设计背景

本次软件的开发及设计选题来自，南京信息工程大学鲍艳松教授依托学校与江苏无线电有线公司和中国人民解放军95871部队开发的地基微波辐射计，在陈遥老师的指导下完成，我主要其中的软件系统开发。

下图为毕业典礼那天与鲍艳松的合照，因为赶巧没遇到陈遥老师，后面牌子是整个合作项目成立的技术研究院

摘要

地基微波辐射计是一种被动式的大气探测仪器，具有连续性观测隐秘性好等特点，本次设计基于多通道地基微波辐射计硬件系统开发配套的软件显控系统。

传统数据管理模式采用机器电脑绑定模式，本次毕业设计将采用分布式数据库进行设计和开发，对三层架构的进一步解耦，使用Python后端加Qt前端界面加TiDB作为主存储数据库的组合模式，完成数据接收存储及快速查询和图片渲染操作。存储采用TiDB数据库，在后续开发和版本迭代可实现联合组网模式，结合气象站点的其他设备，提供更加精准的预报资料；最后完成对其他辐射计数据进行质控操作，以在团队整个软硬件系统完成开发后进行对比和分析。

关键词：地基微波辐射计；TiDB数据库；Python

为什么

背景问题

大气的温度、湿度和压强信息是大气环境的重要参数，

传统的探空技术主要以主动式探测为主如探空气球，常规探空资料虽然具有较高的代表性和可信度，但是也通常因为成本和技术等原因无法获得连续稳定的气象参数，连续稳定的温湿廓线对未来信息化社会有着重要意义^1。

因此，发展新的探测仪器和探测方法，弥补目前常规大气探测资料的不足，获取实时、高精度、时间连续的高空气象数据，已成为气象领域的一大重要研究方向[^2] 。

具体问题

微波大气温湿廓线仪的出现为解决上述难题提供了新的技术方法，有望解决高空大气温湿度、液态水含量、大气折射率的全天候、无人值守、时间连续高精度探测问题[^3]，本次毕业设计基于项目组的多通道地基微波辐射计硬件系统设计开发一套图像显示控制及质量控制系统。

小结

  • 必要性
    • 大气重要参数
    • 新发展需要连续的数据

怎么做

研究现状

国外主要有Radiometrics的MP-3000A和Airda的HTG3等型号，

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上图为 MP-3000地基微波辐射计

国内早期主要有中国兵器二零六研究所与兰州大学大气科学学院联合完成产品研制的MWP967KV型地基微波辐射计[^4]。

从软件设计角度，受限于当时的技术水平和经济因素等影响，早期地基微波辐射计主要采用一个硬件系统对应一套软件系统，且数据输出格式固定，无法互相兼容，不利于后期统一处理和分析，郭伟等通过微波辐射计网络资料处理系统实现在增雨过程中快速、直观、准确掌握区域内天气状况[^5]，但是对于车载船载等其他需要单机使用情况无法做到离线实时处理和显示，即网络处理原系统的思路仍然是先收集后归档集中处理的异步式处理方式，

本系统提出一种可分布式部署的多通道地基微波辐射计图像显示及控制系统，旨在完成可以在线使用，也可单机离线使用的分布式地基微波辐射计系统。

基本原理

微波辐射计可以实施的基本原理是普朗克定律，即所有物质只要不在绝对零度以下都将辐射电磁能量[^6]。则可以根据已知物体温度和其辐射的电磁能量，去反推已知电磁能量物体的温度，水汽和氧气对特定波长的微波吸收较强，从而根据吸收的多少确定含义多少水汽等。

MP-3000地基微波辐射计为Radiometrics的MP-3000地基微波辐射计，主要由接收机、外壳、透波材料和风扇等其他辅助设备组成，基本流程是：大气微波辐射通过透波材料进入内部微波辐射计接收机，内部接收机将微波信号放大并转换为电信号，根据已知电信号和物体的辐射去处理下次的电信号就是最简单的定标原理，定标就是建立接收机接收信号和转换成最后电信号之间的关系式，反演就是根据亮温特征判断吸收情况，从而反推水汽密度等信息。

