基于信號處理與電路原理的多普勒雷達(dá)發(fā)射機故障分析

馬云龍，樊希斌，董海濤，王 浩，孟 鑫，范佳文

(1.丹東市氣象局，丹東 118000；2.東港市氣象局，丹東 118300)

0 引言

在CINRAD/SA新一代多普勒天氣雷達(dá)成為中國天氣雷達(dá)組網(wǎng)的主要雷達(dá)之后，為保證氣象觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定上傳，從事雷達(dá)相關(guān)工作的人員需要熟悉雷達(dá)信號流程以及各分機模塊關(guān)鍵點信號波形和參數(shù)，并具備利用示波器等儀器測量、采集和處理報警信息等解決停機故障的能力[1，2]。

雷達(dá)發(fā)射機故障率在分機系統(tǒng)中最高，長期運行穩(wěn)定性差，關(guān)鍵器件參數(shù)值不達(dá)標(biāo)后，性能下降較快，嚴(yán)重影響全地區(qū)短期強降水過程觀測業(yè)務(wù)，直接導(dǎo)致加密觀測氣象數(shù)據(jù)段缺測，同時造成雷達(dá)器件損傷[3]。

文章歸納并總結(jié)了遼寧省丹東市新一代CINRAD/SA型多普勒天氣雷達(dá)7 a觀測歷史當(dāng)中發(fā)生過的1次發(fā)射機故障現(xiàn)象，利用電路原理以及信號與系統(tǒng)原理進(jìn)行研究，確定了故障產(chǎn)生端口及元器件，并提出了相應(yīng)解決方法[4，5]。

1 發(fā)射機系統(tǒng)主要電路組件及信號流程

在雷達(dá)設(shè)備端問題、數(shù)據(jù)質(zhì)量、產(chǎn)品應(yīng)用、探測環(huán)境影響、雷達(dá)綜合管理等業(yè)務(wù)檢查當(dāng)中，最亟待改善的是設(shè)備端問題，雷達(dá)設(shè)備問題占業(yè)務(wù)檢查存在問題的80%以上。關(guān)鍵器件性能老化、質(zhì)量不穩(wěn)定、調(diào)制器參數(shù)異常、相位噪聲不達(dá)標(biāo)和自檢定功能缺乏都是雷達(dá)設(shè)備容易出現(xiàn)故障的根本原因。

CINRAD/SA發(fā)射機在汛期連續(xù)加密觀測的工作環(huán)境下，運行負(fù)擔(dān)很大，電路穩(wěn)定性差，極易出現(xiàn)運行故障，例如脈寬問題造成的發(fā)射機打火等典型故障現(xiàn)象[6]。雷達(dá)發(fā)射機在新一代雷達(dá)分機系統(tǒng)當(dāng)中的元器件最為繁多，是高頻通道信號監(jiān)控流程極其復(fù)雜的模塊之一。

雷達(dá)發(fā)射機主要由兩大信號部分組成，包括高頻放大鏈信號流程(圖1)和全固態(tài)調(diào)制器信號流程(圖2)。

圖1 高頻放大鏈信號流程

圖2 全固態(tài)調(diào)制器信號流程

雷達(dá)發(fā)射機接收的同步信號，包括射頻激勵和起始觸發(fā)信號、調(diào)制器的放電及充電觸發(fā)信號、燈絲電源同步觸發(fā)信號、窄脈沖選擇、脈沖頻率編碼、后充電整形觸發(fā)信號以及接收機處頻率綜合RF輸出激勵信號等。同時輸出RF采樣信號和發(fā)射機RFD測試信號到接收機的頻率源、RF測試和信號源的選擇位置[7]。

雷達(dá)發(fā)射機須接受雷達(dá)數(shù)據(jù)采集單元DAU的高壓開關(guān)命令和波導(dǎo)開關(guān)控制，進(jìn)行高壓關(guān)閉本地控制。故障發(fā)生時，發(fā)射機輸出故障報警循環(huán)，此時同樣進(jìn)行自動高壓開關(guān)控制，發(fā)射機停止運行使得雷達(dá)整機異常停機，進(jìn)而導(dǎo)致氣象觀測數(shù)據(jù)上傳停止，嚴(yán)重影響雷達(dá)系統(tǒng)運行質(zhì)量乃至汛期氣象觀測質(zhì)量體系[8]。

1.1 高頻放大鏈信號流程

高頻放大鏈信號流程分為兩部分，首先是固態(tài)放大器3A4，即由射頻激勵信號XS2輸入到定向耦合器A2，信號與發(fā)射機+40 V直流電源的輸入端經(jīng)過轉(zhuǎn)換N1、振蕩器N6、整流RC濾波后的電源N4以及+8 V脈沖電壓同時輸入到微波功率放大器A1處，通過隔離器W1到達(dá)兩級微波功率放大器A3，再經(jīng)隔離器W2，輸出到定向耦合器A4。

