CINRAD/CD型雷達體掃時自動抬升仰角不穩(wěn)定典型故障分析及處理

李明元

(貴州省遵義市氣象局，貴州 遵義 563002)

1 引言

新一代多普勒天氣雷達系統(tǒng)自布點以來，從國家級到臺站級都在為較高的雷達可利用率而努力，各種型號雷達的維修又各不相同，而從故障發(fā)生的現象來看，有的故障有報警，有的故障無報警。而全國雷達技術保障人員也在工作中不斷總結自己的故障維修經驗［1－9］。本文以遵義CINRAD/CD雷達為依托，總結運行9 a來12次無故障報警情況下，體掃自動抬升仰角不穩(wěn)定故障的維修經驗，具體是以下6次，這些故障發(fā)生時仰角指令未發(fā)送:①2M寬帶遠程實時傳輸雷達數據包的同時傳輸視頻監(jiān)控，出現掉包而不能滿足數據采集量;②小型交換機使用年限長，出現傳輸數據阻塞;③網線頭制作不規(guī)范導致數據傳輸效果不好;④主監(jiān)控系統(tǒng)方位角碼變換單元故障引起;⑤主監(jiān)控系統(tǒng)與采集機之間電纜維護后插拔時弄彎了針腳;⑥局域網由于開通了cmacast氣象頻道視頻流導致交換機阻塞。以下6次故障發(fā)生時仰角指令已發(fā)送:①俯仰驅動單元輸出電壓不連續(xù)，即俯仰驅動集成電路板壞;②俯仰伺服放大器由于長時間未作調整導致靜態(tài)和動態(tài)特性發(fā)生變化;③俯仰放大器可調電阻RP5損壞和反饋第二級R25損壞，出現2次;④匯流環(huán)磨損時間一致使用壽命所致;⑤俯仰電機組合使用時間長導致。維修將從雷達實時處理程序終端至天線反射體的每一個環(huán)節(jié)進行分析，并把在遵義雷達出現的故障維修進行闡述，以便CD型雷達維護人員遇到此類問題能有所借鑒。

2 故障分析

2.1 自動抬升仰角不穩(wěn)定故障界定

新一代多普勒天氣雷達工作特點是自動、連續(xù)、不間斷工作，體掃模式常用VCP(volume coverage pattern)11或VCP21，即雷達自動完成14個仰角或9個仰角的PPI(平面位置掃描)掃描組成一個完整的數據集，這個完整的數據集稱為一個體掃數據。體掃自動抬升仰角不穩(wěn)定故障即是指雷達在體掃過程中，無報警狀態(tài)下自動抬升仰角時動作沒有完成或偶爾能完成偶爾不能完成，從而影響雷達數據采集。

2.2 終端命令到執(zhí)行件的流程介紹

遵義雷達站屬于臺站分離型，其雷達業(yè)務平臺在距離雷達數據采集分機有10 km左右的通信距離，通過兩條2M數字光纖專線與數據采集分機通信，其雷達實時處理程序終端發(fā)送命令到天線轉動如下:雷達實時處理程序終端→單位100 M局域網→市局業(yè)務網交換機→電信光纖協(xié)議轉換器→雷達山上光纖協(xié)議轉換器→雷達站交換機→數據采集分機→雷達主監(jiān)控機→俯仰伺服放大器→俯仰驅動分機→匯流環(huán)→俯仰電機→天線反射體。這些環(huán)節(jié)都有可能帶來此類故障的發(fā)生，而從這些環(huán)節(jié)分析來看，有些是屬于網絡通信類的技術處理，有些是屬于電子技術維修的范疇，在此文中將一一進行詳細敘述。

2.3 故障現象

雷達做體掃(CAPPI)時，天線會停留在某一層做PPI，不能抬升。但過一段時間有時又可以抬升，反反復復沒有規(guī)律。雷達無報警信息提示。

2.4 故障原因

出現此故障的根本原因主要有兩方面。一方面是，CINRAD/CD雷達體掃時要求一層PPI的數據量必須達到規(guī)定值，當數據量少于掃描方位360°的80%或者相鄰的2°無數據時，大工作臺主計算機將不會發(fā)送下一層仰角指令，雷達天線不會抬升，直到該層數據量滿足規(guī)定值，再發(fā)送指令，天線再抬升。另一方面是，CINRAD/CD雷達俯仰控制到位精度是要＜0.1°，且天線追擺次數＜3次，當該精度不能滿足要求時，體掃數據存數不能完成也會導致故障發(fā)生。

2.5 故障分析

造成仰角指令未發(fā)送引起故障的可能主要有3個方面:監(jiān)控機與終端之間通信不暢導致方位角碼變換不連續(xù)或數據采集量不夠;監(jiān)控機與采集機之間的24針傳輸命令電纜故障;方位角碼變換單元故障導致角碼不連續(xù)變化。

