氣象雷達原理及故障維護

李冀寧 沈鹿鳴 劉洪林 楊喆 仲淙舜 范佳文 韓曉冬

摘 ? 要：氣象雷達是探測氣象信息的重要設備，在目標物輪廓辨別，雷雨強度以及方位的檢測等領域應用廣泛。氣象雷達一般是由發射機、波導系統、接收機、定向天線、控制面板、顯示器等幾大部分構成，具有災害天氣預警、突發性天氣預測等作用。本文將簡述氣象雷達的工作原理，并對常見故障及其維護措施進行具體分析，以期能夠為相關氣象檢測工作提供一定參考借鑒。

關鍵詞：氣象雷達 ?工作原理 ?故障維護

中圖分類號：TN959.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（b）-0045-02

1 ?氣象雷達的工作原理

氣象雷達主要是利用目標物對雷達波的反射狀態來判斷目標物的特性以及具體位置。目標物對于雷達波的反射能力、反射面以及反射能量與目標物的導電性能有關，導電性越高，反射能力越強、反射面越廣，獲得反射能量越大。但是，當目標物的外形尺寸與雷達波波長相差甚遠時，發射能量將會被削弱;而當目標物的反射面直徑與波長相差不大時，反射能量將會有顯著提升。當下，氣象雷達的頻率通常在200MHz到10000MHz范圍內。氣象探測雷達的工作原理具體如下。

1.1 距離測定

測量目標與地面間的距離是氣象雷達的核心工作。氣象雷達以光速向空中發射電磁波，接觸到目標物之后，會反射回波信號，假設收回信號與發射脈沖的時間間隔為t，光速為c，那么目標與地面的距離L=c*t/2。距離測定能力與脈沖寬度正相關，在測定近距離目標物的時候，應選擇寬度較窄的脈沖。

1.2 方位測量

氣象雷達利用天線波束軸的瞬時方位判定目標物方位。雷達天線的波束呈現為圓錐形狀，寬度相對較窄。因此，當天線處于某一特定方向時，雷達只能接收處于該方位上的回波信號，并將其傳輸給顯示器，獲得目標物的實際方位。雷達天線水平面上的波束寬窄對方位測量水平有著直接影響，波束越寬，方位分辨能力越弱。

1.3 降水探測

作為氣象監測的重要工具，降水探測同樣也是氣象雷達的重要任務。氣象雷達可以檢測雨滴或者濕度較高的冰雹，但是對于云、霧或者濕度較小的冰雹則不適用。同時，由于含水物質會吸收雷達發射脈沖的部分能量，加之能量存在一定損耗。因此，雷達接收的反射信號并不是全部，而是在有效范圍內，檢測一定密度以及直徑的降水區域產生的有效回波。按照雷達監測信號的強弱等級，通過顯示器體現目標物的性質、狀態以及含水量。

1.4 湍流檢測

湍流監測就是要對大氣中變化的、運動的氣流進行氣象監測。通常情況下，湍流現象往往會出現在暴風雨天氣。在飛行過程中，氣流變化會影響飛機平衡，產生顛簸，甚至會導致飛機部件出現故障、破損等。湍流監測利用多普勒原理，具體公式為：f=2v/λ。多普勒頻移和相對速度偏差正相關，假如雷達接收信號的多普勒寬度大于參考數值，則為湍流。但是，假如湍流濕度較低，氣象雷達則無法發揮探測作用。

1.5 風切變檢測

所謂風切變就是在某區域內，風向或者風速突變。風切變會對飛行造成嚴重影響，大多數飛行事故都是風切變引起的，特別是低空風切變，大大提高了飛行過程中起飛與著陸階段的風險系數。而氣象雷達對于風切變的有效檢測，通過對風切變區域回波的多普勒頻移的具體特征進行對比分析，辨別風切情況，對于避免重大飛行安全事故的發生有著十分重要的積極意義。

2 ?氣象雷達的故障維護

氣象雷達的應用領域十分廣泛，與之相關的配套系統也是相當龐雜，因此，氣象雷達故障在所難免。在實際應用過程中，比較常見的故障主要有雷達不掃描、圖像顯示失真、運行不正常、散熱出現問題等。

