CINRAD／CC 天氣雷達一次發射系統故障實例分析

黎 霖，舒 斌，鄭 芬，王順江

（1.文山壯族苗族自治州氣象局，云南 文山 663009；2.云南省大氣探測技術保障中心，云南 昆明 650034）

隨著科技的不斷進步和現代化建設發展的需要，新一代天氣雷達已經逐漸成為天氣預報預警中不可或缺的重要工具，具有廣泛的應用價值。我國氣象部門在全國范圍許多區域均布設了新一代天氣雷達，新一代天氣雷達成為重要的綜合氣象探測系統裝備。

文山壯族苗族自治州氣象局當前使用的新一代天氣雷達為大修升級后的CINRAD/CC 型單偏振全相參脈沖多普勒天氣雷達，大修升級后的CINRAD/CC 天氣雷達能夠大幅提升氣象要素以及天氣現象探測資料的完整性及準確性，為熱帶氣旋、暴雨、龍卷、冰雹、雷暴等復雜天氣的預報預警以及人工影響天氣工作的開展，提供了特別有效的數據參考。

CINRAD/CC 天氣雷達探測的精準性和運行穩定性，得益于升級后雷達的發射系統、接收系統、伺服系統、信號處理系統、監控系統的控制電路模塊。相對上一代天氣雷達，新一代CINRAD/CC 天氣雷達的結構更加精細集成化、參數顯示可視化更高、模塊與終端更加精密，在使用和維護方面更科學合理，故障發生率更低，得到越來越多的區域布網投入使用[1]。

2022 年，新一代CINRAD/CC 天氣雷達出現了一次較為典型的發射系統故障，現對此次典型的發射系統故障進行分析研究。

1 新一代CINRAD／CC天氣雷達工作原理及故障背景

1.1 工作原理

新一代CINRAD/CC 天氣雷達發射水平極化電磁波，并接收從氣象目標散射的電磁波以發現氣象目標，同時測定空氣中的氣象目標的距離、方位和仰角。通過發射系統的主振動放大，由接收機提供調制后射頻信號以作激勵，而射頻發射脈沖是通過調制器控制射頻功率放大器（速調管）形成的。該天氣雷達由晶體振蕩器產生穩定的單頻連續波，同時方波脈沖由晶體震蕩信號通過各種轉換，例如分頻、倍頻、整形后得到，再通過方波脈沖調制，前后重復周期的相續射頻發射脈沖之間具有確定的相位關系，因此，相射脈沖信號具有相位相參性。

氣象目標的回波信號相對于在接收的時限段內對發射的載波脈沖調頻和調幅，氣象目標粒子在徑向運動過程中相對于發射信號的散射過程中也發生了頻率調制。

雷達的脈沖信號在探測到氣象目標時，發射脈沖信號的載波頻率為f0，它接收到的回波脈沖信號的頻率為f0+fd，其中fd為多普勒頻率，與目標相對于雷達的徑向運動速度Vr以及雷達發射脈沖信號的波長λ 有關。即

因此，當脈沖多普勒天氣雷達探測氣象目標時，某一時刻的回波信號是由有效照射體所有降水粒子的回波合成的。由于降水粒子的大小、運動速度和方向各不相同，這就意味著通過對兩個接收通道的幅度和相位進行處理，可以獲得多差分反射率因子、差分傳播相移、相關系數等偏振參數，進而演算出多普勒雷達回波信號包含了強度、速度和普寬等信息。

然而，相對應探測的數字信號、模擬信號則需要雷達的各個分系統來運算。雷達系統包括：發射分系統、接收分系統、伺服分系統、監控分系統、數據系統與顯示分系統等9 個分系統。

接收分系統輸出頻率遙控可改變C 波段射頻激勵信號，射頻激勵信號送入發射分系統后，先進行整形放大再送入速調管，輸出峰值功率＞250 kW的射頻脈沖信號，經過饋線到達天線向控件定向輻射。天線定向輻射的電磁波遇到云、雨等降水目標時，便會發生后向散射，形成氣象目標的射頻回波信號被天線接收。

監控分系統采用基于網絡總線的分布式監控設計，自動檢測、搜集雷達各個分系統的故障信息、工作參數以及回波數據，并送往數據處理與顯示分系統。

1.2 故障背景

新一代CINRAD/CC 天氣雷達出現的這次典型發射系統故障，主要呈現出無法正常顯示雷達回波強度、無法加載高壓、KLY 溫度異常，監控分系統顯示多模塊故障等現象。

