民航氣象多普勒天氣雷達(dá)雙機(jī)熱備設(shè)計淺析

王國強(qiáng)（民航山東空管分局氣象臺,濟(jì)南 250107）

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民航氣象多普勒天氣雷達(dá)雙機(jī)熱備設(shè)計淺析

王國強(qiáng)
（民航山東空管分局氣象臺,濟(jì)南 250107）

摘 要：本文通過借鑒航管二次雷達(dá)硬件設(shè)計上的方案，對傳統(tǒng)意義上的氣象雷達(dá)進(jìn)行雙機(jī)熱備設(shè)計的探討，通過對發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)以及電源分系統(tǒng)的分析、設(shè)計，實現(xiàn)氣象雷達(dá)雙機(jī)熱備配置，從而大大提高氣象雷達(dá)的運(yùn)行冗余程度，提高雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：民航氣象；多普勒天氣雷達(dá)；雙機(jī)熱備設(shè)計

1 引言

傳統(tǒng)意義上，民航氣象雷達(dá)多為單通道設(shè)計，即天饋分系統(tǒng)（含天線罩、天線轉(zhuǎn)臺和饋線）、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與顯示分系統(tǒng)（也稱終端分系統(tǒng)）以及電源分系統(tǒng)均為單套系統(tǒng)，一旦某個分系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會造成整機(jī)故障停機(jī)，造成氣象業(yè)務(wù)的中斷。

隨著天氣因素對航空安全運(yùn)行的影響越來越大，作為監(jiān)視危險天氣重要手段的天氣雷達(dá)，其不間斷運(yùn)行的要求也越來越高。目前，民航系統(tǒng)內(nèi)多套氣象多普勒天氣雷達(dá)正在建設(shè)過程中。借鑒航管二次雷達(dá)硬件設(shè)計上的方案，實現(xiàn)氣象雷達(dá)雙機(jī)熱備配置，可以大大提高氣象雷達(dá)的運(yùn)行冗余程度，提高雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性。

2 多普勒天氣雷達(dá)基本工作原理

多普勒天氣雷達(dá)通過發(fā)射高功率的高頻脈沖信號，借助于云、雨等氣象目標(biāo)的后向散射來檢測、分析和確定降水目標(biāo)。根據(jù)回波信息，測量其強(qiáng)度以及運(yùn)動的徑向速度和速度譜寬。

多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)一般由天饋分系統(tǒng)（含天線罩、天線轉(zhuǎn)臺和饋線）、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與顯示分系統(tǒng)（也稱終端分系統(tǒng)）以及電源分系統(tǒng)8個部分組成。

激勵源輸出的高頻激勵信號，送入發(fā)射機(jī)，經(jīng)固態(tài)功率放大器后，進(jìn)入速調(diào)管放大，輸出高頻脈沖信號，經(jīng)過饋線送至天線向空間定向輻射。定向輻射的電磁波遇到氣象目標(biāo)時，便會發(fā)生后向散射，形成氣象目標(biāo)的高頻回波信號被天線接收。

接收到的微弱高頻回波信號，經(jīng)過饋線送往接收分系統(tǒng)，經(jīng)過兩路高頻放大和變頻（高靈敏度通道和低靈敏度通道），成為60MHz的中頻回波信號，直接進(jìn)行中頻采樣。經(jīng)中頻接收機(jī)處理后送往信號處理分系統(tǒng)。

信號處理分系統(tǒng)將兩路I、Q正交信號，作平方律平均處理、地物雜波對消處理，和拼接處理后，得到反射率的估測值；并通過脈沖對處理（PPP）或快速傅里葉變換（FFT）處理，從而得到散射粒子群的平均徑向速度V和速度的平均起伏即速度譜寬W。并將處理后的回波數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至終端系統(tǒng)。

伺服分系統(tǒng)接收到控制指令，完成天線的方位和俯仰掃描控制；同時它將天線的實時方位角、仰角數(shù)據(jù)送往信號處理分系統(tǒng)。

終端分系統(tǒng)對于信號處理分系統(tǒng)送來的雷達(dá)探測的氣象目標(biāo)回波的原始數(shù)據(jù)、天線角度信號，以及GPS時鐘進(jìn)行采集、處理，以PPI、RHI、體掃等工作方式，實時顯示回波圖像，并可將數(shù)據(jù)存儲下來，自動生成航空氣象保障所需的各種天氣預(yù)報和天氣監(jiān)測用的圖像、圖形、曲線等豐富的氣象產(chǎn)品。

3 氣象雷達(dá)雙機(jī)熱備設(shè)計

（1）概述。雙機(jī)熱備設(shè)計即是采用雙通道體系硬件結(jié)構(gòu)，即除了天線罩、天線、轉(zhuǎn)臺的系統(tǒng)硬件外，發(fā)射、接收、信號處理和監(jiān)控均進(jìn)行雙套系統(tǒng)冗余設(shè)計，各分系統(tǒng)包括兩套獨(dú)立的設(shè)備，互為冗余備份，可通過冗余控制電路進(jìn)行自動重組、無縫切換，并可在線維修，減少故障時間，提高雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性。

