Изменение спроса на цифровые осциллографы высокого разрешения для метеорологических зондирующих шаров 

Метеорологические зондирующие шары являются основным средством вертикальных наблюдений в верхних слоях атмосферы. Оснащенные высокоточными зондирующими приборами, они позволяют осуществлять непрерывный сбор данных о таких метеорологических параметрах, как температура, влажность, атмосферное давление, поле ветра и электрическое поле атмосферы, в диапазоне высот от поверхности до стратосферы (20–30 км). Они являются основным источником данных для численного прогнозирования погоды, анализа климата и раннего предупреждения о неблагоприятных погодных явлениях. Система зондирования работает в сложных условиях высокогорья, характеризующихся низкими температурами, низким давлением, сильным электромагнитным излучением и турбулентными возмущениями в атмосфере. Такие мельчайшие проблемы, как дрейф слабых сигналов датчиков в диапазоне микровольт, переходные помехи в передаче данных и пульсации напряжения питания, могут непосредственно привести к искажению данных метеорологических профилей и превышению допустимых отклонений в наблюдениях.

Рабочие характеристики системы метеорологических зондирующих шаров и основные проблемы при тестировании:

Процесс работы метеорологических зондирующих шаров включает в себя полный цикл: наземную калибровку в статическом состоянии, динамические наблюдения во время подъема, плавающий полет в стратосфере и наблюдения во время спуска. Весь процесс проходит от тропосферы до стратосферы, где параметры окружающей среды резко меняются. Электрическая система зондирования характеризуется четырьмя основными особенностями: слабый сигнал, низкая полоса пропускания, склонность к дрейфу и восприимчивость к помехам, что создает явные ограничения для обычного тестового оборудования.

Сложные особенности высотных работ
В процессе подъема зонда вместе с воздушным шаром температура окружающей среды резко падает с нормальной наземной до значений ниже -55 °C, а атмосферное давление снижается с нормального до крайне низкого уровня в несколько десятков паскалей. Одновременно с этим возникают помехи от ионизации космической радиации в высоких слоях атмосферы, вибрации от атмосферных турбулентностей и помехи от накопления статического электричества. Режим зондирования с возвратом и плаванием по горизонтали позволяет осуществлять наблюдения на двух этапах — при подъеме и при спуске, что предъявляет более высокие требования к долгосрочной стабильности оборудования и согласованности сигналов, поскольку даже незначительные отклонения в электрических характеристиках могут привести к погрешностям в метеорологических наблюдениях.

Основные проблемы традиционных испытаний:
Невозможность различить слабые сигналы датчиков: выходные сигналы датчиков температуры, влажности, атмосферного давления и электрического поля в основном представляют собой аналоговые сигналы уровня от микровольт до милливольт, амплитуда которых крайне мала, а изменения происходят медленно. Традиционные 8-разрядные осциллографы имеют всего 256 уровней квантования, при этом квантовый шум намного превышает уровень полезного сигнала датчика, что не позволяет уловить небольшие дрейфы и линейные отклонения, что приводит к недостаточной точности калибровки датчиков.

Температурный дрейф на больших высотах приводит к потере точности параметров: АЦП зондового прибора и схемы подготовки сигнала подвержены температурному дрейфу при чередовании высоких и низких температур; у обычных приборов слишком высокий уровень фонового шума, что не позволяет отличить собственный дрейф схемы от реальных изменений метеорологического сигнала, что является основной причиной системных отклонений в системах метеорологических наблюдений.

Трудность воспроизведения переходных сбоев в беспроводной передаче данных: данные сондажа передаются в реальном времени по УКВ-каналу связи; помехи от ионосферы на высоте и переходные падения напряжения питания легко приводят к случайной потере пакетов и ошибкам кода; такие переходные аномалии имеют короткую продолжительность и сильный случайный характер; глубина памяти и точность запуска обычных осциллографов недостаточны, что не позволяет точно фиксировать и отслеживать их причины.

Несоответствие наземной калибровки условиям в верхних слоях атмосферы: обычные испытания в основном представляют собой статические испытания при комнатной температуре, которые не могут имитировать динамические условия высоких и низких температур и низкого давления, характерные для всего процесса зондирования. Испытательные данные значительно отличаются от реальных условий работы в верхних слоях атмосферы, что затрудняет обеспечение квалификации оборудования при выпуске и его стабильности в полевых условиях.

