724XD多普勒天氣雷達發射機系統故障診斷及檢修方法

舒 童，王娟娟，張新剛，舒 毅

(1.焦作市氣象局，焦作 454003；2.泉州市氣象局，泉州 362000；3.修武縣氣象局，修武 454350)

0 引言

X波段天氣雷達是探測中小尺度強對流天氣系統的有效工具之一。724XD多普勒天氣雷達是由中國船舶重工集團第七二四研究所研制生產的一款X波段中頻相參體制的脈沖多普勒雷達，它不僅能夠探測云高、云厚、云底高、云內含水量、云中流場徑向分量及風暴中的氣流和湍流的活動區，而且對300 km 的中尺度風暴、強的風切變、冰雹、龍卷風和大風等災害性天氣具有實時監測和報警的能力，同時具有探測晴空大氣獲得環境風場的能力[1]，在一些地區性實時氣象業務和科研的外場試驗、重大工程建設的氣象保障和防災抗災的氣象服務中發揮著重要的作用。

張凱[2]等對724XD移動雷達車及其應用進行了總體介紹；李毅聰[3]等列舉了X波段車載多普勒天氣雷達系統常見的問題和相應的解決辦法；馬建華[4]等就X波段數字化雷達發射機的基本原理及故障檢修進行了分析。但目前國內尚未對724XD多普勒天氣雷達發射機系統開展較全面的故障診斷和檢修方法的分析研究。文章通過分析724XD多普勒天氣雷達發射機系統組成及工作原理，結合雷達工作信號流程，總結出該型號雷達發射機系統的故障診斷分析方法及檢修流程，為724XD及與其類似雷達的日常維護維修工作提供參考。

1 724XD天氣雷達主要信號流程及發射機系統組成與功用

1.1 主要信號流程

724XD多普勒天氣雷達屬于車載雷達，其整機工作主要信號流程框架簡圖如圖1所示。

圖1 724XD天氣雷達主要信號流程框架

全機操控命令信號由雷達終端經千兆以太網絡下達至信號處理系統，再由信號處理系統分別傳送至發射機、接收機和伺服系統，各分機狀態參數再由信號處理系統匯集上傳至雷達終端。全機所需的高穩定基準頻率信號均來自信號處理系統。

1.2 發射機系統組成及功用

1.2.1 發射機系統組成

根據724XD天氣雷達發射機系統器件組成，可以將發射機系統分為電源分系統、調制和控保分系統以及大功率微波器件系統3部分(圖2)。

圖2 724XD天氣雷達發射機系統組成

1.2.2 724XD天氣雷達發射機系統各部分功用

1)電源分系統

電源分系統主要分為高壓電源和低壓電源。高壓電源主要由整流濾波、觸發器、逆變器、變壓器、比較放大和檢測保護電路組成，220 V/50 Hz的交流電源經過變壓器升壓和整流濾波后輸出1 kV的直流高壓，為調制器提供高電壓和大電流，以便調制器能夠提供所需功率的高壓脈沖信號驅動磁控管正常工作。當輸入的220 V/50 Hz交流電源或負載變化時，輸出電壓也會變化，通過比較放大電路引發觸發器控制逆變器調節工作頻率來保證輸出電壓的穩定。當高壓電源的負載發生過載或短路時，其檢測保護電路會引發觸發器動作，關斷高壓電源，同時切斷220 V交流電源，調制和控保分系統中的高壓故障指示燈亮起。

低壓電源用于向控保電路提供15 V、26 V和35 V 3種直流電源。

2)調制和控保分系統

該雷達發射機調制器是可變換脈寬的固態調制器，調制器向磁控管提供約12 kV的陰極調制脈沖，燈絲電源隨工作比不同提供磁控管所需的燈絲電壓，保證磁控管正常發射。調制和控保分系統有以下功能：

①脈沖放大：放大定時器觸發脈沖，驅動調制器開關管。

②過流保護：對磁控管脈沖電流取樣并與基準值比較，若高于基準值，則關斷高壓。

③預熱控制：利用定時電路進行5 min延時，以保證磁控管有足夠的預熱時間。預熱完成后，預熱指示燈亮，允許施加高壓。

④人工線脈寬控制：通過電子開關控制真空繼電器，實現人工線的脈寬控制。

⑤燈絲控制：通過電子開關控制微型繼電器動作，對燈絲提供不同的電源電壓，以適應不同的工作方式。

⑥調制電路：發射脈沖剛結束時，調制電路充電；經過1個充電周期后，進入等待狀態；觸發脈沖到來后，進入放電階段。

⑦故障保護：將高壓電源、磁控管等過流故障匯集到1個門電路，當出現故障時，門電路通過繼電器動作自動關斷高壓。

3)大功率微波器件系統

724XD天氣雷達采用了同軸磁控管結合數字自頻調和數字相位校正、數字中頻、數字鑒相等技術。整部雷達除了射頻脈沖的初始相位隨每個發射脈沖有隨機抖動外，其他的信號相位都是相參的。在定時脈沖的同步下，同軸磁控管受脈沖調制器的控制，振蕩產生一定脈寬的射頻信號，在由TR管和四端環流器組成的收發開關的控制下，經饋線和天線系統發射出去。

