714CD型天氣雷達(dá)回波關(guān)聯(lián)故障淺析

劉　健,賈　東,劉　穎

（1.赤峰市氣象局,內(nèi)蒙古 赤峰　024000；2.阿魯科爾沁旗氣象局,內(nèi)蒙古 阿魯科爾沁　025500）

714CD型天氣雷達(dá)回波關(guān)聯(lián)故障淺析

劉健1,賈東1,劉穎2

（1.赤峰市氣象局,內(nèi)蒙古 赤峰024000；2.阿魯科爾沁旗氣象局,內(nèi)蒙古 阿魯科爾沁025500）

摘要：回波作為714CD型天氣雷達(dá)性能的最直觀表現(xiàn)之一，往往能夠成為故障判斷的切入口，本文從雷達(dá)的運(yùn)行原理、信號(hào)流程著手，通過對(duì)雷達(dá)各分系統(tǒng)的功能剖析，結(jié)合赤峰市新一代天氣雷達(dá)歷史故障實(shí)例，淺析雷達(dá)分系統(tǒng)與回波故障的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：714CD型天氣雷達(dá)；回波偏強(qiáng)；回波偏弱；故障分析

1　CD型天氣雷達(dá)的結(jié)構(gòu)和功能概述

CINRAD/CD型天氣雷達(dá)主要由天線罩、天線裝置、饋線系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、終端系統(tǒng)和配電系統(tǒng)組成。具有探測(cè)降水、臺(tái)風(fēng)、暴雨、冰雹、龍卷等氣象目標(biāo)的功能。CD雷達(dá)能探測(cè)周圍半徑450千米范圍內(nèi)氣象目標(biāo)的強(qiáng)度和位置，定量測(cè)量半徑200千米范圍內(nèi)的目標(biāo)強(qiáng)度；能監(jiān)測(cè)半徑150千米范圍內(nèi)氣象目標(biāo)降水粒子群相對(duì)于雷達(dá)的平均徑向速度和速度譜寬。CD 雷達(dá)對(duì)于分析中小尺度天氣系統(tǒng)，警戒強(qiáng)對(duì)流危險(xiǎn)天氣，制作短期、短時(shí)和臨近天氣預(yù)報(bào)具有顯著作用。

2　雷達(dá)工作的信號(hào)流程

圖1　714CD型天氣雷達(dá)信號(hào)流程圖

714CD型天氣雷達(dá)的信號(hào)流程如圖1所示，雷達(dá)發(fā)射機(jī)將頻率綜合器輸出的小功率高頻信號(hào)經(jīng)速調(diào)管進(jìn)行高功率放大，經(jīng)過鐵氧體天線收發(fā)開關(guān)、波導(dǎo)饋線、方位和俯仰鉸鏈送到饋源，由天線將能量輻射到空間。

云、雨等目標(biāo)后向散射和晴空大氣衍射的電磁波被天線收集后，由接收機(jī)處理成數(shù)字中頻信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)提取和數(shù)據(jù)處理，輸出強(qiáng)度、徑向速度和速度譜寬等參數(shù)，在終端顯示并生成產(chǎn)品，同時(shí)可以通過網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)品分發(fā)給用戶。

3　主要分系統(tǒng)對(duì)應(yīng)故障點(diǎn)及實(shí)例分析

3.1發(fā)射系統(tǒng)部分

發(fā)射系統(tǒng)采用全相參體制，固態(tài)射頻功率放大器推動(dòng)高增益速調(diào)管構(gòu)成放大式發(fā)射機(jī)。速調(diào)管采用電源電磁聚焦，系統(tǒng)監(jiān)控采用可編程控制器，控制發(fā)射機(jī)冷卻、低壓、高壓邏輯，故障記憶及保護(hù)功能。

發(fā)射系統(tǒng)主要由高壓調(diào)制器系統(tǒng)和微波鏈路兩部分組成，如圖2所示。

圖2　發(fā)射系統(tǒng)組成

3.1.1速調(diào)管

速調(diào)管為發(fā)射系統(tǒng)的核心，造價(jià)昂貴，為發(fā)射機(jī)的末級(jí)微波功率放大器。714CD型天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)采用KC4082型永磁聚焦速調(diào)管，工作時(shí)在速調(diào)管調(diào)制高壓和磁場(chǎng)的作用下，對(duì)陰極發(fā)射的電子注進(jìn)行速度調(diào)制，進(jìn)而獲得密度調(diào)制，并與高頻場(chǎng)進(jìn)行能量交換，以獲得微波放大與振蕩。

速調(diào)管穩(wěn)定工作一段時(shí)間后會(huì)逐漸老化，將使終端回波出現(xiàn)1-2dB的下降，老化之初并不明顯，但這種下降將是持續(xù)性的，當(dāng)回波強(qiáng)度出現(xiàn)連續(xù)小幅度衰減至回波偏弱，即可判斷速調(diào)管老化已經(jīng)顯現(xiàn)，持續(xù)性衰減將愈演愈烈直至不能達(dá)標(biāo)。

典型故障發(fā)生在2006年3月，赤峰市新一代天氣雷達(dá)出現(xiàn)地物回波強(qiáng)度減弱，高壓電流和注電流減小，發(fā)射功率下降的現(xiàn)象，機(jī)務(wù)人員敏銳發(fā)現(xiàn)速調(diào)管老化已經(jīng)顯現(xiàn)，開始申請(qǐng)更換速調(diào)管，至7月中旬?dāng)?shù)據(jù)接近不達(dá)標(biāo)，此時(shí)新速調(diào)管已經(jīng)到位，更換后雷達(dá)恢復(fù)正常。3.1.2功放分機(jī)

功放分機(jī)位于速調(diào)管前端，若該分機(jī)出現(xiàn)故障，其功放增益降低或功放損壞，將導(dǎo)致終端無回波。 .

