氣象雷達(dá)原理及故障維護(hù)

摘要：氣象雷達(dá)是氣象監(jiān)測的重要手段，主要用于飛機(jī)上探測氣象狀況以及變化趨勢，同時(shí)還能測量距離及方位等，為安全飛行提供保障。本文主要介紹了氣象雷達(dá)的作用、組成及工作原理，并通過一些常見的故障討論了排故的方法以及維護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：氣象雷達(dá) 作用 維護(hù)

中圖分類號(hào)：TN959.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）7 （c）-0000-00

機(jī)載氣象雷達(dá)主要用來探測飛機(jī)前方航路上的氣象目標(biāo)和其他一些目標(biāo)的存在以及分布狀況，并將所探測目標(biāo)的輪廓、雷雨區(qū)的強(qiáng)度、方位和距離等信息顯示在顯示器上。氣象雷達(dá)作為一項(xiàng)重要的機(jī)載設(shè)備，它對飛行安全起著不可忽視的作用，身為機(jī)務(wù)人，我們有責(zé)任深入的了解其構(gòu)造及原理，以便在其出現(xiàn)故障時(shí)能快速準(zhǔn)確的找出問題所在。

氣象雷達(dá)作用

氣象雷達(dá)主要用于探測氣象狀況以及變化趨勢。它是人們?yōu)榉婪稓庀箫L(fēng)險(xiǎn)，保障飛行安全而研制的航空電子產(chǎn)品。它是利用電磁波經(jīng)過天線輻射后遇到障礙物被反射回來的原理，目標(biāo)的導(dǎo)電系數(shù)越高，反射面越大，則回波越強(qiáng)。它能夠在飛行中連續(xù)地向飛行員提供航路前方及其兩側(cè)的氣象狀況，此外還提供飛機(jī)前方地表特征的地圖型顯示，飛行員可據(jù)此選擇安全的航線，避繞危險(xiǎn)的氣象區(qū)域或其它障礙物，識(shí)別地標(biāo)以及判斷飛機(jī)的位置。

氣象雷達(dá)的組成

控制面板、顯示器、天線和收發(fā)機(jī)構(gòu)成了氣象雷達(dá)主要部件。機(jī)載氣象雷達(dá)還需由垂直陀螺提供傾斜和俯仰穩(wěn)定信號(hào)，傾斜和俯仰信號(hào)可以由單獨(dú)的垂直陀螺組建提供，也可由慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)提供。

在控制面板上可以選擇雷達(dá)的工作方式，顯示距離范圍，掃描區(qū)域，設(shè)置增益等各項(xiàng)功能。俯仰角控制開關(guān)可調(diào)節(jié)天線在±15°內(nèi)的俯仰變化，以便天線在適當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)行掃描。增益控制開關(guān)可以調(diào)節(jié)接收器的靈敏度，接收器的自動(dòng)（CAL位）靈敏度因雷達(dá)系統(tǒng)的不同而不同。穩(wěn)定控制開關(guān)用于控制天線的穩(wěn)定性，當(dāng)飛機(jī)有俯仰、傾斜動(dòng)作時(shí)，通過R/T提供的補(bǔ)償信號(hào)控制天線，使其保持在選定的俯仰位置。識(shí)別控制開關(guān)是為了消除地面的雜波，使得對目標(biāo)的探測更為準(zhǔn)確。

現(xiàn)在飛機(jī)的氣象雷達(dá)信息一般都顯示在EFIS而不再用單獨(dú)的雷達(dá)顯示器。除可顯示目標(biāo)的強(qiáng)度及位置信息外，還可以顯示各種文字信息、輔助信息及系統(tǒng)狀態(tài)等。用不同的顏色直觀的表示出氣象信息的強(qiáng)弱，以極坐標(biāo)的方式表示出探測的目標(biāo)的距離及方位，通過距離標(biāo)志圈可讀出其數(shù)值。