Пригодность цифровых осциллографов высокого разрешения и их преимущества
Основное преимущество цифровых осциллографов высокого разрешения заключается в повышении способности различать слабые сигналы, снижении фонового шума системы и обеспечении стабильности в широком диапазоне температур, что идеально соответствует требованиям метеорологических зондирований к низкой амплитуде, медленным изменениям, высокой стабильности и устойчивости к дрейфу, что составляет существенное отличие от универсальных осциллографов.

Сверхвысокая точность квантования, устранение ошибок квантования
Обычные 8-разрядные осциллографы имеют всего 256 уровней квантования по полному диапазону, минимальное разрешаемое напряжение слишком велико, что легко заглушает слабые сигналы датчиков. 12-разрядные осциллографы высокого разрешения обеспечивают 4096 уровней квантования, а 16-разрядные модели — до 65536 уровней, что повышает точность квантования в 16–64 раза и позволяет точно распознавать колебания сигналов в диапазоне микровольт.

Конструкция со сверхнизким уровнем фонового шума, отделение сигнала от помех
В условиях сондажа сложные электромагнитные, электростатические и радиационные помехи на больших высотах. Осциллографы с высоким разрешением значительно снижают собственный фоновый шум прибора за счет аппаратных схем с низким уровнем шума, оптимизированного экранирования и алгоритмов цифрового шумоподавления.

Стабильная работа в широком диапазоне температур, адаптированная к всем условиям работы зондирования
Осциллографы промышленного класса с высоким разрешением поддерживают стабильную работу в широком диапазоне температур от -55 °C до 70 °C. Коэффициент температурной дрейфа схем крайне низок, что позволяет моделировать условия изменения температуры на протяжении всего процесса зондирования, выполнять непрерывные испытания в условиях чередующихся высоких и низких температур, точно определять погрешности температурного дрейфа схем зондирующего прибора и обеспечивать высокую степень соответствия между наземной калибровкой и реальными условиями работы на высоте.

Большой объем памяти и точная синхронизация, фиксация случайных переходных сбоев
Для устранения таких периодических сбоев, как случайные ошибки в канале передачи данных сондажа и переходные колебания напряжения питания, осциллограф высокого разрешения оснащен функциями большого объема памяти и расширенной синхронизации. Он способен в течение длительного времени непрерывно регистрировать низкочастотные сигналы датчиков и высокочастотные импульсные сигналы передачи данных, точно фиксируя переходные аномалии в миллисекундном диапазоне, что обеспечивает отслеживаемость и воспроизводимость сбоев.

Требования к высокоразрешающим цифровым осциллографам в системах метеорологических зондирующих шаров:

Высокоточная калибровка метеорологических датчиков и проверка линейности
Основные датчики метеорологического зондирования — датчики температуры, влажности, атмосферного давления и электрического поля — имеют плавные изменения выходного сигнала и малую амплитуду, а точность наблюдений напрямую определяет качество данных метеорологических профилей. Осциллографы высокого разрешения используются для статической калибровки и динамических испытаний на температурную стабильность, точно регистрируя аналоговое напряжение на выходе датчиков, строя линейные кривые вход-выход и проверяя такие ключевые параметры, как смещение нуля, дрейф чувствительности и ошибки гистерезиса.

С помощью совместного тестирования в камере с высокими и низкими температурами в сочетании с осциллографом моделируются изменения температуры на всем протяжении от поверхности до стратосферы, количественно оценивается погрешность температурного дрейфа датчиков, корректируются компенсационные параметры системы, что позволяет решить проблему недостаточной точности традиционных методов калибровки и невозможности количественной оценки отклонений, эффективно повысить точность наблюдений данных вертикальных профилей атмосферы и снизить погрешности при сверке данных спутникового дистанционного зондирования с данными наземных зондирований.

Тестирование цепочки подготовки сигнала и сбора данных АЦП в зондировательном приборе
Современные интеллектуальные зондировательные приборы используют архитектуру многоканального синхронного сбора данных, при этом сигналы с нескольких датчиков после усиления, фильтрации и подготовки поступают в модуль АЦП для оцифровки. Слабые шумы в цепочке, искажения при усилении и перекрестные помехи между каналами могут привести к искажению метеорологических данных.

Осциллограф высокого разрешения позволяет синхронно наблюдать формы сигналов на нескольких каналах до и после обработки, точно измерять полосу пропускания фильтра, фазовую задержку сигнала и согласованность каналов, выявлять фоновый шум на уровне микровольт и напряжение смещения усилительных цепей, а также выявлять скрытые проблемы, такие как скачки дискретизации АЦП, квантовые ступени и джиттер данных, что обеспечивает стабильность и согласованность синхронного сбора многокомпонентных метеорологических данных. 16-разрядная тестовая архитектура с высоким разрешением позволяет удержать погрешность дискретизации в пределах крайне низких значений во всем диапазоне температур, что значительно повышает общую точность наблюдений зондирующей системы.