2 724XD天氣雷達發射機系統故障診斷方法及檢修流程

2.1 故障診斷方法

通過圖1可以看出，發射機系統的故障可能來自發射機系統自身，也可能來自發射機系統外部，文章結合終端回波顯示和軟件終端的實時控制及系統狀態面板顯示進行綜合判斷。

當系統狀態面板的“發射機故障”指示燈亮起，其他系統狀態參數正常，同時實時控制面板“系統控制”欄的“發射狀態”指示燈顯示為紅色時，點擊“發射狀態”的“復位”按鈕，若發射機系統恢復正常，則故障可能是偶然性的；若不能恢復正常，則發射機系統自身出現故障。

當系統狀態面板的“發射機故障”指示燈亮起，其他系統狀態參數不正常時，除發射機系統自身故障外，還應檢查與之相關聯的信號處理系統是否發生故障。

因此，當發射機系統出現故障時，多表現為終端畫面無回波顯示，并伴隨有發射機系統的故障指示。

2.2 故障檢修流程

結合發射機系統的組成和故障診斷方法[5，6]，可以總結出檢修724XD天氣雷達發射機系統相關電路的流程如圖3所示。

圖3 724XD天氣雷達發射機系統故障檢修流程

當判定為發射機系統故障時，應從系統的控制保護電路開始檢修[5-7]，而向控制保護電路提供直流電壓的低壓電源則是首個被檢修對象，首先檢修低壓電源對應的保險絲是否斷開，相應的開關是否打開。若低壓電源正常，則應檢修控制保護電路對應的各繼電器等是否正常。

在控制保護電路正常的情況下，應分別檢修為調制電路提供電壓的高壓電源和燈絲電源是否正常。檢修高壓電源時，也是首先檢修電源輸入保險絲是否斷開，其次檢查調壓電位器是否正常，最后依次檢查整流濾波電路、控制與驅動電路、初級功率電路和高頻功率變壓器工作是否正常。

燈絲電源與調制器在同一層機柜，檢修燈絲電源的同時還應檢查調制器電路的充電電感、人工線、脈沖變壓器工作情況和脈沖放大電路及反峰阻尼電路是否工作正常[8，9]。

無源氣體放電管(TR管)的檢修：一是檢測其工作時是否加載有800 V的直流電壓；二是通過檢測其測試電極上的電流大小判斷其好壞，TR管正常工作時，電流為50～100 μA。

磁控管的檢修可以通過實際功率及重復頻率測量與終端“系統狀態”顯示相結合進行檢修，磁控管正常工作狀態的脈沖功率為50～75 kW，工作分兩種脈寬，對應不同的重復頻率，脈寬為1 μs時，重復頻率為500 Hz；脈寬為0.5 μs時，重復頻率為1500 Hz/2000 Hz單重頻和2000 Hz/1500 Hz、1500 Hz/1125 Hz雙重頻。

當發射機系統出現故障，而發射機系統各獨立電路運行正常時，則應檢修連接各電路的電纜、饋線、波導等是否異常。

3 724XD天氣雷達發射機系統故障檢修實例分析

3.1 故障實例一

故障現象：終端畫面無回波顯示，終端實時處理軟件系統狀態面板的“發射機故障”指示燈亮起，其他系統狀態參數正常，且實時控制面板“系統控制”欄的“發射狀態”指示燈顯示為紅色。

故障檢修過程：首先點擊“復位”按鈕對高壓進行復位，發現故障未被排除，說明不是偶然性故障；其次檢查低壓電源保險絲，發現保險絲沒有斷開，低壓電源工作正常；然后檢查控保電路的各繼電器，查看是否為繼電器故障引發的誤動作，檢查結果為各繼電器均正常；最后檢查高壓電源電路，發現高壓電源電路中的維修開關置于“OFF”，而正常情況應是置于“ON”，將開關重新置位后，雷達重新開機，恢復正常。

故障原因診斷分析：終端畫面無回波顯示，發射機和接收機系統都存在發生故障的可能性，但通過終端畫面和軟件處理系統指示分析，判斷為明顯的發射機系統故障。逐級檢查時發現是因雷達例檢時將維修開關置于“OFF”后忘記置回，導致功率電路電源被切斷，高壓電源不能工作，從而發射機系統不能產生高壓脈沖。

3.2 故障實例二

故障現象：雷達在正常運行過程中，終端回波畫面突然消失，顯示面板上的“過流”指示燈亮起，“發射狀態”指示燈顯示為紅色。

故障檢修過程：將雷達重新開機，故障現象仍然存在。首先嘗試對高壓進行復位，故障未被排除；其次檢查輸入的交流電源正常，各保險絲并沒有斷開；然后圍繞“過流”現象依次檢測高壓電源輸出和磁控管輸出，均沒有發現問題；最后檢查調制器的控保電路是否有誤動作，更換新的控保電路板后，雷達重新開機，故障被排除。

故障原因診斷分析：過流現象故障將維修人員引入1個過流故障的誤區，因為控保電路中是將多個過流故障信號進行匯集后進行顯示，但其中只要有1個過流故障信號就會有過流故障指示，因此不得不逐一逐級進行排除，然后才能確定故障問題出現的位置。

4 結束語

724XD天氣雷達電路多為集成電路，出現故障時，采用替換法通常能很好地查出故障并解決問題[10]，但該方法對備件量要求較高。而在采用正確測試方法的基礎上，結合合理的診斷方法和判斷流程檢修故障，是故障檢修的基本方法。掌握發射機系統的部件組成及相關工作流程是判斷其故障的基礎，但在進行故障檢修過程中還應綜合考慮，逐級分段分析問題產生的原因。