氣象雷達原理及故障維護

劉 康，陳 陽

（廣東省肇慶市氣象局，廣東 肇慶 526000）

氣象雷達是探測氣象情況以及其他氣象信息，可以及時了解到探測目標的輪廓、雷雨區的強度、雷雨區的方位和距離等信息，并且將信息反饋到顯示設備上。氣象雷達在天氣預警和預報過程中的應用十分廣泛，是各種天氣系統的主要探測工具之一，常規的雷達裝置主要包括定向天線、發射機、接收機、天線控制器、顯示器等部分，每一個裝置協調發揮作用，在各種災害性、突發性天氣的預報和警報中具有極其重要的作用。

1 氣象雷達的工作原理

氣象雷達的基本原理是通過目標對雷達波的反射情況來確定目標的位置和特性，如果目標物體的導電性能越好，則目標物體對雷達波的反射能力也就越強，反射的面積也越大，反射能量越高。物體的幾何尺寸和波長相差很大的時候，反射的能量將會變弱，如果目標物體的反射面的直徑可以和雷達波的波長相比擬，則反射的能量也會明顯升高。目前用于氣象探測的雷達的工作頻率一般都為200～10 000 MHz。氣象雷達的工作原理具體包括以下幾個方面[1]。

1.1 距離測定

對目標物體與底地面之間的距離進行測定是氣象雷達的主要任務，氣象雷達發射的電磁波是以光速在空中傳播的，通過測量之后可以接收到目標回波信號，接收到回波信號與發射脈沖之間的時間間隔為t，則可以計算得出測量目標與飛機之間的距離為L=ct/2，其中c為光速。目標物體的距離的分辨力主要決定于脈沖的寬度，如果先要提高區分近距離目標的能力，則必須要使用比較窄的脈沖寬度。

1.2 方位測定

對目標物體的方位進行測定，主要是通過測定雷達天線波束軸的瞬時方位來確定的。雷達天線所形成的波束呈圓錐形，寬度較窄，當雷達的天線指向某一個特定的方位的時候，只有在這一個方位上的物體產生的目標回波才能被雷達接收到，并且由雷達裝備將接收到的回波信號傳輸給顯示器，在顯示器上顯示出實際方位。雷達的方位分辨能力主要取決于天線水平面內的波束寬度，寬度越窄，分辨能力也就越好。

1.3 降水探測

氣象雷達（見圖1）是監測氣象狀況的主要工具，因此對降水進行探測是氣象雷達監測的重要內容。雨、冰雹、雪等物質都屬于導電的水物質，氣象雷達可以探測到雨滴或者比較潮濕的冰雹，但是對于云、霧、干燥的冰雹等無法探測到，含水的物質可以對雷達發射出來的射頻脈沖能量進行吸收，并且還會有一部分能量被損耗，其余的能量將被反射回來。在雷達的有效監測范圍內，都可以對反射的信號進行接收，具有一定直徑和密度的降雨區域可以產生有效的回波，從而被氣象雷達監測出來。根據氣象雷達監測到的發射信號的強弱，可以推斷出目標物體的含水量，在顯示器上可以區分出不同的目標性質、強弱狀態等。

圖1 氣象雷達

1.4 湍流檢測

湍流指的是大氣中運動的、多變的氣流，氣流的變化對于飛機的平穩飛行有很大影響，會使進入湍流中的飛機產生顛簸現象，甚至可能對飛機的結構造成破壞，一般暴雨天氣會伴隨湍流出現，其危害十分嚴重。在氣象雷達檢測過程中，對湍流的監測也異常重要。湍流的監測主要是根據多普勒原理實現的，因為多普勒頻移與相對速度之間的偏差成正比，具體公式為f=2v/λ。雷達接收機可以接收到相應的信號，對信號的多普勒頻譜寬度和規定的參數之間進行對比，如果實際得到的值比參數值大，則可以判定出目標是湍流，并且給出相應的報警信息。需要注意的是，氣象雷達并不能探測到干燥的湍流。

