1456D邊界層風廓線雷達故障診斷與分析

繆明榕，鮑磊磊，劉俊，吳嘉偉，姜淑楊

(1.南通市氣象局，江蘇南通，226001；2.泰州市氣象局，江蘇泰州，225300)

1 風廓線雷達的工作原理

風廓線雷達工作時，首先由主控計算機控制產(chǎn)生高頻探測脈沖信號，該信號在發(fā)射前級和T/R組件中經(jīng)過移相放大后，再經(jīng)過天饋系統(tǒng)輻射出去，在空間進行功率合成，將能量集中到天線的某一波束方向上。

風廓線雷達波束方向共有五種，分別是：天頂、偏東15°、偏西15°、偏南15°、偏北15°五個波束方向。波束的發(fā)射順序包括數(shù)量可以由操作人員設定，但在為了能夠計算出風矢量，通常情況下至少應該包括一個垂直波束和兩個正交的傾斜波束。按照發(fā)射順序輪轉一遍叫做一次取樣。每一個距離門的數(shù)值都是大量取樣的平均值。

2 1456D型邊界層風廓線雷達系統(tǒng)組成

1456D型邊界層風廓線雷達主要由相控陣天線、饋線統(tǒng)、發(fā)射（接收）機、頻率源、信號處理器、數(shù)據(jù)處理和波控、UPS等幾部分組成[1]。其中相控陣天線、發(fā)射機柜（含波控）、T/R組件機柜放于室外。

2.1 相控陣天線

1456D型邊界層風廓線雷達天線陣面由4個子陣面構成，每個子陣面包含10×10組輻射單元，安裝時4個子陣面構成一個大的正方形陣面，行列均為20組輻射單元。天線陣面上，各輻射單元激勵電流的相位分布起著控制波束指向和波束掃描用相對于機械掃描，因此稱為電掃描。

2.2 風廓線雷達發(fā)射機和接收機

發(fā)射機由前級功放、T/R組件T通道功放、控保單元等組成，其作用是將頻率源送來的射頻激勵信號放大，產(chǎn)生符合雷達系統(tǒng)要求的相應的高頻雷達探測信號，通過饋線系統(tǒng)饋送到相控陣天線并輻射出去。它采用全固態(tài)有源相控陣體制，具有高效率、低損耗、高可靠性、體積小重量輕和維護方便等優(yōu)點。接收機由低噪放、由接收通道、頻率源、信號產(chǎn)生、中頻采樣、激勵源、時鐘與控制等部分組成。將天線接收的微弱回波信號經(jīng)過放大、變頻、濾波及數(shù)字化等一系列處理，從中提取目標物信息，1456D型邊界層風廓線雷達采用分布式發(fā)射和接收。接收機的主要用途就是將微弱信號無失真地變頻和放大到信號處理機所能處理和發(fā)現(xiàn)目標的程度[2]，并給系統(tǒng)提供全機時鐘，還給發(fā)射系統(tǒng)和RASS提供激勵信號。

2.3 T/R組件

T/R組件集發(fā)射、接收、波控功能為一體，主要由移相器、T/R（行列轉換）開關、隔離器、功率放大器、限幅器與LNA（低噪聲放大器）、環(huán)行器、定向耦合器和波束控制單元組成[3]。其主要功能：提供發(fā)射狀態(tài)下的功率增益和輸出功率；提供接收狀態(tài)下的低噪聲信號放大；進行波束（行列）切換；實現(xiàn)收發(fā)狀態(tài)下的移相功能。T/R組件是1456D型邊界層風廓線雷達的最核心部件，共有3種不同功率規(guī)格的T/R組件，分別為8只40W，6只120W和6只160W。T/R組件為高功率輸出單元，可產(chǎn)生高溫，也是本雷達的故障高發(fā)部位。

3 1456D邊界層風廓線雷達故障處理

（1）BIT對接收機、發(fā)射機、信號處理機、T/R組件狀態(tài)和發(fā)射功率等均自動進行故障檢測，檢測信息在風廓線雷達控制軟件終端用不同的顏色表示不同的風廓線雷達工作狀態(tài)。當系統(tǒng)提示故障時，可通過“控制程序”界面中的BIT顏色指示來判定故障源，再進行更換設備和維修。該系統(tǒng)可以通過直接更換模塊化的組件來排除故障，使故障的處理變得相對簡單。因此，比起常規(guī)雷達，它的故障排除快，其可用性更好。

（2）故障檢查邏輯

通過故障檢測邏輯，能很清晰的快速找到解決問題的路徑。

圖1 故障檢查邏輯圖

（3）通過目測檢查風廓線雷達各電源模塊的工作電流值，與已記錄的風廓線雷達系統(tǒng)正常工作時各電源模塊相應的值比較，即可判斷各相關分機的工作情況。發(fā)現(xiàn)分機電源工作電流偏小，可在系統(tǒng)關機情況下檢查分機所有電纜的連接情況。

