯状态输入至上位机，由上位机进行状态的判断、识别及验证；
16.所述状态采集软件块用于完成摄像头的初始化、录像功能配置、指示灯状态识别及显示、故障告警，采用样本匹配+机器学习的方法，在部署前期对不同光照下的指示灯画面进行充分的样本采集工作，同时进行匹配训练，对于未通过匹配测试的指示灯再次进行采集、训练等回归训练工作，直至软件优化至满足指标要求，指示灯匹配结果使用布尔控件在界面上进行显示，对于状态指示灯而言，若识别出本状态为“真”，则界面下方的对应状态绿灯亮起；对于故障指示灯而言，若识别出本故障状态为“真”，则界面下方对应故障红灯亮，同时，状态采集软件块会将故障信息显示在软件界面右侧的“告警信息”一栏内，提示操作人员进行处置。
17.所述智能仪表为支持modbus-rtu协议的智能仪表。
18.所述串口集线器为rs-485串口集线器。
19.还包括用于对高清摄像头进行重新定位监测点，从而识别位置校准的识别位置校准模块，所述识别位置校准模块集成于所述状态信息监视模块内。
20.所述参数采集软件块用于进行表头信息的采集与记录，首先进行初始化操作，进行通信端口的配置。
21.所述端口地址为1～15，分为4组，com4～com6连接四个智能仪表，com7连接3个智能仪表，配置对应的串行口，在串行端口配置完毕后进入15个并行循环，开始以每秒2次的频率访问智能仪表。
22.在初始化时添加了100ms的延时。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24.本发明采用labview图形化编译平台+g语言编程，设计并实现了发射机信息读取、采集、监视、记录及故障告警的工作平台系统，对于操作人员而言，可以更加方便快捷将发射机的各项参数指标进行监视，同时在出现任何故障的情况下进行快速响应，保证应急的效率，提升设备执行任务跟踪测量目标的能力。该系统可以读取发射机低压放大机柜面板上的电流、电压表的数据与发射机控保组合上的状态/故障指示，并实时记录设备工作状态与参数，判断设备工作状态，遇到超限及时报警。
附图说明
25.图1为本发明的系统结构示意图；
26.图2为本发明的参数采集软件块的采集流程图；
27.图3为视频监视软件块的状态判别流程图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.本发明采用labview图形化编译平台+g语言编程，设计并实现了发射机信息读取、采集、监视、记录及故障告警的工作平台。对于操作人员而言，可以更加方便快捷将发射机的各项参数指标进行监视，同时在出现任何故障的情况下进行快速响应，保证应急的效率，提升设备跟踪测量目标的能力。
30.如图1所示，本发明主要由表头信息监视模块、状态信息监视模块、上位机及发射机组成。
31.表头信息监视模块
32.表头信息监视模块由参数采集软件块及采用成熟的支持modbus-rtu协议的智能仪表与rs-485串口集线器组成，通过对智能仪表的总线地址进行配置的方法，将各个智能仪表与参数采集软件的数据接口进行一一对应。同时，为了避免总线的阻塞，各智能仪表读取保持寄存器的时间上叠加0.1s延时，保证读取信息的准确性。
33.参数采集软件块主要完成对各个智能仪表的通信、数据处理与显示、参数记录、故障告警及阈值配置功能。根据总线地址对各个表头信息完成初始化后，采用轮询的方式(每秒2次)对表头采集的电压/电流信息进行读取。下位机(智能仪表)响应查询命令后返回保持寄存器内部的电压/电流信息至上位机。上位机对读取的数据进行解算后实时显示，同时将数据打时标后写入存盘文件(时间来源于主控机b码时间)。若当前的表头电压/电流值超出工作时的上下限阈值，则软件会在“告警信息”一栏内提示发射机运行的异常情况，提示操作人员前往处置。
34.状态信息监视模块
35.状态信息监视模块由状态采集软件块及其高清摄像头组成，高清摄像头对准发射机“控保组合”上的指示灯，以20fps(可变)的采样速率对发射机控保组合进行视频监视。对控保组合上的绿色状态指示灯、红色故障告警灯、加电指示灯状态输入至计算机，由上位机进行状态的判断、识别及验证。