造成俯仰控制精度不夠引起故障的可能主要就有6個方面:①驅動誤差電壓出現異常;②俯仰伺服放大器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性發(fā)生變化;③俯仰伺服放大器板子上有元器件出現損壞;④俯仰的速度反饋出現故障;⑤匯流環(huán)出現故障;⑥天線反射體回差較大。

2.6 故障檢修分析思路

故障在終端的表現最終是由天線部分反饋回來的信號，天線前的每一部分和測量元件反饋回路出錯，信號傳輸損失等都會導致故障的產生，因此故障的排除先從簡單到復雜，由常規(guī)到異常，沿著通信線路、控制線路和反饋線路逐級查找。且在排除前應仔細觀察終端仰角命令是否發(fā)出的區(qū)別，發(fā)出了命令可初判是主控機到天線反射體之間的部分出故障，沒有發(fā)出命令就要考慮線路上的故障和方位角度上數據采集不能滿足的故障可能。

3 故障處理

3.1 仰角指令未發(fā)送引起故障的處理

帶寬資源不夠引起的故障:雷達體掃基數據在生成前，從數據采集機到終端之間是以數據包的形式進行傳輸，數據包傳輸前未經過壓縮時，2M傳輸顯得有些吃力，但是經過廠家在數據傳輸上處理后，實時傳輸是沒有問題的，但是如果增加其它的實時圖像處理傳輸就會出現調包嚴重問題，從而造成此故障的發(fā)生。遵義雷達站在臺站分離后為了遠程安全監(jiān)控，就進行了實時視頻傳輸，結果造成了此故障的發(fā)生，通過ping命令，遠程與采集機通信，結果就經常出現連接超時或連通延時較長情況，后通過再增加一條2M帶寬線路后問題得以解決。

交換機引起的故障:不管是在雷達站內還是在遠程的雷達業(yè)務平臺，對交換機的使用都無法避免，而交換機在出現軟性故障時，查看網絡又是暢通的，只是與采集機之間用ping命令鏈接時延時較長，一般會時不時出現200ms左右延時，這時就需要逐級進行排除了。用筆記本電腦在光纖兩端協(xié)議轉換器上通過網線直接進行對ping，如果暢通即可排除光纖專線問題。然后用筆記本電腦通過交換機進行ping命令測試，如果連通時間立即降下來了，立即可以排除局域網內交換機無問題，如果連通時間沒有改善，既有可能是網線也有可能是交換機，更換網線，故障依舊則是交換機故障。雷達站內的交換機用筆記本通過交換機與數據采集機進行測試，同樣可以排除其交換機故障。鑒于此情況建議小型交換機最好在使用3～5 a過后及時更換，以避免不必要的故障發(fā)生。

網線插座接觸不良或網線水晶頭制作不規(guī)范引起的故障:天線自動抬升掃描不穩(wěn)定故障的出現，從實時處理程序終端對采集機進行ping命令測試，出現掉包現象，首先就要考慮各級網線接觸是否良好，對各級網線進行重新拔插，如果故障恢復，即是接觸不良原因，如果發(fā)現水晶頭處網線有裸露現象，懷疑網線受干擾或網線與水晶頭接觸不好，更換網線試，如果故障恢復，即是網線水晶頭制作不規(guī)范導致受干擾或接觸不良造成。

市局局域網阻塞引起的故障:雷達業(yè)務平臺難免會接入市局業(yè)務平臺局域網，而業(yè)務局域網里一般情況下包含了雷達業(yè)務、氣象預報業(yè)務，因此其在局域網類傳輸的數據包就非常多。隨著CMA-CAST系統(tǒng)在各地投入使用，數字高清氣象頻道也在氣象業(yè)務平臺進行使用，因此在局域網傳輸的數據包量就更多了，2012年1月22日，因氣象臺21日下午通過局域網開通氣象頻道，雷達實時處理程序出現此故障，仔細觀察工作臺處理程序過程中，發(fā)現監(jiān)控程序偶爾會出現報電源處于本控狀態(tài)故障，然后自動會恢復到正常狀態(tài)。鑒于此現象，懷疑有掉包發(fā)生，通過實時處理程序電腦與采集機ping接，發(fā)現調包很嚴重，于是又從光纖協(xié)議轉換器處測試與山上的通信，結果一切正常，更換網線沒用，更換交換機后，故障隨即又會出現，懷疑局域網發(fā)包量太大造成交換機阻塞引起或病毒攻擊，但是通過殺毒處理后故障依舊，于是借助網絡監(jiān)控軟件，檢查局域網所有電腦、包括服務器的運行情況，發(fā)現CMACAST接收處理機發(fā)包量非常大，聯(lián)想到是由于氣象臺開通高清視頻通道后引起，于是關閉該功能，故障立即解決。