2.1 雷達不掃描

不掃描是氣象雷達最為常見故障的一種，通常是由天線組故障導致的。天線組分為掃描通道和俯仰通道。其中，前者用于波束掃描，以實現目標物的具體探測。一旦掃描通道出現故障，那么天線組則無法正常運行。天線組的重要構成部分有電機和機械傳動裝置等，電機損壞、卡組是引起天線組故障的主因。因此，進行故障檢修時，電機損壞、卡阻有否是首先檢查任務。假如電機損壞，應及時更換;假若存在異物，則應第一時間清理，避免干擾正常工作。

2.2 雷達圖像顯示失真

引起雷達圖像失真的主要因素有三種，分別為：雷達收發機電路故障;平板天線或者波導管有異物;顯示器故障。維護維修時，第一步應檢查顯示器是否正常，如有故障，應及時進行維修或者更換;第二步應查看插座、波導管連接位置等是否連接不牢，對于可以處理的異常情況要及時解決，能力范圍外的要及時上報，請求技術支持;最后，通風管、收發機、平板天線等要定期進行保養維護，以延長使用壽命。

2.3 雷達非正常運行

雷達運行故障主要分為兩個方面，其一，供電系統故障;其二，受收發機電路故障。維護時，應檢查相關供電系統的開關是否開啟。其次，要檢查控制盒是否正常。第三，要進行調試，檢查馬達與驅動裝置是否存在故障。假如，以上方法均沒有解決問題，那么就需要更換收發機，之后，再進行上述測試。

2.4 氣象雷達散熱問題

氣象雷達的運行會產生大量熱量，而散熱功能的好壞則是影響氣象雷達探測數據精確性及其使用壽命的關鍵因素。散熱性能不佳，極易出現顯示器高溫問題，導致圖像顯示不正常。當顯示器溫度超過極限值（80℃）時，雷達的顯示功能將會喪失。濾紙堵塞是引起散熱問題的重要因素。因此，在日常巡查過程中，工作人員應仔細檢查后邊濾紙，以便能夠及時清理濾紙雜物，避免堵塞。除此之外，散熱性能還會影響雷達顯示圖像的清晰度，對于該類問題，應保證顯示器的背景旋鈕均處于正確位置。

2.5 接收信號故障

氣象雷達對于工作環境的要求較高，尤其是在雷雨天氣，一旦出現波導管進水，很容易出現波導管損壞現象。同時，由于平板天線的每一個縫隙相當于一個半波對稱振子，積水進入會導致雷達天線介電常數發生變化，改變縫隙等效長度，從而無法作為半波振子，對天線方向的輻射電場帶來負面影響，接收目標物發射能量波的能力變弱，以致于雷達接收機在信號處理過程中將其視作雷雨天氣，或者認為是天線運行異常。面對接收信號問題，首先要加強日常維護，保障雷達罩無破損，且密封性高。春季和夏季由于降水量多，且氣候多變，是雷雨天氣多發季節，大多數雷達故障都發生在該階段。基于此種自然環境，雷達系統的日常維護容不得一絲馬虎，相關部門應完善設備管理制度，加大維護保養力度。

3 ?結語

總而言之，氣象雷達是進行氣象檢測的重要工具，對于目標物輪廓、雷雨區域、雷雨強度等氣象檢測領域應用十分廣泛。氣象雷達發射的脈沖波，在接觸目標物之后由雷達接收機進行信號接收與處理，以判別目標物方位、強度、特征。隨著科技的不斷發展，氣象雷達對于災害性天氣的預測信息越來越精確，這對于飛行安全以及農業災害預防等均有著良好的發展前景。但是，由于氣象雷達的構造及其相關配套系統復雜，因此，雷達故障有時是很難避免的。在實際應用過程中，工作人員要定期對重點部件進行定期的、針對性的檢查，以減少雷達故障發生幾率，提高氣象檢測效率以及檢測質量。

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