因此，處理本次故障通過圍繞接收系統、發射系統進行排查處理。

在排查故障過程中，會出現多個故障同時爆發出現在監控系統的情況，無形當中給解決故障問題增加了一定難度和干擾。

2 故障過程

雷達強度回波出現跳線狀況轉移。等待一個完整體掃結束，停止雷達運行。查看雷達狀態模塊的數據，發現雷達參數數據均無跳變現象。點擊“復位”，重啟雷達體掃模式。在啟動雷達運行后，出現雷達伺服系統的方位和仰角在正常運轉，卻沒有正常顯示強度回波[2]。

停止體掃，退出高壓運行查看雷達狀態模塊，雷達功率271.0 kW（≥250 kW 正常），其余參數正常。遠程關閉接收機，30 s 后重新啟動（曾用此方法處理過回波跳線現象的問題），仍然無雷達回波呈現。

退出、重啟雷達維護終端軟件系統，雷達處于退出高壓保持在“準加”狀態。查看雷達狀態，雷達不顯示發射功率，無法加載高壓。

對雷達進行自動強度標校AutoTest，不能正常完成標校動作，標校結果均不合格。標準輸出控制器出現“KLY 溫度異常”的報警信息，雷達狀態模塊也同時出現該信息，同時雷達狀態文件明顯出現“發射系統”的報警信息，點擊發射分系統，更具體的出現“泵鈦故障”[3]。

3 故障處理過程

到雷達機上查看控制面板顯示屏界面上的各參數，除了發射功率值外，其余參數讀值基本達標。發射系統指示燈、負載指示燈出現“故障”狀態，而接收機指示燈顯示“正常”狀態，初步判斷是發射系統的問題。

根據故障現象和雷達狀態模塊的報警信息綜合分析，分析得出雷達速調管是最可能出現問題的。拆下速調管散熱風機風管，速調管收集極處裝有一個溫度維電器，該維電器為斷開狀態；檢查排風口通風情況為正常通風狀態，判斷可能是收集極溫度過高引起雷達發射機報“KLY 溫度異常”故障。

檢測發射機速調管外接測試口測試發射機功率，1 μs 發射功率為正常值268.0 kW，測試收集極電流均到正常值，基本排除是發射機速調管的問題。

檢查監控板，沒有發現有被擊穿或損壞的現象，監控板工作正常。

排查波導控制開關。發現波導開關處于加載負載狀態，調試加高壓，無波導開關無斷開/閉合的切換動作反應。重新啟動本地負載電源開關，波導開關仍然處于負載的狀態，當再切換負載時，波導開關能順利閉合，可實現切換負載指令動作。通過排查基本可以斷定此次故障是由于波導開關觸發信號引起的。

重啟雷達終端控制軟件，設置雷達參數，復位并加載高壓，查看雷達狀態模塊，各個雷達參數正常，報警信息停止，標準輸出控制器報警信息停止。啟動體掃模式Ⅱ，顯示強度回波正常，雷達正常運行。

4 故障分析

4.1 鈦泵故障

當鈦泵電源輸出欠壓或過流時，發射系統會報出鈦泵故障。鈦泵欠壓是由于鈦泵電源的輸出能力下降，當其輸出電壓低于所要求的電壓時，會報出故障；當速調管的真空度下降時，對于鈦泵電源而言相當于負載由輕載變為重載，此時鈦泵電源所處的整個回路中電流會變大，當回路中的電流超過閾值時，就會報出故障。

因此，當出現鈦泵故障時，需要判斷是欠壓故障還是過流故障導致的。鈦泵欠壓對應的故障器件是鈦泵電源，過流故障則對應的是速調管真空度故障。

檢查時，可通過斷開鈦泵電源與其負載（速調管的鈦泵）之間的連接，使鈦泵處于空載狀態下再進行通電，觀察鈦泵是否還報故障。若鈦泵還報故障，說明是鈦泵欠壓故障，因為此時的鈦泵電源處于空載狀態，沒有負載，不構成回路，沒有電流就不會有過流故障。

然而，在空載狀態下，鈦泵電源不報故障，說明速調管的真空度下降，此時應排查速調管是否漏氣，雷達的工作環境是否過于潮濕[4]。

4.2 終端不顯示發射功率數值

圖1 為速調管工作示意圖。

圖1 速調管工作示意圖

由圖1 可知，若要速調管正常工作，需要滿足3 個條件：一是大小合適的激勵信號；二是幅值符合速調管要求的陰極調制脈沖；三是激勵信號與陰極調制脈沖在時間關系上相嵌套。