其次經(jīng)過脈沖形成器3A5，上述信號輸出到E3功分后，受到高頻起始觸發(fā)信號經(jīng)差分接收和寬窄脈沖延時調(diào)整，驅(qū)動器處理后形成的控制脈沖，同時輸出到調(diào)制器W2、W3，通過功率合成手段和相移調(diào)整，到達(dá)射頻衰減器，最后輸出至發(fā)射機速調(diào)管。

高頻放大鏈的故障定位必須通過示波器等儀表測量，包含信號流程各功能模塊的輸入、輸出信號功率，射頻包絡(luò)波形，與額定參數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比較，確定故障位置。

雷達(dá)發(fā)射機故障經(jīng)常存在無高頻脈沖輸出或由于包絡(luò)波形不正常導(dǎo)致輸出功率降低到正常值以下的情況，原因是高頻放大鏈故障經(jīng)常導(dǎo)致發(fā)射機無輸出功率或功率極低。高壓通道故障導(dǎo)致人工線電壓失去高壓或達(dá)不到額定值以及低壓電源故障的無法加壓。發(fā)射機定標(biāo)正在檢查、功率超限值、測試信號定標(biāo)等一系列不同種類相關(guān)報警的發(fā)生，使得業(yè)務(wù)人員在對高頻放大鏈的關(guān)鍵點參數(shù)進(jìn)行故障分析的同時，還需仔細(xì)測量同步時序等各項參數(shù)值。此外，射頻功放模塊或相關(guān)電路元件也容易出現(xiàn)不同故障現(xiàn)象[9]。

1.2 全固態(tài)調(diào)制器信號流程

全固態(tài)調(diào)制器(solid state modulator)工作原理如圖3所示。由線性穩(wěn)壓電源G1輸出到觸發(fā)驅(qū)動電路A2，變壓后和高壓電源分機的充電電路輸出至均壓電路處，通過可控硅新材料開關(guān)、反峰值電路以及人工線電路到達(dá)脈沖變壓器。其中由充電觸發(fā)脈沖組件3A2觸發(fā)后，高壓脈沖充電變壓器儲能電流，充電電流不斷上升使充電變壓器儲存的能量達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)值時，斷開充電元件電流輸入，人工線充電值約達(dá)到5 kV。

圖3 全固態(tài)調(diào)制器工作原理

2 發(fā)射機典型電路原理和信號流程故障排查

2.1 發(fā)射機電路原理和信號處理流程

雷達(dá)發(fā)射機典型故障現(xiàn)象包括雷達(dá)峰值功率過低、電壓異常和無法加壓等。

根據(jù)電路原理，每個系統(tǒng)檢修電路電源部分都需要測量電源輸出電壓額定值和各節(jié)點電流通過值。系統(tǒng)短路造成電流過大，分級電源故障導(dǎo)致電壓過低，保護(hù)負(fù)載短路導(dǎo)致電流過載等問題經(jīng)常和故障現(xiàn)象結(jié)合分析。此外，以上問題往往還會造成電路中元件打火，這種現(xiàn)象在雷達(dá)發(fā)射機故障當(dāng)中極其常見。

根據(jù)信號與系統(tǒng)原理，測量功能模塊的輸入、輸出信號功率，射頻包絡(luò)波形，與額定參數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比較，可以確定故障類型和發(fā)生端口位置。發(fā)射機面板參數(shù)和波形分為開關(guān)組件系列端口、觸發(fā)器系列端口、燈絲電源面板、調(diào)制器端口等。各面板以及端口又包含反峰電流、初級脈沖電壓和電流、充電電壓和電流、雷達(dá)人工線電壓和電流、載波信號、驅(qū)動等參數(shù)值。發(fā)射機測試信號波形主要為脈沖信號，包括矩形脈沖、尖脈沖、梯形脈沖等相似但不同形狀圖形，需要示波器配合信號生成器進(jìn)行測量。

發(fā)射機元器件信號流程復(fù)雜，端口眾多，電路參數(shù)繁雜，其中取樣位置也十分關(guān)鍵，包括比較器輸入端子，人工線取樣處，調(diào)制器、脈沖振蕩器輸入輸出、燈絲等。

測試電壓分為燈絲電壓、速調(diào)管電壓、鈦泵電壓、聚焦線圈等。電流的分類測試又分為調(diào)制器反峰電流、速調(diào)管束流、人工線充電等。由于對應(yīng)不同端口，采樣設(shè)定值眾多，測試值繁瑣，需要了解測量信號采樣位置的同時調(diào)整各接口位置以及表的不同數(shù)值進(jìn)行測量分析。