天線主要作用是輻射和接收回波，同時(shí)還要進(jìn)行方位掃略與俯仰、傾斜穩(wěn)定，氣象雷達(dá)天線組安裝于飛機(jī)前端的雷達(dá)罩內(nèi)，天線的方向性越強(qiáng)，雷達(dá)的作用距離越遠(yuǎn)，測向精度和分辨率也越高。雷達(dá)發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的脈沖射頻信號(hào)，由雷達(dá)天線匯聚成束后向空中某一方向輻射出去。雷達(dá)天線指向空間某一方向，而此時(shí)只有在這一方向的目標(biāo)才會(huì)被雷達(dá)波束照射到，從而產(chǎn)生相應(yīng)的回波信號(hào)而被雷達(dá)所探測，其他方位的目標(biāo)，由于不可能被雷達(dá)信號(hào)照射到，所以在這一瞬間是不會(huì)產(chǎn)生回波。為了探測飛機(jī)航路前方及其左右兩側(cè)的氣象情況，氣象雷達(dá)天線在一定范圍內(nèi)進(jìn)行往復(fù)方位掃掠。通過天線的周期性方位掃掠，雷達(dá)就可以探測這一方位范圍內(nèi)被波束所依次照射到的目標(biāo)。

收發(fā)機(jī)是該系統(tǒng)的核心部件，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生具有足夠功率的周期性的矩形脈沖射頻信號(hào)，而接收機(jī)則是提取所需的回波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)傳輸給顯示器。雷達(dá)收發(fā)組總是安裝在靠近天線的位置，比如前設(shè)備艙或雷達(dá)罩內(nèi)，以盡可能減少連接波導(dǎo)的長度。接收機(jī)和發(fā)射機(jī)是共用一部天線工作的，信號(hào)的發(fā)射與回波信號(hào)的接收交替進(jìn)行。雷達(dá)發(fā)射機(jī)在極短時(shí)間中產(chǎn)生的功率強(qiáng)大的脈沖信號(hào)，通過天線輻射出去。在這短短的幾微秒內(nèi)，雷達(dá)接收機(jī)的輸入端是關(guān)閉的，沒有與天線連通。當(dāng)發(fā)射過程結(jié)束后，雷達(dá)便工作于接收狀態(tài)，此時(shí)天線與接收機(jī)輸入端相連接，不同距離處目標(biāo)所產(chǎn)生的回波信號(hào)由天線接收而加至接收機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的處理。

工作原理

氣象雷達(dá)是通過目標(biāo)對雷達(dá)波的反射來確定目標(biāo)的位置和特性的。物體導(dǎo)電性好，對雷達(dá)波的反射能力越強(qiáng)，反射面積越大，反射能量越高，物體的幾何尺寸與波長相差很大時(shí)反射的能量變得非常微弱，而當(dāng)反射面的直徑可與波長相比擬時(shí)，反射回來的能量會(huì)明顯升高。常用的雷達(dá)一般工作頻率為200～10000MHz，這主要取決于雷達(dá)的用途和性能，而且必須在國際電信聯(lián)盟所指定的頻段內(nèi)，目前航空公司一般選用X波段的機(jī)載氣象雷達(dá)。

1.距離測定

氣象雷達(dá)發(fā)射的電磁波是以光速c在空中向前傳播，通過測量所接收到的目標(biāo)回波信號(hào)與發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔t，可以算出目標(biāo)相對于飛機(jī)的距離L =ct/2。它的距離分辨力決定于脈沖的寬度，要提高區(qū)分近距離目標(biāo)的能力，必須使用較窄的脈沖寬度。

2.方位測定

它是通過測定雷達(dá)天線波束軸的瞬時(shí)方位來確定目標(biāo)方位的。雷達(dá)天線所形成的輻射波束是寬度很窄的圓錐形波束，當(dāng)天線指向某一方位時(shí)只有該方位的目標(biāo)回波才能被雷達(dá)所接收，把該信號(hào)的位置傳輸給顯示器，使回波圖像顯示在顯示器的相應(yīng)方位，就可以確定目標(biāo)的實(shí)際方位。雷達(dá)的方位分辨能力取決于天線水平面內(nèi)的波束寬度，天線波束在水平面內(nèi)的寬度越窄，其方位分辨力越好，為保障良好的方位分辨力，采用平板縫隙天線陣。