场景分析

微波辐射计的使用模式分为固定模式和移动模式，车载船载等属于移动模式，固定站点使用属于固定模式，此软件为地基微波辐射计设计不考虑星载情况。

存在某个站点有多个微波辐射计的使用情况，用于对比微波辐射计的精度或稳定性或其他科研目的，存在一个站点微波辐射计转移到另一个站点或使用主体情况，如从测试环境到生产环境，从旧站点迁移到新站点。

小结

  • 可行性

    • 国外已经有部分产品
    • 国内也有部分产品
    • 原理是经过科学验证的

  • 必要性

    • 既然国内外都有了产品，为什么还要研发

    • 新时代有了新的技术方法

      • 比如网络预报数据及实际观测数据，甚至其他设备数据等多种数据融合
      • 人工智能方法与各个学科的交叉应用

    • 新时代有了新的需求

      • 受限于这些设备当时的社会及科技背景，都是采用文件存储的方式，给后面的气象组网等研究带来很大的不方便
      • 观测与预报相互结合，即时更新数据，适用于新时代的发展需求，如结合车联网等，提供及时准确针对性区域数据

具体实施

实现技术

考虑到开发速度，第一版本采用Python+Qt开发，使用Tidb分布式数据库，因为连续的数据量很大，而且后面涉及组网需求。

还是经典的三层架构，View负责与用户交互，Controller负责转发数据，Service负责实际的业务处理，因为python多进程可以通过库实现不同机器的协调，在条件允许情况下，可以将计算任务分离到云端或者高性能机器处理。

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上图为系统整体体系结构

其他实现方法和细节在后期专利和软著申请齐全的情况下，可以在此适当追加详细说明，为避免不必要麻烦暂时就不在此赘述。

开发插曲

中间出现一些插曲，因为下位机发包频率过高，导致前一部分还未发送完后一部分就强制覆盖，导致上位机收到的数据一直校验不通过，而且上位机收到的数据每一部分都是相对较为“合理”的，比如出现的数据包ID或是长度都是某些数据包正确的ID或长度，但是都出现在了不该出现的位置，即被后面的强制覆盖了。

关于串口数据的处理应该是应用再维护一个数据缓存器，而不是直接利用上位机的系统串口缓存区，否则可能出现处理及等待速度不好协调的情况，比如设置等待系统缓存情况若是出问题的策略不好控制异常种类，而自己维护一个缓存区较为容易控制。

上图为测试的 移动气象站 串口线

实现

前前后后花了很多功夫，也学到了不少知识，最后也是顺利通过第一阶段样机验收，正常获取数据并反演存储及显示，为避免不必要麻烦（如版权、机密等问题）就不展示演示及验收视频，等到后面产品化，再到对应官网查看即可。

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上图为第一阶段第一版本的部分开发界面视图

[^2]:柳昭辉,刘黎平,周筠珺. 地基微波辐射计在云南地区反演液态云水路径与可降水量的应用[J]. 中国科技纵横,2014(6):239-241. DOI:10.3969/j.issn.1671-2064.2014.06.175.
[^3]:吴皓. 地基微波辐射计的定标和显控软件的设计与实现[D].电子科技大学,2014.
[^4]:刘晓璐,刘东升,郭丽君,雷连发,冯金燕.国产MWP967KV型地基微波辐射计探测精度[J].应用气象学报,2019,30(06):731-744.
[^5]:郭伟,王振会,孙安平,胡方超,楚志刚,潘旭光.地基微波辐射计网络资料处理系统设计及实现[J].气象,2010,36(04):120-125.
[^6]:FT乌拉比, RK穆尔，冯健超.微波遥感第一卷.微波遥感基础和辐射测量学.科学出版社, 1988