（2）系統(tǒng)設(shè)計。多普勒氣象雷達(dá)系統(tǒng)雙機(jī)熱備功能主要通過波導(dǎo)開關(guān)和二選一切換開關(guān)實現(xiàn)。雙機(jī)熱備包括數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的切換和雷達(dá)硬件的切換。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器具備自動/人工切換功能，可以人工切換服務(wù)器主備用狀態(tài)；波導(dǎo)切換開關(guān)具有手動切換手柄。

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器雙機(jī)熱備份：服務(wù)器的熱備份是通過服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通信來實現(xiàn)的。主備機(jī)通過周期性的發(fā)出相互檢測的網(wǎng)絡(luò)測試包，來互相確認(rèn)對方的運(yùn)行狀態(tài)。如果主機(jī)出現(xiàn)故障，備機(jī)在連續(xù)丟失設(shè)定數(shù)目的測試包后，會認(rèn)為主機(jī)出現(xiàn)故障，備機(jī)則根據(jù)已設(shè)定的規(guī)則，啟動備機(jī)的相關(guān)服務(wù)，完成雙機(jī)熱備的切換。同時會將此信息通過網(wǎng)絡(luò)通知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上計算機(jī)。當(dāng)主用服務(wù)器修復(fù)后，作為備用服務(wù)器使用。切換服務(wù)器工作狀態(tài)不影響整個雷達(dá)系統(tǒng)正常工作。

雷達(dá)硬件切換：當(dāng)監(jiān)控單元檢測到雷達(dá)的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號處理器出現(xiàn)故障時，監(jiān)控單元發(fā)送關(guān)高壓、并通過交換機(jī)、串口服務(wù)器控制切換波導(dǎo)開關(guān)和控制信號選擇組件，將硬件系統(tǒng)切換到備份系統(tǒng)，切換到位后發(fā)送反饋指令到監(jiān)控單元，監(jiān)控單元開高壓，雷達(dá)正常工作。

雷達(dá)工作周期內(nèi)，兩套雷達(dá)的監(jiān)控單元之間通過交換機(jī)周期性的發(fā)送握手信號，互相監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)，其目的是為了監(jiān)測備用的雷達(dá)系統(tǒng)在不工作情況下的運(yùn)行情況，并在終端軟件中顯示備用系統(tǒng)狀態(tài)。

整個切換過程包括雷達(dá)報警、關(guān)閉高壓發(fā)射、波導(dǎo)開關(guān)切換、主備服務(wù)器切換、開啟雷達(dá)高壓和狀態(tài)標(biāo)校，整個過程除了波導(dǎo)切換開關(guān)是機(jī)械動作，其他都是電訊號動作，所需時間控制在30s以內(nèi)。

具體各分系統(tǒng)設(shè)計如下：

發(fā)射分系統(tǒng)：兩套互為冗余的發(fā)射系統(tǒng)，通過大功率波導(dǎo)轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇其中一套發(fā)射機(jī)高壓工作，另一套處于開機(jī)預(yù)熱狀態(tài)。每套發(fā)射機(jī)包含發(fā)射配電單元、監(jiān)控單元、高壓電源單元、固態(tài)調(diào)制器單元、脈沖變壓器、速調(diào)管、鈦泵電源、脈沖旁路器、固態(tài)放大器組合、發(fā)射組合電源單元和散熱風(fēng)機(jī)；

接收分系統(tǒng)：兩套獨(dú)立接收系統(tǒng)（接收通道單元、頻率源單元、激勵源單元），對原有BIT單元、標(biāo)定單元進(jìn)行改進(jìn)，滿足為兩套接收機(jī)提供高品質(zhì)標(biāo)定信號及監(jiān)測兩套接收機(jī)的工作狀態(tài)；兩套互為備份的接收機(jī)始終通電工作，回波信號經(jīng)冗余開關(guān)控制進(jìn)入其中一套接收機(jī)，經(jīng)處理得到中頻信號后送往數(shù)字處理系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。

信號處理、監(jiān)控分系統(tǒng)：采用模塊化設(shè)計，將信號處理板、監(jiān)控板、數(shù)字接收機(jī)配置在一個單元內(nèi)，組成信號處理單元，同時增加冗余控制插件，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)冗余功能控制，實現(xiàn)系統(tǒng)故障時自動切換備份通道功能。

數(shù)據(jù)處理終端：包括數(shù)據(jù)處理服務(wù)器軟件、控制和維護(hù)軟件、顯示終端軟件；軟件設(shè)計應(yīng)包含多終端熱備份工作功能，主終端故障時，可自動切換到備份終端，不影響數(shù)據(jù)處理，并可對故障終端進(jìn)行維修。

電源分系統(tǒng)：包括不間斷電源、遙控配電箱、電網(wǎng)濾波分機(jī)和分布于各分系統(tǒng)的線性電源和開關(guān)電源等；雙備份系統(tǒng)中各獨(dú)立分系統(tǒng)均單獨(dú)供電，達(dá)到故障系統(tǒng)可在線維修，不影響系統(tǒng)正常工作。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.222