包絡(luò)測試由t7、t8時序，即高頻激勵器3A4、高頻脈沖形成器3A5的輸出高頻包絡(luò)、發(fā)射機輸出高頻包絡(luò)等組成。信號包含高頻脈沖起始信號、高頻激勵觸發(fā)、調(diào)制器充電、后充電平等。

2.2 雷達(dá)站1次發(fā)射機停機故障實例

雷達(dá)正常運行過程中，數(shù)據(jù)上傳停止，立即觀察RDA終端，檢測到雷達(dá)停機，告警信息為雷達(dá)異常待機。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)高壓供電失效，機房高壓開關(guān)控制失效。檢測到高壓、波導(dǎo)等開關(guān)異常。

根據(jù)電路原理和發(fā)射機高壓供電信號流程，考慮高壓供電開關(guān)、電源組件、K1～K6開關(guān)組件、Z1濾波器和發(fā)射機相關(guān)組件，包含速調(diào)管、聚焦線圈和機柜風(fēng)機等出現(xiàn)短路問題。檢查高壓流程關(guān)鍵部分全固態(tài)調(diào)制器的充電開關(guān)組件3A10，同時須測量數(shù)個端口的充放電電流、電壓和脈沖的采樣值。波形檢測包括充電電壓波形、充電觸發(fā)脈沖、放電觸發(fā)脈沖等。其中磁場電源、高壓電容、高壓整流等電源元器件的規(guī)范檢測同樣重要。

按流程首先測量起始處高壓供電Q1處的電壓值與信號輸出，發(fā)現(xiàn)無異常，因此考慮機柜M1和速調(diào)管M3以及聚焦線圈的風(fēng)機電路是否短路，經(jīng)測試均正常。隨后測量Z1濾波器電路同樣未發(fā)生短路和斷路。萬用表檢查K1～K6開關(guān)組件，工作情況良好。隨后使用示波器檢查固態(tài)調(diào)制器中的高壓整流組件3A2的各端口信號、波形和電流電壓參數(shù)，根據(jù)電路圖和信號流程確定FU16-18等3處均正常。通過測試磁場變壓器處輸入電流值，判定Fu4-6等3處為正常，簡化維修步驟。

至此，可斷定問題出現(xiàn)在+510 V輸出到充電開關(guān)組件3A10過程中。重點檢測充電開關(guān)組件3A10。根據(jù)額定參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)波形。檢查并測量開關(guān)組件ZP1～ZP5的觸發(fā)、定時脈沖，電流、電壓采樣，人工線充電電流采樣。其中EXB841驅(qū)動控制輸入的寬脈沖值異常，與該型號雷達(dá)設(shè)定數(shù)值不吻合，其余包絡(luò)和波形均正常，電流、電壓數(shù)值近似額定值，均達(dá)標(biāo)，至此確定故障位置。經(jīng)數(shù)據(jù)查證，其中ZP2充電定時脈沖的信號應(yīng)為460 μs寬脈沖值。通過更換相關(guān)元器件后，信號測試通過充電變壓器3A7T2處的數(shù)值恢復(fù)正常，雷達(dá)開機加壓正常，發(fā)射機恢復(fù)運行，雷達(dá)整機維修完畢，數(shù)據(jù)恢復(fù)上傳。

文章總結(jié)維修過程，可知雷達(dá)設(shè)備數(shù)據(jù)的關(guān)鍵參數(shù)測量復(fù)雜，定標(biāo)很難直觀地展示出來，發(fā)射機又是汛期連續(xù)高壓運行指標(biāo)改善空間很大的部件，故障率極高，技術(shù)人員熟知其電路原理和信號系統(tǒng)，并利用理論知識簡化和迅速處理突發(fā)故障，保障汛期氣象連續(xù)觀測數(shù)據(jù)上傳，對國家氣象觀測和災(zāi)害預(yù)防至關(guān)重要。

3 結(jié)束語

發(fā)射機是CINRAD/SA天氣雷達(dá)信號流和元器件組成最復(fù)雜的部分，長期高壓運行性能下降，多種組件極易發(fā)生故障，因此觀測數(shù)據(jù)上傳的穩(wěn)定性與發(fā)射機緊密相關(guān)。記錄各端口波形特征、參考數(shù)值和分系統(tǒng)電路中信號流程和功能元件的原理能夠提高雷達(dá)維修維護(hù)效率，從而保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，使得業(yè)務(wù)人員在發(fā)生停機故障時，能根據(jù)各種故障類型，迅速找到解決方案和需要更換的元器件。