3.降水探測

雖然雨、冰雹和雪都屬于導(dǎo)電的水物質(zhì)，氣象雷達(dá)可以探測雨滴或濕的冰雹，卻無法探測云、霧、干燥的冰雹、冰晶或雪。含水物質(zhì)對于雷達(dá)發(fā)射的射頻脈沖能量有一部分被吸收、損耗和散射，其余都被有效的反射，只要在雷達(dá)監(jiān)測的范圍內(nèi)，且具有一定的直徑和密度的降雨區(qū)域均能產(chǎn)生有效的回波，從而被氣象雷達(dá)檢測出來。反射回的信號(hào)強(qiáng)弱與目標(biāo)含水量有關(guān)，接收器接收到信號(hào)就可分析目標(biāo)的性質(zhì)和強(qiáng)弱，并在顯示器是用不同的顏色表示。

4.湍流檢測

湍流是指在一定的空域中急速且多變的運(yùn)動(dòng)氣流，它會(huì)使進(jìn)入其中的飛機(jī)產(chǎn)生顛簸甚至對飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成破壞。暴雨區(qū)域常伴有湍流，其危害不言而喻。對湍流的檢測是基于多普勒原理實(shí)現(xiàn)的，多普勒頻移與相對速度的偏差成正比f=2v/λ。接收機(jī)將所接收到的信號(hào)的多普勒頻譜寬度與規(guī)定的門限值作比較，如果大于規(guī)定值，就判斷目標(biāo)是湍流并給出警告信息。需要特別注意的是干燥的湍流是無法被探測和顯示的。

5.風(fēng)切變檢測

風(fēng)切變是指在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)，風(fēng)向和風(fēng)速突然發(fā)生改變。風(fēng)切變是導(dǎo)致飛行事故的重要因素，特別是低空風(fēng)切變對飛機(jī)起飛和著陸安全威脅巨大，不僅能使飛機(jī)航跡偏離，而且會(huì)破壞飛機(jī)的穩(wěn)定性。切變檢測方法和湍流基本相同，雷達(dá)根據(jù)風(fēng)切變區(qū)域產(chǎn)生的回波的多普勒頻移的頻譜特征來實(shí)現(xiàn)前視風(fēng)切變檢測的。

氣象雷達(dá)并不能保證檢測出所有的危險(xiǎn)天氣區(qū)域，所以決不能把雷達(dá)的顯示圖像作為危險(xiǎn)氣象和地形的依據(jù)，對于探測出的危險(xiǎn)應(yīng)選擇避讓而不是穿越那些區(qū)域。在選擇探測范圍時(shí)不應(yīng)過小，那會(huì)使飛機(jī)進(jìn)入盲區(qū)而無法感知危險(xiǎn)，同時(shí)距離過近也會(huì)造成沒有安全距離來避開已臨近的惡劣氣象，從而發(fā)生危險(xiǎn)。

工作方式

氣象雷達(dá)的工作方式需通過控制面板選擇，有以下幾種：

1.氣象方式（WX）：這是其基本工作方式，用于探測飛機(jī)前方的氣象信息及障礙物的平面顯示圖。用不同顏色代表降雨的密度：黑色代表強(qiáng)度最低，隨著密度的逐漸增加分別用綠色，琥珀色，紅色紫色來表示。

2.氣象+湍流方式（WX+T）：這是其典型的工作方式，可同時(shí)探測航路中的氣象信息和湍流，并在屏幕中以洋紅色顯示湍流區(qū)域。

3.湍流方式（TURB）：屏幕只顯示湍流區(qū)域。

4.地圖方式（MAP）：用于觀察飛機(jī)前下方的地表特征，可提醒機(jī)組注意地面目標(biāo)引起的危險(xiǎn)，比如小山等快速變化的地形。這是利用不同地形對電波反射回波的差異，可顯示出山峰、河流、海岸線或城市等地形輪廓。在此模式下，黑色代表水，綠色代表地面，琥珀色代表城市和山區(qū)。天線角度設(shè)置過低，會(huì)引入過多地面雜波，進(jìn)行俯仰調(diào)節(jié)，有專門的抑制雜波開關(guān)。

