梅州雙偏振雷達天線過沖故障分析

黃彬 賀漢清 陳玉華

（廣東省梅州市氣象局，梅州 514021）

0 引言

雙偏振雷達目前在天氣雷達領域已是趨勢所在，根據氣象現代化部署，截至2020年，廣東天氣雷達將全部升級成雙偏振雷達[1-4]，梅州雙偏振雷達采用成熟的、業務上應用廣泛的雙發雙收模式，發射機輸出信號功分兩路，分別以水平和垂直極化方式同時發射，雙通道接收機和數字中頻對數據進行并行處理，有效改善反射率測量精度和準確性，更好的消除地物雜波，大大降低了系統相位噪聲，提高了觀測數據和產品的質量。2017年4—7月，梅州雷達機務人員發現梅州雷達會不定期出現系統正常掃描情況下天線沖頂的故障[5-7]，且期間天線動態錯誤比平時出現的要頻繁，出現沖頂故障后機務人員可以通過進入天線座俯仰倉，手動裝置將天線搖動到正常位置，重新加載軟件控制系統使雷達正常運行，但一段時間后又會出現相同故障，故障出現時間的隨機性大，嚴重影響了臺站雷達的業務正常運行。根據CINRAD/SA雷達的基本原理，雷達機務人員對此次雷達故障進行了檢查和維修，發現故障原因為軸角編碼盒性能不穩導致不定時發生天線過沖，更換新軸角編碼盒器件后觀察了4個月，未出現天線沖頂故障，確定故障解決，并對此次故障進行總結和記錄，以期對雷達其他類似故障的處理提供參考。

1 故障現象分析

梅州新一代天氣雷達升級雙偏振后進行業務試運行過程中，大概間隔半個月左右會出現一次天線俯仰沖頂，導致雷達停機，故障出現時停機時天線俯仰角顯示超過90°，報天線動態錯誤、天線無法停在待機位等故障信息。

結合表1所給出的故障信息分析，俯仰和方位編碼器同時故障，導致天線無法按指令運行。天線動態錯誤[8-9]（PEDESTAL DYNAMIC FAULT）是指計算機對天線發出控制角度命令之后7.5 s內，未有響應，角度未在規定的誤差范圍內則會報動態故障（位置差＜0.2°或者0.9＜實際速率/期望速率＜1.015）。

表1 天線過沖故障報警信息表 Table 1 Antenna overshoot fault alarm information

2 故障排除思路

2.1 根據故障現象分析確定重點檢測部件及順序

圖1為軸角編碼盒編碼后角碼傳輸過程，發生天線俯仰沖頂故障，應先檢查方位及俯仰共有鏈路部分，即光纖通信、上下光纖板的供電是否正常，如俯仰閃碼還需要檢查清洗滑環部件，其次檢查上光端機電源電壓是否正常（同時給俯仰和方位軸角編碼盒進行供電），如果排除共有鏈路部分及上光端機電源故障后，根據故障現象表現為俯仰沖頂，應重點檢查俯仰軸角編碼盒的工作情況。

圖1 角碼傳輸詳細鏈路圖 Fig. 1 Detailed diagram of angular code transmission

2.2 軸角編碼盒的檢測方法

軸角編碼盒電路結構如圖2所示，由激磁信號發生器、RDC電路以及PLD可編程邏輯器件組成，供電電壓為5 V。通過對軸角編碼盒電路圖分析，軸角編碼盒接地不好或輸出的串行軸角數據出現錯誤可能引起閃碼。可以通過檢測圖1中由俯仰軸角編碼盒，滑環，上下光纖板，DCU數字控制板組成的傳輸鏈路的反饋信號來檢測軸角編碼盒工作情況。檢測點位于DCU的數字控制板（AP2）上。從天線座傳輸的方位軸角數據經過XS(J)11的26腳A(+)、24腳A(-)，分別輸入到AP2板上接收器D25的2腳和1腳，俯仰軸角數據經過XS(J)11的22腳E(+)、29腳E(-)，分別輸入到接收器D25的6腳和7腳，D25的輸出端3腳是串行的TTL電平的方位軸角數據，5腳是串行的TTL電平的俯仰軸角數據，它們都是14位數據，前面13位是軸角數據，最后一位是相應支路的激磁檢測位，該信號高電平正常，低電平故障。正常情況下，手動推動天線時，DCU的AP2板上D25接收器波形呈現有規律連續變化。如果波形無變化、無規律變化、突然展寬或消失，且光纖鏈路正常，則說明軸角編碼盒已損壞，需更換。