Тестирование стабильности системы питания с низким энергопотреблением на больших высотах
Зондирующий прибор на протяжении всего полета питается от литиевой батареи. В условиях низких температур на больших высотах внутреннее сопротивление батареи увеличивается, а колебания выходного напряжения усиливаются. Пульсации питания и переходные падения напряжения могут непосредственно привести к сбоям в работе датчиков, перезапуску модуля передачи данных и обрыву связи.

Осциллограф высокого разрешения позволяет точно фиксировать низкочастотные пульсации на выходе источника питания, мгновенные падения напряжения и импульсы включения в условиях низких температур в высоких слоях атмосферы, измерять стабильность источника питания при малой, большой и мгновенной пиковой нагрузке, выявлять такие скрытые проблемы, как отказ стабилизатора напряжения, износ фильтрующих конденсаторов и нестабильность питания при низких температурах, оптимизировать стратегию энергопотребления источника питания зонда и обеспечить надежность питания для длительных зондирований с плавающим дрейфом.

Тестирование целостности сигналов и устойчивости к помехам в канале беспроводной передачи данных
Данные сондажа передаются в реальном времени по УКВ-каналу, при этом помехи от ионосферы на больших высотах, электростатические разряды и паразитные сигналы соседних диапазонов частот могут легко вызывать импульсные помехи, приводящие к ошибкам в данных, потере пакетов и кратковременным обрывам связи.

Осциллографы высокого разрешения могут в течение длительного времени непрерывно регистрировать модулированные сигналы передачи данных, сравнивать искажения стандартных сигналов с фактическими сигналами, измеренными в верхних слоях атмосферы, и точно идентифицировать такие аномалии, как импульсные помехи, затухание амплитуды и скачки фазы. В сочетании с частотным спектральным анализом FFT они позволяют определять частоту и источник помех, обеспечивая точную информационную поддержку для оптимизации защиты модулей передачи данных сондажей от помех и проектирования фильтров для диапазонов связи, что повышает успешность передачи данных в сложных электромагнитных условиях верхних слоев атмосферы.

Анализ неисправностей в полевых условиях и проверка достоверности данных наблюдений
В ходе повседневных метеорологических зондирований при возникновении таких проблем, как резкие изменения температуры и влажности, аномалии в ветровом поле или скачки данных, с помощью осциллографа высокого разрешения можно провести повторные испытания возвращенных в воздух или зондов из той же партии, сопоставить их с историческими данными сигналов и различить электрические неисправности оборудования, отказ датчиков, реальные изменения погодных условий, что обеспечивает техническую основу для контроля качества метеорологических данных, корректировки партий оборудования и оптимизации алгоритмов наблюдения, гарантируя авторитетность и точность метеорологических данных.

Детальные операции с системой метеорологических зондирующих шаров в основном включают следующее:

оптимизацию полос пропускания и частоты дискретизации, настройки шумоподавления и защиты от помех, тестирование во всем диапазоне температур, точное срабатывание и захват сигналов; для решения проблем, связанных со случайными скачками данных и падениями напряжения, используются функции пограничного срабатывания и срабатывания по амплитудному окну, что позволяет точно фиксировать аномальные сигналы, определять местоположение неисправностей и воспроизводить их.

Например:

Цифровые осциллографы серии DHO800
DHO802 и DHO804 — 70 МГц; DHO812 и DHO814 — 100 МГц. Разработаны на базе технологической платформы RIGOL «Centaurus», отличаются сверхнизким уровнем шума, обеспечивают более чистый сигнал и не пропускают даже самые слабые сигналы. Все модели этой серии поддерживают разрешение до 12 разрядов. Максимальная аналоговая полоса пропускания 100 МГц, 4 аналоговых канала, двухканальные модели в стандартной комплектации оснащены внешним триггерным выходом, частота дискретизации в реальном времени до 1,25 ГГц, максимальная глубина памяти 25 Мточек, диапазон вертикальной чувствительности: от 500 мкВ/дел до 10 В/дел. Максимальная скорость захвата 1 000 000 wfms/s (в режиме UltraAcquire), цифровой флуоресцентный дисплей, поддержка 256-уровневой градации яркости в реальном времени, функции поиска и навигации по осциллограммам помогают быстрее выявлять аномалии в сигналах. Все модели этой серии в стандартной комплектации оснащены интерфейсами USB для подключения к устройствам и хосту, LAN и HDMI.