因此，檢查速調管的工作狀態分3 個步驟進行：首先是檢查速調管的輸入激勵信號；其次是檢查速調管的陰極調制脈沖（通過觀察速調管收集極電流大小實現）；最后是檢查速調管的激勵信號與陰極調制脈沖的嵌套關系。

速調管的激勵信號是由來自接收機的激勵信號經發射功放放大后，送至速調管的激勵入端口的。而發射功放需要在激勵信號、+15 V 直流電源和門套信號的共同作用下才能正常工作。當發射功放前面板的指示燈為綠燈常亮時，表示+15 V 直流電源供電正常，確定供電正常后再測量來自接收機的激勵信號和門套信號。圖2 為激勵信號和門套信號測量示意圖。

圖2 激勵信號和門套信號測量示意圖

由圖2 可知，來自接收機的激勵信號經檢波器連接，信號被送至示波器的通道1；門套信號用示波器探頭進行測量，信號被送至示波器通道2。示波器通道1 測量到的信號為一個脈沖信號，示波器通道2 測量到的信號為一個脈沖信號，兩路脈沖信號在時間關系上為嵌套關系。若其中一路信號異常或沒有嵌套上，則發射功放無法正常工作。

在功放供電正常、激勵信號和門套信號均正常的情況下，對發射功放的輸出進行測量。圖3 為發射功放的輸出進行測量圖。

圖3 發射功放的輸出進行測量圖

由圖3 可知，按上圖順序進行發射功放連接時，示波器應該能夠測量到一個脈沖信號，否則，發射功放很有可能發生故障。

確定發射功放的數據正確輸出后，同時對速調管的激勵信號（即發射功放的輸出）和陰極調制脈沖進行測量。一是可以通過觀察收集極電流的大小，判斷陰極電壓是否已經加到合適的幅值；二是可以判斷激勵信號和陰極調制脈沖兩者之間在時間關系上是否嵌套。由于速調管的陰極是在脈沖變壓器中，無法直接對其進行測量，因此采用測量收集極電流的方式進行間接測量[5]。圖4 為測試收集極電流示意圖。

圖4 測試收集極電流示意圖

由圖4 可知，示波器通道1 測量到的應該為一個脈沖信號，示波器通道2 測量到的應該是一個幅值在1 600～1 700 mV 之間的脈沖信號。兩者的嵌套關系見圖5。

圖5 收集極電流波形圖

確認所測波形數值和位置關系均正確無誤后，速調管應該可以正常工作，此時用功率計對饋線中相應的耦合器端口進行測量，以確認速調管是否有輸出[6]。

在整個饋線系統中，波導開關的前端和后端均有一個波導耦合器。依次對波導開關前端的耦合器I 和耦合器II 進行測量。圖6 為耦合器I 進行測量示意圖。圖7 為耦合器II 進行測量示意圖。

圖6 耦合器I 進行測量示意圖

圖7 耦合器II 進行測量示意圖

由圖6、圖7 可知，從耦合器I 和耦合器II 測量到的峰值功率值都應≥250 kW。如果從耦合器I測量到的峰值功率值遠遠低于250 kW，則表示速調管的放大能力可能已經下降；若從耦合器I 測量到的峰值功率正常，但從耦合器II 測量到的峰值功率遠遠低于250 kW，則表示很有可能是波導開關故障。

5 結論

掌握基本的發射機原理知識和信號流程，遵循正確診斷原則和正確診斷流程，充分利用各種狀態信息和報警信息，熟練使用儀表測量各測試點信號，可以快速找到發射機故障。

此次查找故障之前，雖然查看到負載顯示為故障狀態，但是查找工作的方向重點放到了排查速調管方面。因此，查找波導開關與負載故障的方法，處理波導導通，是解決在狀態信息中報泵鈦故障，且無發射功率顯示狀況這類問題的一個有效可行的辦法。

當發射系統出現嚴重故障，遠程控制無效時，可通過本地控制顯示屏進行雷達發射機本地的操作命令、控制命令以及設置發射機各種參數。如果在高壓開啟時出現故障，該故障檢測電路能夠控制發射機立即關閉高壓，確保人身安全、速調管安全以及其他設備的安全。

在查找發生波導開關故障的原因時，復盤操控雷達軟件的整個過程動作需符合技術規范的要求。波導開關在沒有受到損壞的情況下，后期能持續長時間正常工作。

在此次故障中，僅在查看UPS 電池組的事件記錄中發現，在雷達重啟運行的同一時間段出現“負載過載”的記錄，這是否與產生波導開關故障直接關聯，目前尚無法求證，需要進一步排查發射機內部供電線路的安全隱患，關注發射機內部供電線路安全。