主監(jiān)控系統(tǒng)與采集機之間的電纜頭接觸不良引起的故障。主監(jiān)控系統(tǒng)與采集機之間的電纜頭由于接頭針腳非常多，且比較細，因此在維護過程中拔插的時候都需要特別注意，一旦針腳插歪了出現接觸不良或恰好兩針角變形發(fā)生短接即可導致其故障發(fā)生。

方位角碼變換單元故障引起。該集成電路板一旦出現問題，方位到位精度就不能滿足要求，因此首先在方位上檢查方位到位精度，如果方位到位精度通過調整后，只在某一些固定方位角度值上出現精度不夠，而其他方位到位精度均能滿足要求，即可判定角碼變換單元故障，更換該板子，然后通過角碼變換單元上的跳線設置使顯示仰角與實際相符即可。這樣確保了到位精度滿足，從而保證采集數據量和相鄰方位角度之間數據連續(xù)。

3.2 俯仰控制精度不夠引起故障的處理

驅動誤差電壓出現異常故障。主監(jiān)控系統(tǒng)中有俯仰驅動單元集成電路板，其輸出主要到伺服分機柜，在伺服分機柜后面有兩根同芯電纜，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2定位控制曲線。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1曲線，監(jiān)控分機俯仰驅動單元的誤差電壓輸出關系發(fā)生變化，即需更換俯仰驅動單元集成電路，故障排除。

圖1 定位控制曲線圖，橫坐標角碼誤差Δθ，縱坐標誤差電壓ΔU，閾值 Δθ

俯仰伺服放大器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性發(fā)生變化引起的故障。打開伺服柜中的伺服分機，調整俯仰伺服放大器上的電位器RP5和RP8。調整前先檢查RP5和RP8兩個電位器是否正常，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，就必須更換電位器。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。增益變大，會減小系統(tǒng)誤差，但增益過大會引起系統(tǒng)振蕩，而增大阻尼能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小追擺次數。一般先將RP5的俯仰誤差電壓(為保證設備安全，先關閉俯仰驅動器主回路)調到較小的位置，再逐步增大增益，通過伺服分機的誤差電壓表觀察調整后的誤差輸出變化，如電位器能正常調節(jié)誤差值，說明誤差電壓的調整是受控的，誤差電壓控制電路基本正常。當系統(tǒng)定位控制有一定超調量后，再調整RP8，減少振蕩次數。調好后，命令一個仰角，細微調整一次，觀察調整后的結果，如此反復，即可排除故障。

俯仰伺服放大器板子上有元器件損壞引起的故障。觀察監(jiān)控分機面板上的仰角指示值極不穩(wěn)定，跳變幅度大，再觀察俯仰驅動誤差指針，發(fā)現指針左右擺動大，說明天線追擺嚴重。停止體掃，檢查天線的定位精度，給出命令仰角后，天線追擺無法停止，且仰角期望值與實際值誤差＞0.3°(指標要求到位精度＜0.1°)。測試增益電位器RP5和阻尼電位器RP8電阻值處于正常范圍可以調節(jié)，反復調節(jié)俯仰伺服放大器中阻尼調節(jié)電位器RP8和增益電位器RP5，無效。再檢查俯仰伺服放大器中運算放大器第一級和第二級反饋電阻，發(fā)現第二級反饋電阻R25已開路，更換后，故障排除。

俯仰的速度反饋出現故障。伺服電動機組是由直流電動機和測速發(fā)電機組成，電動機轉動越快，測速發(fā)電機輸出電壓就越大，測速發(fā)電機的輸出斜率為7V/1 000 rpm，測速發(fā)電機的輸出電壓經過測量電路施加到伺服放大器，構成速度負反饋，即速度環(huán)。在天線做定位控制時，通過對速度反饋的調整，可以改變系統(tǒng)阻尼，使天線快速準確的定位。如果伺服系統(tǒng)的速度環(huán)有故障，無阻尼信號，也會導致系統(tǒng)無法正常定位。關閉俯仰驅動分機電源，將雷達天線轉動切換到應急工作方式，觀測伺服分機上的俯仰誤差電壓顯示。當通過應急控制，使天線正轉時，伺服分機的誤差電壓表顯示負值，天線反轉時誤差電壓值相反，說明速度反饋正常。如果不正常，檢查相應的鏈接電纜，如果電纜沒問題，更換俯仰電機組合，故障排除。