36.状态采集软件块主要完成摄像头初始化、录像功能配置、指示灯状态识别及显示、故障告警功能。采用样本匹配+机器学习的方法，在部署前期对不同光照下的指示灯画面进行充分的样本采集工作。同时进行匹配训练，对于未通过匹配测试的指示灯再次进行采集、训练等回归训练工作，直至软件优化至满足指标要求。
37.指示灯匹配结果使用布尔控件在界面上进行显示。对于状态指示灯而言，若识别出本状态为“真”，则界面下方的对应状态绿灯亮起；对于故障指示灯而言，若识别出本故障状态为“真”，则界面下方对应故障红灯亮。同时，软件会将故障信息显示在软件界面右侧的“告警信息”一栏内，提示操作人员进行处置。
38.本发明的设计要求监视软件块及配套硬件设备可以长时间工作并记录表头/指示灯信息，并且表头类型多，参数分布范围大，需要针对不同类型的表头分别选择合适量程的智能电表。通过智能电表的rs-485通信功能组成四总线型通信结构，由上位机发送查询指令后读取表头信息，并进行数据解算、判读、记录与告警功能。视频监视软件通过读取usb外
接的摄像头信号，获取指示灯的画面，截取各指示灯图像并与样本进行匹配，识别出指示灯的状态，并生成相关日志，若告警区域出现灯亮的情况，则会触发语音警报，该警报会持续到灯不亮或者操作人员关闭警报音为止。
39.参数采集软件块流程如图2所示，主要进行表头信息的采集与记录，软件首先进行初始化操作，进行通信端口的配置。根据智能仪表的端口号(1～255可调，本系统使用的端口地址为1～15，分为4组，com4～com6连接四个智能仪表，com7连接3个智能仪表)配置对应的串行口(本系统使用com4～com7)。在串行端口配置完毕后进入15个并行循环，开始以每秒2次的频率访问智能仪表。
40.为避免rs485总线阻塞导致读取保持寄存器发生错误，本软件在串口初始化时添加了100ms的延时，即可保证在任一个串口的控制下，每个智能仪表可以依次读取寄存器的数值而不产生总线阻塞。
41.同时软件带有仿真功能，可以使用virtual-port软件模拟串口输入数据，以测试软件运行情况。由于模拟串口成对配置，故配置com3-com10共8对串口，com3/5/7/9用来写入测试信息，com4/6/8/10用来读取测试信息。随程序编写模拟串口写入工具，使用理论表头值叠加随机数的方式写入表头参数，用来测试软件的数据读取、记录、显示、超限警告等功能。
42.软件默认从软件配置根目录下config.txt文件中读取15个表头的上下限阈值信息，并提供了在线修改的功能。可以通过点击软件的“配置”钮修改各阈值。点击“保存配置”后可以将新值保存到对应的config.txt文件中。
43.视频监视软件块主要结构如图3所示，通过读取usb外接的摄像头信号，获取指示灯的画面，结合操作人员设置好的指示灯位置信息，将软件识别的位置以红色方框的形式进行显示，并对方框中的画面对照样本，将识别位置与样本的色调、饱和度、强度的进行颜色匹配，输出灯亮还是不亮的结果。对识别位置进行识别后，软件界面的指示灯会与识别结果进行同步，并结合识别分值，进行日志的记录。若第一个区域出现灯亮的情况，则会触发语音警报，该警报会持续到灯不亮或者操作人员关闭警报音为止。
44.画面采集主要依靠摄像头采集，并通过usb传输，软件采集哪个摄像头可以通过设置页面进行选取。若摄像头未接入读取不到画面，则软件会进行提示，操作人员可进行修改选用的摄像头，或者接入摄像头。软件主要利用ni-imaqdx驱动进行采集摄像头数据，图像类型选用32位的rgb类型，采集并显示画面的频率为20hz。并在界面上将采集的画面展示。此外，将本地系统时间显示于画面坐上角位置，除了方便获取时间外，可让操作人员借此判断画面是否正常采集。对后续软件要监测位置，在画面中会以红色方框的形式将其标注，操作人员可直观地查看摄像头是否被移动或监测位置是否被遮挡。