Цифровые осциллографы серии DHO900
Модели DHO914 и DHO914S имеют полосу пропускания 125 МГц; благодаря сверхнизкому уровню шума сигнал остается чище, и даже самые слабые сигналы не упускаются. Все модели этой серии поддерживают разрешение до 12 разрядов. Максимальная аналоговая полоса пропускания 250 МГц, 4 аналоговых канала, 16 цифровых каналов (стандартная конфигурация); для использования пробников логического анализатора требуется дополнительная конфигурация; максимальная частота дискретизации в реальном времени 1,25 ГГц.
Максимальная глубина памяти 50 Мточек, диапазон вертикальной чувствительности: от 200 мкВ/дел до 10 В/дел. Максимальная скорость захвата 1 000 000 wfms/s (в режиме UltraAcquire), цифровой флуоресцентный дисплей, поддержка 256-уровневой градации яркости в реальном времени, встроенные функции AFG, анализ волновых диаграмм, гистограмм, анализ цифровых сигналов и др. Функции поиска и навигации по сигналам помогают быстрее выявлять аномалии в сигналах.

Помимо этого, имеются цифровые осциллографы высокого разрешения серий DHO1000 и MSO5000.

Вывод:

Основная конкурентная преимущество метеорологических зондирующих шаров заключается в высоком уровне точности, стабильности и согласованности исходных данных об атмосфере, а точное измерение слабых сигналов датчиков зондирующих приборов и проверка их стабильности в любых условиях эксплуатации являются залогом качества наблюдений. Благодаря своим основным преимуществам — сверхвысокой точности квантования, сверхнизкому уровню шума и стабильной работе в широком диапазоне температур — цифровые осциллографы высокого разрешения полностью решили проблемы отрасли, связанные с невозможностью распознавания дрейфа сигналов в диапазоне микровольт и сложностью выявления скрытых электрических неисправностей, которые не могли быть решены с помощью традиционного испытательного оборудования, и стали основным испытательным оборудованием для разработки и типовой сертификации зондовых приборов, заводской калибровки, полевой проверки и контроля качества данных.

С распространением новых технологий, таких как зондирование с возвратом и интеллектуальное беспилотное зондирование, требования к долгосрочной стабильности оборудования и контролю минимальных погрешностей в метеорологических наблюдениях постоянно растут. Цифровые осциллографы высокого разрешения будут в дальнейшем сочетаться с технологиями автоматизированного тестирования и анализа сигналов с помощью искусственного интеллекта, что позволит реализовать полностью автоматическую калибровку характеристик зондов, интеллектуальное распознавание неисправностей и автоматическую коррекцию погрешностей, способствуя итерационному обновлению оборудования для высотных метеорологических наблюдений в направлении повышения точности, интеллектуализации и надежности.

О компании:
О компании Xi’an Mingxi Taida Information Technology Co., Ltd
Компания Xi’an Mingxi Taida Information Technology Co., Ltd была основана в 2014 году и расположена в городе Сиань, провинция Шэньси. Компания занимает площадь более 1000 квадратных метров и насчитывает 24 сотрудника. Это профессиональное технологическое предприятие, объединяющее в себе разработку, продажу и сервисное обслуживание продукции. Благодаря более чем десятилетнему опыту в области НИОКР, производства и продаж, компания самостоятельно разрабатывает и производит испытательное оборудование, а также платы и модули PCIE/PXIE. Кроме того, компания специализируется на продаже роботов, мультиметров, осциллографов, спектральных анализаторов, тепловизоров, инфракрасных термометров, приборов для испытаний в условиях окружающей среды, тестеров сопротивления изоляции, кабельных тестеров, лазерных дальномеров, оборудования для обнаружения утечек, а также различных круглых разъемов и других приборов и электронных компонентов.

Региональный официальный сайт: https://www.mxtd.ru/
Официальный сайт на английском языке: https://www.mxtdtest.com/
Электронная почта: manager03@mxtdinfo.com (Annie Guo)
manager02@mxtdinfo.com (Fiona Liu)
Телефон: +86 15809285650 (Annie Guo)
+86 17791566458 (Fiona Liu)
WhatsApp: +86 15809285650 (Annie Guo)
+86 17791566458 (Fiona Liu)