3 故障處理

出現天線俯仰沖頂故障報警后，值班人員想通過RDASC軟件把天線回到PARK（待機）正常位置未成功，隨后關掉DAU（數據獲取單元）及天線伺服開關，進到天線罩內采用俯仰手輪強行將天線搖到PARK位置，然后對方位及俯仰共有鏈路部分進行檢查，手動勻速推動天線觀察方位和俯仰角碼未出現閃爍和不連續情況，可判定共有鏈路正常；進入天線罩對上光端機電源2PS1進行電壓測試（圖3），檢查圖中標注的兩組5.5 V電源電壓，軸角編碼盒要求供電電壓穩定且大于5 V，測試結果顯示一組電壓為5.2 V，一組為5.0 V屬于正常范圍，說明軸角編碼盒供電無問題，可排除上光端機電源故障和方位及俯仰共有鏈路部分，懷疑是俯仰軸角編碼盒性能不穩引起。具體故障排除流程見圖4。

圖2 軸角編碼盒結構電路圖 Fig. 2 Circuit diagram of axial angle coding box structure

圖3 上光端電機內部結構圖 Fig. 3 The internal structure of the glazing motor

圖4 故障排除流程圖 Fig. 4 Troubleshooting flowchart

通過對調方位和俯仰軸角編碼盒來檢查是否還會出現沖頂現象，對調后觀察了半個月依舊會出現沖頂現象，未能解決問題。由于軸角編碼盒給數字控制單元的數字控制板（AP2板）串行接口傳輸仰角、俯仰軸角的編碼信號，所以可通過示波器對此串行接口來檢測軸角編碼盒的數據波形變化來判斷軸角編碼盒是否有故障，具體檢測點如圖5所示。對調方位和俯仰軸角編碼盒后進行波形檢測，手工勻速推動天線，用示波器檢測AP2板D25接收器第5腳輸出的俯仰軸角編碼盒波形，波形周期性變化，說明軸角編碼盒俯仰環節和光纖鏈路正常；用示波器檢測D25第3腳的方位軸角編碼盒波形，波形無規律變化，有突然展寬或消失的現象，由此可將故障源定位為對調后的軸角編碼盒方位環節。2017年7月4日為避免存有故障隱患把方位和俯仰的軸角編碼盒全部更換，更換新軸角編碼盒后，重新檢測其方位和俯仰軸角編碼數據的反饋波形，均呈周期性變化，輸出其中一個周期內正常波形（圖6），繼續對雷達連續運行觀察4個月，未發現有天線俯仰沖頂故障，確定故障排除。

圖5 數字控制板D25芯片 Fig. 5 Digital control board D25 chip

圖6 D25芯片3腳輸出其中一個周期內示波正常圖形 Fig. 6 One wave normal figure of D25 chip 3 pin output

4 小結

雙偏振天氣雷達在天伺系統信號鏈路上的復雜性導致雷達定位出現偏差環節很多，隨機性大，定位故障難度較大，本次故障排除難點在于引起故障的部件不是完全故障狀態，不容易檢測和判斷，部件性能不穩定難以通過簡單檢測確定，需要監測一定時間的狀態來判斷。在實際檢修過程中，此類故障應重點優先檢查方位和俯仰共有鏈路部分、上光端機電源、電機等，在排除重點環節正常前提下，再對天線的軸角編碼盒、光電碼盤等誤差源進行排除，能更準確判斷誤差原因。加強對工作環境的改進，如在天線罩內增加抽濕機、循環風冷系統，防止過潮和高溫，這樣也可增加軸角編碼盒等器件的使用壽命；雷達技術保障人員應深入了解雷達整個系統的工作流程，密切關注雷達信號流程，并熟練掌握信號流程中關鍵點的參數特征，對于快速排除雷達故障非常有用。