1.5 風切變檢測

風切變指的是在一個區域范圍內風速和風向突然發生改變的情況，這種情況對于飛機的飛行也有十分嚴重的危害，是造成事故的主要原因，尤其是低空風切變，對飛機起飛、著陸等有很大的安全隱患。氣象雷達可以進行風切變檢測，具體原理是根據風切變區域產生的回波信號的多普勒頻移的頻譜特征來確定風切變情況。

2 氣象雷達的故障維護

氣象雷達的利用率很高，日常使用比較頻繁，而且與氣象雷達相關聯的其他系統也比較多、復雜，所以氣象雷達使用過程中出現故障也是不可避免的。在氣象雷達的使用過程中，常見的故障有以下幾種[2-3]。

2.1 雷達不掃描

氣象雷達不能掃描是雷達使用過程中的常見故障，主要是由于天線組故障引起的。天線組有掃描和俯仰兩個通道，掃描通道主要用于對波束進行掃描，可以完成具體的目標的探測，如果掃描通道不能掃描，則天線組無法正常工作。天線組包括電機、機械傳動裝置等部分，主要的故障原因是電機損壞以及卡阻，所以在檢測故障的時候要觀察電機是否損壞，如果電機損壞，要及時進行更換，如果電機中有異物導致電機被卡阻，則要及時清除異物。

2.2 雷達圖像顯示不正確

造成雷達的圖像顯示錯誤的原因主要有3種：第一種是顯示器出現故障，第二種是雷達的收發機內部的電路出現異常，第三種是平板天線或波導管內有灰塵以及其他雜物。在維護的時候，首先檢查顯示器，看顯示器能否正常顯示，如果顯示器出現故障，不能正常顯示，則要及時更換顯示器；然后檢查插頭、插座、波導管連接處等位置，發現松動、異常情況時要及時處理；最后再定期對收發機、通風管、波導管、平板天線等進行清潔。

2.3 雷達不能正常運行

雷達不能正常運行的主要原因有兩個方面，一個是由于雷達的供電系統出現故障，另一個則是由于收發機的內部電路不能正常工作。在維護過程中，首先要檢查雷達系統的相關開關是否出現在正確的狀態，然后對控制盒進行確認，并且對雷達進行操作調試，確保雷達的天線底座上的馬達以及驅動機構可以正常工作。如果完成以上步驟之后故障還是存在，則需要及時更換收發機，然后進行操作測試。

2.4 氣象雷達的散熱問題

氣象雷達使用過程中會產生較高的溫度，散熱是否良好，對氣象雷達的工作性能有較大影響。比如雷達的顯示器如果散熱不好，則會導致顯示器超溫，圖像丟失，當顯示器的溫度超過80 ℃的時候就會切斷氣象雷達的顯示。影響其通風散熱效果的主要原因是后部的濾紙堵塞，在雷達的運行過程中，必須要隨時檢查其后部的濾紙是否被堵塞，一旦發現有堵塞狀況，要及時進行清理。另外，散熱不好還會影響顯示圖像的強弱，此時要關注顯示器的背景色旋鈕是否在對應位置上，確保其處于正常位置。

2.5 接收信號故障

外部環境對雷達的運行有很大影響，比如當雨水進入波導管之后可能會導致波導管被燒毀；雷達的平板天線都采用縫隙天線陣，每一個縫隙都是一個半波對稱振子，如果有積水則會改變雷達天線的介電常數，使得每一個縫隙的等效長度不能再作為半波振子，天線方向上得不到最大輻射電場，所以雷達天線接收到的目標反射波能量就很小，導致雷達接收機處理信號后誤認為前方雷雨或天線故障。針對這種問題，必須要加強對雷達的日常保護，注意雷達罩的密封良好，無破損。氣象雷達故障一般發生在氣候多變時期，尤其是降水量較大的春季和夏季，雷達超負荷工作會導致故障率升高，所以在這些時期必須要加強對雷達系統的嚴格檢查。

3 結語

綜上所述，氣象雷達是對氣象信息進行監測的主要設備，在氣象檢測領域具有十分重要的作用。氣象雷達通過發射脈沖波，被目標物體反射之后由雷達設備接收反射回波，進而對目標物體的位置、方位、強度等進行測試。在氣象雷達的使用過程中，要及時對設備進行檢測、維護，確保設備可以正常運行。