45.视频监测需要通过摄像头采集画面，但若摄像头位置及姿态出现变化，则会导致摄像头采集位置发生位移、画面偏转的情况，为了让摄像头位置更灵活，程序不能设计成固定的画面校正算法及固定的监测点位置，因此增加识别位置校准模块。重新架设好摄像头后，若监测点位置与指示灯位置有偏差，则可利用识别位置校准功能。在识别位置校准模块里，程序通过文字指引操作人员操作，让操作人员选定四处基准位置，程序会自动计算出各指示灯的位置，进而重新定位监测点，这些监测点位置信息会保存在一个配置文件中，回到主程序后，程序会重新读取该配置文件并进行后续的状态识别。
46.指示灯状态判别模块主要调用识别位置校准模块产生的监测点位置信息配置文件，获取各指示灯单独的子画面。根据指示灯布局，将指示灯位置划分为三个区域，第一个区域是红色小指示灯，第二个区域是绿色小指示灯，第三个区域是大指示灯。对三个区域的指示灯分别建立各自的颜色分类器文件。三个区域的子画面分别与对应的颜色分类器文件进行匹配，给出每一帧画面的指示灯识别状态，并对识别情况进行打分，分值越高，表明识别结果越可信。软件会将连续数帧画面的识别结果进行比较，对于只有一帧、两帧出现不同结果的情况进行忽略，最终的判定结果会相应的与软件界面下方的指示灯控件进行同步。
47.本发明在实际运用过程中，当出现异常遮挡下的指示灯状态识别时，指示灯画面获取是通过摄像头进行采集的，在摄像头与指示灯之间，经常会因为有人员的走动、切换指示灯附近的开关及上高压等情况影响指示灯的画面采集，势必会影响识别结果，因此根据采集的指示灯画面与模板的匹配程度，给出识别分值，对于连续两帧，出现2个及以上数量指示灯的识别结果分值过低的情况，则触发语音警报，告知用户操作人员有不明遮挡。
48.在复杂环境下的指示灯状态识别，通过摄像头获取的指示灯的颜色会随着不同的天气、灯光、周围物品颜色产生变化，人员靠近指示灯、周围指示灯的亮暗都会影响采集的指示灯画面的色调、饱和度、强度。各种复杂的环境会导致指示灯采集到的画面信息不同，有可能给出错误的识别结果。通过将不同光线强度环境下的状态指示灯画面进行采集制作成匹配样本，扩大样本的多样性，在识别状态时，对采集到的画面与模板的接近程度进行打分，将识别分值较低的画面存储，加入匹配样本继续识别，如此反复训练，进一步提高了识别率。将连续数帧画面的识别结果进行比较，对于只有一帧、两帧出现不同结果的情况进行忽略，确保最终识别结果的正确性。本发明的modbus总线冲突问题及处理方案，在本发明中，modbus是单主多从的结构，如果要从设备中返回数据，则每次访问设备时主机都需要发送“读保持寄存器”指令。则主机往不同设备发命令时会导致设备返回数据和主机发送指令在总线上发生冲突。通过计算可知，每次主机/从机通信传输一包数据耗时为(11(起始位+数据位+校验位+停止位)
×
(包数据字节数4+校验位7))/波特率
×249.采用波特率4800时，一次查询命令返回耗时约为0.05s。若每次通信，各从机节点都单独占用主线的话，一次完整的轮询耗时为0.75s，无法达到每秒钟查询两次的指标要求。
50.因此，为确保总线通信不冲突，同时达到每秒查询两次的指标要求，我们将15个智能仪表分为4组，主机建立4个master节点，则此时实际在主机与从机之间建立了4条总线。按照每秒两次的查询频率向各自管理的智能仪表(master节点1-3各管理4个slave节点，master节点4管理3个slave节点)。同时各个master节点管理的4个slave节点按照0s、0.1s、0.2s、0.3s的顺序添加延时，这样既可以保证延时时长大于一次完整轮询，也可以保证每秒2次的查询频率要求。
51.本发明采用labview图形化编译平台+g语言编程，设计并实现了发射机信息读取、采集、监视、记录及故障告警的工作平台系统，对于操作人员而言，可以更加方便快捷将发射机的各项参数指标进行监视，同时在出现任何故障的情况下进行快速响应，保证应急的效率，提升设备执行任务跟踪测量目标的能力。该系统可以读取发射机低压放大机柜面板上的电流、电压表的数据与发射机控保组合上的状态/故障指示，并实时记录设备工作状态与参数，判断设备工作状态，遇到超限及时报警。
52.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。