CINRAD/SC天氣雷達體掃時間異常分析

鄒 紅，汪 俊，青娉楚

(1.四川省南充市氣象局，四川 南充 637000；2.四川省綿陽市氣象局，四川 綿陽 621000)

0 引言

CINRAD/SC天氣雷達可以實現圓錐掃描模式(PPI)、體積掃描模式(VOL)和垂直掃描模式(RHI)，業務觀測以體掃模式為主。體掃模式可以分為降水模式(VCP11、VCP21)和晴空模式(VCP31、VCP32)。中國氣象局制定的《新一代天氣雷達觀測規定》對各體掃模式的掃描仰角和掃描時間進行了明確定義。如果體掃周期時間過長，則不能達到考核規定；如果時間過短，規定時間內采集上傳的數據急劇增加，會給本地存儲和省級服務器造成巨大負荷和網絡傳輸擁塞，同時加快雷達伺服系統磨損，影響使用壽命。雷達觀測業務中，體掃時間故障以體掃時間變長最為常見，本文將著重討論體掃超時故障。近幾年來，隨著雷達技術保障工作的開展，探討伺服系統維修方法的文獻已不少，但是針對體掃超時故障進行系統全面分析的卻比較少見。本文從雷達伺服系統、信號處理和網絡傳輸等幾方面對體掃時間異常進行分析，對故障原因、故障排查和處理方法進行深入分析，可以為維護人員快速排除體掃時間異常故障提供參考。

1 雷達體掃、數據處理及傳輸工作流程

圖1是雷達體掃進行數據采集、基數據生成、氣象產品生成并向省級服務器傳輸的簡單工作流程。雷達掃描方式由不同的體掃模式決定。體掃模式規定了雷達在一定的時間內完成多少個不同仰角的PPI掃描。以本站雷達采用的VCP21模式為例，1個體掃周期要求在6 min內完成9個仰角層的掃描(圖2)，1 h完成10個體掃數據的采集并上傳省局服務器。設定體掃模式后，雷達實時終端向數據采集計算機發出該體掃模式的第1個仰角指令，命令伺服系統將天線抬升(或降低)到該仰角層進行PPI掃描。通過該仰角層360°方位掃描并完成規定的數據采樣后，采集計算機將向伺服系統發出指令，使天線抬升到該體掃模式的下一個仰角層進行PPI掃描和數據采集。直到雷達完成該體掃模式的最后1個仰角層的掃描，實時終端計算機再次將該體掃模式的第1個仰角發送到數據采集計算機，使雷達重新開始下一個體掃周期。

圖1 雷達數據采集、產品生成及傳輸流程圖

圖2 雷達體掃模式示意圖(VCP21)

雷達天線將回波信號送到雷達接收機，經過雷達信號處理器進行數據采樣等處理得到雷達回波信號強度、速度和譜寬等基數據，并通過傳輸軟件將基數據向雷達產品終端(RPG)和省級服務器傳輸。RPG對基數據進行一系列算法反演得到組合反射率、垂直累計降水等幾十個氣象產品，并將生成的氣象產品向省級服務器傳輸。

在雷達體掃、數據處理和傳輸過程中，每個環節都有可能引起實際體掃時間的異常，從而影響雷達業務觀測。根據不同的故障現象和原因，將體掃時間異常分為2類：一是方位電機和俯仰電機轉速變慢，二是俯仰電機升降不及時。

2 方位與俯仰電機轉速變慢原因

伺服系統的工作原理是主控單元給定天線的位置(輸入角碼)，通過伺服系統控制天線負載的位置，通過測量元件及角碼變換器獲得當前角碼并與輸入角碼進行比較，相符合時系統處于靜止狀態，不符合時即產生角碼誤差(±ΔD)。此誤差經數模變換變成誤差電壓(±ΔU),再經電壓放大及功率放大后，作用在執行電機上，使其朝減小誤差的方向運動。因此負載就連續跟蹤運轉。圖3是伺服系統角碼跟蹤系統框架圖。

圖3 雷達伺服系統角碼跟蹤系統框架圖

方位電機和俯仰電機轉速變慢引起的體掃時間延長現象非常明顯，通過觀察很容易發現。方位電機轉速變慢表現為天線在每一層仰角的掃描時間變長。以VCP21模式為例，1個體掃周期要求在6 min內完成9個仰角層的掃描，在俯仰升降正常情況下，如果單層仰角掃描時間超過36 s，就有可能導致體掃超時。同理，在方位電機轉速正常的情況下，俯仰電機變慢，相鄰仰角抬升或從最高層仰角降到最低層仰角的時間變長，體掃時間也會延長。如果方位電機和俯仰電機同時變慢，體掃時間延長則更為明顯。

引起電機轉速變慢的因素比較多，常見的有碳刷磨損嚴重、機械潤滑油不足、電機測速信號線故障、伺服放大器增益(或阻尼)阻值不匹配、俯仰電機定位精度不夠而產生追擺等。解決電機轉速變慢可以針對上述問題進行逐項檢查，同時參考以下方法進行解決。一是調節俯仰伺服放大器的RP5增益和RP8阻尼電阻，使天線俯仰速度和精度達到規定值即可解決追擺問題。調節前先檢查 RP5和 RP8 2個電位器，正常時電位器中間腳接地電阻值分別為 RP5<4 kΩ，RP8<20 kΩ，如電位器損壞，就更換電位器，再調整RP5，順時針增大增益，逆時針減小增益，調整 RP8，順時針增大阻尼，逆時針減小阻尼。二是檢查俯仰同步電機是否出現故障。三是匯流環接觸不良，俯仰電平發生跳變引起仰角值不斷變化。四是調整雷達實時終端軟件的參數或伺服放大器RP6，可以在一定程度調節雷達天線方位和俯仰電機的轉速。若故障依舊存在， 再檢查方位和俯仰電機。