5.輪廓方式（CYC）：工作情況與氣象方式基本相同，屏幕上的紅色圖像將會(huì)以每秒一次的間隔閃爍，而這種方式不是所有型號(hào)的氣象雷達(dá)都配備。

6.OFF模式：此模式下，氣象雷達(dá)系統(tǒng)被關(guān)閉。

自檢功能

雷達(dá)故障自動(dòng)檢測系統(tǒng)是為了對雷達(dá)快速、準(zhǔn)確、隔離故障到可更換單元（LRU），以便快速維修，達(dá)到降低雷達(dá)修復(fù)時(shí)間的目的?，F(xiàn)代氣象雷達(dá)都具備完善的性能監(jiān)控和機(jī)內(nèi)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)對提高雷達(dá)的總體性能、可靠性、可使用性、可維修性具有極其重要作用。

只有在氣象雷達(dá)系統(tǒng)完整，連接正常的情況下才能進(jìn)行自檢測試。在通電前要保證與其相關(guān)的跳開關(guān)都處于接通狀態(tài)。雷達(dá)天線的穩(wěn)定性是以慣性基準(zhǔn)組件提供的飛機(jī)姿態(tài)為基準(zhǔn)的，而飛機(jī)上的慣性基準(zhǔn)組件在啟動(dòng)后還需經(jīng)過一段時(shí)間的校準(zhǔn)才能開始正常工作，所以要等這些系統(tǒng)準(zhǔn)備好后才能開始性能檢測。

為實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)系統(tǒng)的全面監(jiān)控，收發(fā)機(jī)內(nèi)的BITE不僅要接收收發(fā)組內(nèi)部電路的狀態(tài)信息，還要接收與雷達(dá)系統(tǒng)有交聯(lián)的系統(tǒng)的信息和指令：

1.收發(fā)組內(nèi)部相關(guān)電路的檢測信息。

2.溫度傳感信號(hào)，當(dāng)溫度超出給定的范圍時(shí)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)。

3.由ARINC429總線輸入的來自雷達(dá)控制組件的指令信號(hào)。

4.天線的掃掠和俯仰檢測信號(hào)，用于檢測掃掠位置和俯仰姿態(tài)。

5.來自中央維護(hù)計(jì)算機(jī)和慣性基準(zhǔn)組件輸入的控制指令和姿態(tài)基準(zhǔn)信息。

6.飛行管理計(jì)算機(jī)的控制信息。

7.故障存儲(chǔ)器中的故障信息。

收發(fā)組中BITE可以完成的功能如下：

1接收雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)檢測信息以及相關(guān)系統(tǒng)的狀態(tài)信息和控制指令。

2.選擇TEST方式進(jìn)行雷達(dá)自檢，在顯示器上顯示自檢圖形和狀態(tài)通告信息。

3.將系統(tǒng)的故障信息記錄到故障存儲(chǔ)器中，包括本次及以往飛行中所發(fā)生的故障信息（不超過63條）。

4.控制顯示組件發(fā)出查閱指令時(shí)，可從故障存儲(chǔ)器中讀出記錄的故障信息。

5.將目前的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過兩條數(shù)據(jù)總線輸往顯示組件，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的狀態(tài)及故障信息通告。

6.將狀態(tài)和故障信息經(jīng)ARINC429總線發(fā)送器轉(zhuǎn)換為32位數(shù)據(jù)碼，輸送至維護(hù)計(jì)算機(jī)。

若在進(jìn)行自測時(shí)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在故障或一些狀態(tài)不符合正常工作要求，則會(huì)在顯示器上顯示出FAIL以及故障件信息。

