清遠CINRAD/SA-D型氣象雷達天線動態故障解析

高必通，李少遠，鐘凌輝，鄧福興

(廣東省連州市氣象局，廣東 清遠 513400)

0 引言

雙線偏振雷達現已成為世界各國及氣象組織天氣雷達技術升級的發展方向，其對暴雨監測、降水估測精度等方面具有明顯優勢。北京敏視達公司CINRAD/SA-D 雷達系統生成豐富的氣象產品可滿足各級氣象部門短時臨近預報、降水評估和測量、強對流天氣的識別和解析、大氣風場分析和大氣切變識別等預報業務和咨詢服務的需要。目前世界各國及氣象組織都在積極升級雙偏振雷達的背景下，國內也逐步搭建雙偏振天氣雷達網。廣東省氣象局為實現氣象現代化不斷升級技術，逐步升級省內天氣雷達以高標準進行氣象現代化建設。預計在未來幾年內，廣東省雙偏振雷達網將全面建成。隨著雙偏振雷達升級改造工程的不斷推進，機務維修人員維護維修新型雷達的技術技能迫切需要提高，以提高雷達數據的業務可用性和時效性。希望本次天線動態故障的排查過程和解決故障的過程，能夠給同行業的雷達機務人員解決此類故障的參考。

1 故障現象

2017年9月11日17時42分—20時連州市雷達站受局地強對流天氣影響，雷暴云團過境本站。在18時前后開始雷達5A6數控單元軸角顯示面板天線角碼閃碼，18時36分開始頻繁出現天線座動態維護告警(告警碼： 340 PEDESTAL DYNAMIC MAINTAIN)，但由于報警時間較短，報警清除快，并未引起雷達停機或聲光報警。之后出現雷達天線角碼閃碼較為嚴重且恢復較為緩慢現象，從而引發天線座動態故障繼而強制雷達待機(告警碼：398 STANDBY FORCED BY INOP ALARM)，雷達值班人員通過手動重啟RDA計算機后恢復，此后大約每隔3 h強制待機一次[1-2]。9月12日15時36分—15時42分出現一次產品缺角。

2 S波段交流天伺結構

在排查天線故障之前，首先了解本CINRAD/SA-D氣象雷達交流天伺系統結構，如圖1所示。

圖1 S波段交流天伺系統Fig.1 S-band ac pedestal system

RDA計算機通過串口傳輸天線方位俯仰角碼命令到DAU大底板，DAU大底板通過線纜傳輸到DCU控制單元，DCU控制單元的數字板收到角碼命令，轉換成控制功率放大器的模擬信號注入DCU模擬板的前端。DCU模擬板的輸出分別驅動方位電機俯仰電機的功率放大器，經過大線纜直連天線罩方位俯仰的電機。這里由于天線的物理結構限制，俯仰的驅動和反饋的信號都要經過滑環。電機帶動各自減速機，轉動裝置。后端同步箱光電碼盤和軸角盒生成天線角碼狀態報警通過上光端機光纖傳輸到接收機下光纖板，經DAU大底板分別傳輸到RDA計算機和DCU控制單元。RDA計算機根據返回的雷達天線方位俯仰角碼的狀態，決定方位電機與俯仰電機的加速減速或者停止[3-4]。

3 故障分析及排查

根據北京敏視達雷達公司提供的報警碼技術手冊說明，PEDESTAL DYNAMIC FAULT 天線動態故障的報警條件如下：

①接收機內RDA工作站電腦對雷達天線發送變換仰角的信號，通過3個采樣點計算雷達天線方位角速度，在規定時間(7.5 s)，雷達天線角度未在設定的偏差區域(實時天線速率與設定天線速率的比值大于等于0.9并小于等于1.015)內則會提示告警此故障信息。

②雷達天線俯仰位置差小于0.1°。

因此雷達機務人員需要了解故障時刻，雷達天線運行的具體情況，這就需要清楚方位電機與俯仰電機運行時的角碼[5]。

CINRAD/SA-D氣象雷達的雙偏振基數據集成了體掃時間內天線方位俯仰的角碼。雷達機務人員使用BaseData Analysis Tool Version 7.0基數據解析軟件解析故障出現時的基數據，從而獲取到故障時刻天線角碼數據，如下面圖2所示。

圖2 故障時的天線角碼數據Fig.2 Pedestal Angle code data in case of failure

天線方位俯仰角碼圖中縱軸左邊為仰角，右邊為上一個仰角切換到此仰角用的時間，橫坐標是方位角度。如果天線在要求的時間沒有達到指定位置或者指定的速度，角碼圖就會表示該段運行為紅色。根據2017年9月11日18時06分(天線角碼圖時間為世界時)的天線方位俯仰角碼圖可知，圖中的紅點均出現在橫軸上，可以初步定位故障的通路為天伺系統的方位通路[6-9]。

從圖1中可知，天線方位角碼傳輸通路與通路各部件的位置如下：方位軸角盒(天線座方位艙內壁上)—上光端機(天線座底部倉位或底部地板)—上光纖板(上光端機內)—光纖(經線纜保護器到波導小屋到機房)—下光纖板(接收機柜RDA計算機顯示器上方)—DAU大底板(接收機柜RDA計算機顯示器上方)—DCU控制單元和DCU數字板(接收機柜的5A6數控單元組件內)[10]，再結合之前2017年9月11日強雷暴過程，天線部分除軸角盒以及上下光纖板除外，其余均實現了光電隔離，故而初步判斷為方位軸角盒以及上、下光纖板故障[11-12]。

4 故障修復

初步確定故障部件數量和類型后，雷達站工作人員立即向廣東省氣象局探測數據中心申請維修部件，同時通過重啟RDA計算機讓雷達繼續運行，以便于觀察。9月13日14時05分，廣東省氣象局探測數據中心快遞的軸角盒、光纖板已到雷達站。雷達站工作人員立即停機更換方位軸角盒，更換完畢后開機，雷達未出現報警，接著拷機運行1 h。然而雷達站工作人員通過繼續解析雷達基數據以及雷達log日志文件發現，天線閃碼情況仍然存在。15時48分，更換上光纖板，更換完畢后開機檢查，未出現報警，天線閃碼現象消失，拷機運行1 h后通過解析基數據以及日志文件發現閃碼現象消失(如圖3所示)。17時21分，雷達運轉正常，故障修復。

圖3 正常運行的天線角碼數據Fig.3 Pedestal Angle code data in case of normal

5 結論與討論

通過本文的分析，得到以下結論：

主要出現問題是方位軸角盒和上光纖板。維修過后，拆開方位軸角盒和上光纖板，沒有明顯的灼燒的印記，但是由于芯片受到雷暴電磁感應高電壓的沖擊，導致軸角盒產生角碼的芯片和上光纖板與方位軸角盒通信的兩個芯片26LS31、26LS33性能下降，導致雷達天線閃碼嚴重，引起雷達天線動態故障，從而雷達接收機柜RDA計算機強制停止雷達工作。

此次維修過程可以總結出以下經驗：

①根據報警日志和基數據解析角碼確定哪一個通路故障。

②同時出現問題時，檢查兩條通路公共部件,如上下光纖板，DCU數字板等。

③其中一條通路有問題，可以用另一條通路的部件對調測試，如功率放大器，軸角盒等。

通過這樣每個鏈路逐個排查，可以準確定位雷達故障部件或器件，提高雷達機務人員維修的效率，極大縮短雷達停機時間，從而提高雷達的業務可用性。