3 俯仰電機升降不及時

雷達做正常體掃時，在1個仰角層完成360°的PPI掃描，采集計算機向伺服系統發送下一仰角層的指令使天線升降。當雷達系統發生故障時，天線可能停留在某一仰角層進行超過1圈的掃描而不正常升降，使單層仰角掃描時間遠遠超過規定時間，導致體掃嚴重超時。方位電機轉速正常的情況下，雷達伺服系統故障、信號處理系統故障、網絡傳輸故障等都可能引起俯仰電機升降不及時，且具有一定的間接性，不易直觀發現。

3.1 伺服系統故障

引起天線不正常升降的伺服系統故障可以分為2類：一類是俯仰誤差電壓無輸出，另一類是俯仰誤差電壓有輸出。

俯仰誤差電壓無輸出，主要考慮俯仰伺服放大器故障和±15V電壓，仔細檢查伺服放大器的運行是否正常，±15V保險絲是否熔斷。

俯仰誤差電壓有輸出，直流驅動電源也正常，而驅動器無電壓輸出，天線也不會升降。如果出現這種現象，必須立即關掉驅動電源，改為手控方式進行檢查。重點檢查脈寬調制器有無三角波輸出，4路控制脈沖或方波輸出是否正常，4個驅動模塊N4、N5、N6、N7中直流20 V電源是否正常。在伺服分機柜后面有2根同芯電纜，分別傳輸方位(俯仰) 的誤差信號。在作定位控制時誤差電壓與角碼誤差的關系如圖4。通過控制軟件改變天線定位的命令角度，用萬用表檢查俯仰控制信號電纜的誤差電壓變化，ΔU 和 Δθ 的變化關系滿足圖 4曲線，監控分機俯仰驅動單元的誤差電壓輸出關系發生變化，即需更換俯仰驅動單元。同時，俯仰發送器同步機故障、方位角碼變換器故障也是導致俯仰升降不正常的重要原因。

圖4 定位控制曲線圖，橫坐標角碼誤差 Δθ，縱坐標誤差電壓 ΔU

3.2 信號處理系統故障

雷達信號處理系統對于雷達在單層PPI掃描中采集的數據進行實時處理，處理完成后才會向計算機發出仰角升降指令。如果信號處理系統發生故障，處理能力下降或者不能進行數據處理，則會延后或停止發送仰角升降指令。

故障現象表現為雷達體掃時間突然變長。觀察發現天線在1個仰角層要進行2圈多掃描后才開始抬升到下一個仰角，雷達終端系統沒有報故障。將雷達停機進行檢查沒有發現故障，重新開機進行體掃，起初幾個仰角雷達抬升正常，工作一段時間后故障現象重復。在排除其他故障后，懷疑信號處理器RVP8出現故障。仔細檢查RVP8，發現主板2個散熱風扇損壞。分析認為可能由于散熱故障，使得信號處理器CPU溫度升高，處理性能下降，導致單層仰角掃描超時。更換散熱風扇后故障解決，體掃時間恢復正常。

3.3 網絡傳輸故障

網絡傳輸故障也是造成體掃時間異常的重要原因。根據雷達數據采集和傳輸工作流程分析，由于實時終端和數據采集計算機采用網線連接，采集計算機通過網線將數據傳輸到終端計算機，終端計算機收到足量數據后向采集計算機發出仰角升降指令。如果出現網絡中斷、數據掉包等傳輸故障，實時終端將無法及時向采集計算機發送俯仰升降指令，導致體掃時間延長。

故障現象表現為終端出現掃描線振蕩掃描。對雷達程序進行檢查發現采集機程序發出的方位角碼與實時控制程序接收的方位角碼不一致，存在振蕩，說明網絡上存在有重復給實時控制程序發送命令，判斷為網絡故障，斷開寬帶網絡后體掃恢復正常。

3.4 方位電機轉速過快

方位電機轉速變快一般會使體掃時間明顯變短，規定時間內采集的體掃數據增加。但是，當天線轉速進一步加快，體掃時間反而可能會變長，這是一類很難發現的故障。

為了保證雷達滿足測速精度，在每個仰角層做PPI掃描時，必須達到一定數目的數據采樣。采樣脈沖數目由雷達波速寬度、脈沖重復頻率和天線掃描速率決定：

式中：為采樣脈沖數,為雷達脈沖重復頻率,3為雷達天線波束寬度,為天線掃描速率。對特定的觀測模式來講，雷達脈沖重復頻率和天線波束寬度3是常數。因此，采樣脈沖數與天線掃描速度成反比。當天線轉速過快，雷達在某一仰角采樣數目不能達到要求時，采集計算機便不會向伺服系統發送俯仰升降指令，天線將留在該仰角層繼續做PPI掃描，直到采樣數目達到要求。這將使天線停留在該仰角執行超過1圈(甚至2圈以上)掃描，導致體掃嚴重超時，同時還會加速伺服系統磨損。

通過上述分析可知，引起俯仰電機升降不及時因素很多，具有較強的隱蔽性，沒有經驗的機務人員很容易忽略，需要根據故障現象進行具體分析，逐一排查原因。

4 結語

本文根據故障現象將體掃時間異常分為2類進行分析：一是方位電機和俯仰電機轉速變慢，二是俯仰電機升降不及時。出現第二類故障，既有雷達伺服系統的直接原因，也有信號處理和網絡傳輸等間接原因。本文從雷達伺服系統、信號處理和網絡傳輸等幾方面對體掃時間異常進行分析，對故障原因、故障排查和處理方法進行深入分析，并列舉了部分具體故障案例。通過本文的總結，為雷達機務人員進行故障排查并及時處理提供參考。