常見故障及維護(hù)

氣象雷達(dá)因利用率較高，使用頻繁，且與之交聯(lián)的系統(tǒng)也較多，發(fā)生故障在所難免，下面通過幾個(gè)簡單常見的故障實(shí)例來分析一下排故方法。

1.雷達(dá)不掃描。這種情況多為天線組故障。天線組分為掃描和俯仰兩個(gè)通道，其中掃描通道用于波束掃描，完成目標(biāo)的探測。當(dāng)掃描通道不掃描時(shí)，天線組則無法進(jìn)行正常的工作，雷達(dá)顯示器上也就沒法顯示正常的掃描信號(hào)。天線主要由電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置組成，故障多為電機(jī)損壞和卡阻。

2.雷達(dá)圖像顯示不正確。造成此現(xiàn)象可能有一下幾種原因：第一，顯示器故障。第二，收發(fā)機(jī)內(nèi)部電路工作不正常。第三，平板天線或波導(dǎo)管內(nèi)有灰塵或水氣等雜物。首先可以檢查顯示器工作是否正常。然后詳細(xì)目視檢查各插頭、插座、波導(dǎo)管連接處以及天線安裝等是否異常，有無松動(dòng)。最后視情清潔收發(fā)機(jī)、通風(fēng)管、波導(dǎo)管及平板天線等。

3.雷達(dá)不工作?？赡艿脑蛴校旱谝?，供電系統(tǒng)故障。第二，收發(fā)機(jī)內(nèi)部電路工作不正常。第三，天線底座上的馬達(dá)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作不正常。先檢查系統(tǒng)相關(guān)跳開關(guān)是否閉合。再對控制盒進(jìn)行檢查確認(rèn)，并對雷達(dá)進(jìn)行操作測試，確信天線底座上的馬達(dá)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作正常。以上步驟完成后，若故障依舊，則需更換收發(fā)機(jī)再進(jìn)行操作測試。

每年夏季及雷雨天氣是雷達(dá)系統(tǒng)故障的高發(fā)時(shí)期，我們要預(yù)防環(huán)境對雷達(dá)系統(tǒng)正常工作造成影響。雨水進(jìn)入波導(dǎo)管可能會(huì)導(dǎo)致波導(dǎo)管燒毀，溫度過高通風(fēng)不好活長時(shí)間超負(fù)荷工作時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)超溫，顯示器無法散熱，當(dāng)超過一定的溫度后就會(huì)自動(dòng)切斷氣象雷達(dá)的顯示。當(dāng)電子艙通風(fēng)的抽風(fēng)扇和鼓風(fēng)扇電門置于超控位時(shí)，會(huì)影響到CRT的散熱，導(dǎo)致顯示故障。工作中還應(yīng)注意避不要與磁性物品相接觸，防止其它元件被磁化。雷達(dá)天線發(fā)出的微波波束會(huì)傷害人體的健康，因而在地面維護(hù)測試?yán)走_(dá)時(shí)要特別注意。

結(jié)語

氣象雷達(dá)是氣象監(jiān)測的重要手段，在突發(fā)性、災(zāi)害性的監(jiān)測、預(yù)報(bào)和警報(bào)中具有極為重要的作用，要想充分利用氣象雷達(dá)，必須掌握正確的使用方法和理解顯示目標(biāo)特點(diǎn)，同時(shí)，對雷達(dá)知識(shí)的了解程度和經(jīng)驗(yàn)，會(huì)影響我們的判斷，而保障其正常工作是機(jī)務(wù)人員的基本要求。此外還需根據(jù)具體問題能進(jìn)行具體的分析，熟練地運(yùn)用手冊、工具、設(shè)備等。機(jī)務(wù)維修中的實(shí)踐使自己得到豐富的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)的積累對維修行業(yè)來說顯得特別寶貴。有了豐富的經(jīng)驗(yàn)， 便可以輕而易舉地使問題得到正確、迅速、有效的處理，以達(dá)到事半功倍的效果。

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