南通1456D邊界層風廓線雷達自2010年10月份投入運行以來，發(fā)生幾次故障。

3.1 T/R組件故障

南通風廓線雷達系統(tǒng)的20只T/R組件安放在室外正面天線下方，機柜處于半封閉狀態(tài)，由4個自帶工業(yè)風扇降溫。由于24小時不間斷運行，風扇口容易積累灰塵。這樣散熱會有問題，容易使T/R組件發(fā)生故障。

幾次通過軟件監(jiān)測發(fā)現(xiàn)T/R組件故障，由于T/R組件是集成器件，通過更換T/R組件來排除故障[4]。一般只要故障的T/R組件不超過5個，不會影響雷達的正常運行，只是雷達波的副瓣點平升高，影響探測高度。

3.2 發(fā)射前級故障

一次，南通風廓線雷達控制軟件監(jiān)測顯示，T/R組件全處于故障狀態(tài)，輸出功率為零，雷達無產(chǎn)品生成。檢查兩個T/R機柜，溫度正常，判斷20只T/R組件同時損壞的可能性極小，應將故障定位在T/R組件之前的發(fā)射前級，用功率計測試前級各節(jié)點的功率，發(fā)現(xiàn)發(fā)射前級無激勵輸入，再檢查發(fā)射機，發(fā)現(xiàn)功率總輸出端線纜接頭處有燒糊，判斷為連接線過細致大功率擊穿，更換連接線后，故障排除。

另一次南通風廓線雷達在低模式下，控制軟件監(jiān)測顯示，大部分T/R組件處于故障狀態(tài)，輸出功率為零，但移相正常。在高模式下，雷達運行正常，輸出功率正常，有產(chǎn)品輸出。判斷大部分T/R組件同時損壞的可能性極小，故將故障初步定位在T/R組件之前的發(fā)射前級與1分10功分網(wǎng)絡。逐個開始排查，前級一個輸入一個輸出，輸入是接收機給它的激勵信號，用頻譜儀測試后沒有問題。再用功率計測試輸出口，發(fā)現(xiàn)低模式時功率沒有，高模式時功率偏小。拆開前級，輸出總口是通過銅片相連，發(fā)現(xiàn)由于溫度過高，銅片過小，使總口脫焊，銅片脫落，只靠焊錫相連，低模式電流小不可以通過，所以沒有功率。高模式電流大可以通過，選一個較大的銅片，并且用焊錫加固，雷達恢復正常。

3.3 噪聲干擾

2016年經(jīng)過6-7份跟蹤觀察發(fā)現(xiàn)南通風廓線雷達間歇性的探測高度只有1000多米，低于正常的探測高度。經(jīng)過檢測后發(fā)現(xiàn)雷達本身無故障。懷疑雷達招到到了干擾。探測高度明顯過低時，我們請了南通市無線電管委會的工作人員對我們雷達外部環(huán)境進行檢測，發(fā)現(xiàn)雷達外部有一個很強的1.09GHZ的干擾信號。雖然跟雷達1.28GHZ中心頻點有些距離，但干擾信號很強，影響到雷達的正常信號。后來我們聯(lián)系廠家給雷達增加了濾波器，故障解決，雷達正常運行。

3.4 其他故障

南通風廓線雷達位于南通興東國際機場旁邊，由于我們接的旁邊興東鎮(zhèn)的農(nóng)用電，電壓時常不穩(wěn)定，特別是夏天用電負荷高時就導致斷電。斷電后UPS能正常給雷達供電，但是偶爾會出現(xiàn)，農(nóng)用電剛送上，雷達停機。后來分析剛送電的時候農(nóng)用電電流過大，電壓不穩(wěn)，UPS電源會停機自我保護。因為UPS是串聯(lián)在線路中，UPS停機后雷達就不能正常工作。出現(xiàn)這樣的情況，等市電穩(wěn)定后，手動對UPS開機，使雷達正常運行。

4 總結語

對于風廓線雷達臺站的重要工作是監(jiān)控雷達的運行狀態(tài)，出現(xiàn)故障及時定位故障和排除故障。雷達的相關配套設備對雷達的穩(wěn)定運行也極其重要，必須配足并確保運行正常。

T/R組件是此雷達的故障高發(fā)點，但只要損壞少于5只T/R組件，不影響雷達的正常工作，只對探測高度等性能有所影響。

南通風廓線雷達的T/R組件放置在室外的天線下機柜里，防腐蝕、防塵、防風雨、降溫一直是個問題，使得一些器件快速老化，容易發(fā)生故障。計劃今年對雷達進行改造，將T/R組件機柜等一些設備移至設備機房內，室外就留天線，解決上述問題。