匯流環(huán)傳導不良引起的故障。俯仰位置監(jiān)測裝置由俯仰減速器、俯仰主發(fā)送器、角碼變換器組成，主發(fā)送器與角碼變換器電氣連接通過匯流環(huán)傳導。首先檢查匯流環(huán)，也許是匯流環(huán)碳刷積碳太臟，只需用酒精清洗一下就能解決問題。然后檢查匯流環(huán)碳刷，碳刷是否嚴重受損，是否可以修復。最后檢查匯流環(huán)槽是否磨損嚴重，通過檢查匯流環(huán)與炭刷的接觸良好，發(fā)現匯流環(huán)槽出現缺恒現象，顯得不平整，且槽內本來是白色鍍鉑金，現在變成紫銅色，可能會導致傳導效果不良，再經仔細觀察，發(fā)現角碼顯示有較小跳動，而且仰角在某一角度范圍內時，跳動較明顯，故判斷匯流環(huán)損壞。更換匯流環(huán)后，并用同心圓檢測儀檢測匯流環(huán)，使匯流環(huán)的動環(huán)運行平穩(wěn)且同心，再細微調整系統(tǒng)增益(電位器RP5)和系統(tǒng)阻尼(電位器RP8)，伺服系統(tǒng)俯仰定位正常，故障恢復。

天線反射體回差較大。首先檢查天線的配重情況，用手輕輕在天線自然離地點抬起天線，然后放下，看是否能夠自然的停在某一仰角，同時檢查天線的回差是否較大(回差:天線停止狀態(tài)下，抬起天線會有一個間隙，這個間隙中天線仰角變化不能太大)。如果天線回差較大，即出現仰角定位時跳變大需要廠家專業(yè)技術人員處理，如果配重不平衡，仰角在天線轉動過程中就無法定位，這種情況一般只在廠家對天線反射體和俯仰減速箱變動后恢復不好引起，故障出現的概率非常小。

4 結語

體掃自動抬升仰角不穩(wěn)定故障即是指雷達在體掃過程中，無報警狀態(tài)下自動抬升仰角時動作沒有完成或偶爾能完成偶爾不能完成，從而影響雷達數據采集。

造成體掃不穩(wěn)定的原因一方面是，雷達體掃數據量少于掃描方位360°的80%或者相鄰的2°無數據時，終端不發(fā)抬升仰角命令。另一方面是，雷達俯仰控制到位精度不能滿足要求，使發(fā)送了仰角命令而不能動作。

造成仰角指令未發(fā)送可能主要有3個方面:監(jiān)控機與終端之間通信不暢導致方位角碼變換不連續(xù)或數據采集量不夠;監(jiān)控機與采集機之間的24針傳輸命令電纜故障;方位角碼變換單元故障導致角碼變化不連續(xù)。

造成俯仰控制精度不夠可能主要有6個方面:①驅動誤差電壓出現異常;②俯仰伺服放大器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性發(fā)生變化;③俯仰伺服放大器板子上有元器件出現損壞;④俯仰的速度反饋出現故障;⑤匯流環(huán)出現故障;⑥天線反射體回差較大?？傊ㄟ^總結梳理同類型故障的分析處理，以期全國CD型雷達臺站遇到此類問題時能夠快速拓展解決問題思路。

［1］李明元，羅曉松，戴偉明.CINRAD/CD伺服系統(tǒng)一次俯仰定位精度故障的維修實例［J］.貴州氣象，2007，4:31－34.

［2］周紅根，柴秀梅，胡帆，等.新一代天氣雷達回波異常情況分析［J］.氣象，2008，34(6):112－115.

［3］楊傳鳳，袁希強，黃秀韶，等.CINRAD/SA雷達發(fā)射機故障診斷技術與方法［J］.氣象，2008，34(2):115－118.

［4］周紅根，高玉春，胡帆，等.CINRAD/SA雷達頻綜故障檢修方法［J］.氣象，2009，35(10):113－118.

［5］吳少峰，胡東明，胡勝，等.一次CINRAD/SA雷達發(fā)射機功率偏低故障的分析及處理［J］.氣象，2009，35(10):109－112.

［6］徐八林，楊松福，何躍，等.CINRAD/CC雷達發(fā)射機磁場電源故障診斷與調試［J］.氣象，2010，36(2):126－129.

［7］徐八林，劉黎平，張濤，等.CINRAD/CC雷達速調管運行狀態(tài)控制［J］.氣象，2011，3:73 －78.

［8］柴秀梅，潘新民，湯志亞，等.新一代天氣雷達回波強度異常分析與處理方法［J］.氣象，2011，3:79－84.

［9］李明元，陳明林，左經純，等.新一代多普勒天氣雷達(cinrad/cd)方位伺服系統(tǒng)典型故障分析與排除［J］.氣象，2012，1:123－128.