3.2接收系統(tǒng)部分

接收系統(tǒng)主要由接收機(jī)、接收監(jiān)控、接收電源分機(jī)和雙通道脈沖功率計(jì)四部分組成。信號(hào)接收通道：經(jīng)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器送出的回波信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后經(jīng)單刀雙擲微波開關(guān)切換進(jìn)入場(chǎng)放，經(jīng)低噪聲放大后濾波送入混頻器與來自頻綜的本振信號(hào)混頻送出30MHZ中頻信號(hào),再經(jīng)低噪聲前置中頻放大后送入數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器內(nèi)，在數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器內(nèi)以36MHZ（RVP7）或72MHZ（RVP8）的采樣速率對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行A/D變換，并經(jīng)過格式變換后用光纜（RVP7）或網(wǎng)線（RVP8）送出數(shù)字中頻信號(hào)給信號(hào)處理器，以便對(duì)氣象回波的強(qiáng)度、速度及譜寬進(jìn)行估值。

（1）場(chǎng)放。場(chǎng)放的作用是對(duì)微弱的高頻回波信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，場(chǎng)放損壞將造成回波偏弱。位于場(chǎng)放前端的TR放電管故障會(huì)導(dǎo)致放電恢復(fù)時(shí)間過長，同樣會(huì)使回波明顯偏弱，相對(duì)而言，TR放電管更容易損壞，而放電管損壞極易導(dǎo)致場(chǎng)放燒毀。

（2）前置中放。前置中放的作用是對(duì)混頻器輸出的中頻回波或測(cè)試信號(hào)進(jìn)行放大，前置中放損壞將影響對(duì)中頻回波的放大作用，造成回波偏弱；

（3）數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器（IFD）。數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器的作用為30MHz回波和30MHz相參基準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器，在數(shù)字中頻分機(jī)里分別被濾波、A/D變換，然后進(jìn)行格式變換后，RVP7用光纜輸出， RVP8通過CAT-5E接口用網(wǎng)線輸出。

（4）頻率綜合器。頻率綜合器的作用是產(chǎn)生接收機(jī)必需的本振信號(hào)，相參基準(zhǔn)信號(hào)（COHO信號(hào)）、激勵(lì)信號(hào)、測(cè)試信號(hào)。同時(shí)提供一路相參基準(zhǔn)付路信號(hào)用于移相功能或前中、數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器檢查。其損壞也會(huì)造成回波偏弱。

（5）接收通路的微波開關(guān)或電纜損耗增大，同樣可能造成回波偏弱。

3.3饋線系統(tǒng)部分

饋線的作用為在雷達(dá)發(fā)射狀態(tài)時(shí)，由饋線將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高功率微波能量傳輸?shù)金佋醇疤炀€，再由天線將微波能量定向輻射到空間；在雷達(dá)接收狀態(tài)時(shí)，由天線接收的回波信號(hào)，經(jīng)饋線傳輸至接收機(jī)。饋線內(nèi)生銹，有冷凝水，或者饋線扭傷均可造成回波偏弱或者無回波。

3.4伺服系統(tǒng)部分

伺服系統(tǒng)包括方位和俯仰伺服系統(tǒng)。天線方位伺服系統(tǒng)由方位、俯仰共用的伺服分機(jī)和伺服電源分機(jī)及方位驅(qū)動(dòng)分機(jī)、方位驅(qū)動(dòng)永磁直流電動(dòng)機(jī)組J130SZ-C1601-01、方位減速器、方位主發(fā)送器等組成；天線俯仰伺服系統(tǒng)由方位、俯仰共用的伺服分機(jī)和伺服電源分機(jī)及俯仰驅(qū)動(dòng)分機(jī)、俯仰驅(qū)動(dòng)永磁直流電動(dòng)機(jī)組J130SZ-C1601-01、俯仰減速器、俯仰主發(fā)送器等組成。

3.5信號(hào)處理系統(tǒng)部分

信號(hào)處理系統(tǒng)的主要功能為識(shí)別氣象回波信號(hào)與干擾噪聲，抑制與氣象回波無關(guān)的雜波，將氣象目標(biāo)回波信號(hào)的振幅、相位提取出來；信號(hào)處理器要準(zhǔn)確地提取出云雨通過電磁波所帶回來的各種氣象參數(shù)，如反射率，徑向速度及譜寬，為氣象預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)確參數(shù)。

3.6終端系統(tǒng)部分

終端系統(tǒng)主要包括實(shí)時(shí)顯示和遙控顯示兩套終端，可以對(duì)雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于終端系統(tǒng)而言，若“距離訂正”沒有選，將可造成近處回波偏強(qiáng)，遠(yuǎn)距離回波偏弱，而標(biāo)校參數(shù)出錯(cuò)同樣可能造成回波偏強(qiáng)或偏弱。

參考文獻(xiàn)

[1]焦中生，沈超玲，張?jiān)浦骶?氣象雷達(dá)原理[M].北京：氣象出版社,2005.

[2] 馬勝萍主編.氣象雷達(dá)維護(hù)與維修[M].北京：氣象出版社,2014.