機(jī)載氣象雷達(dá)的原理及常見(jiàn)故障分析

齊榮林

【摘 要】雷達(dá)的種類(lèi)繁多，用途各異。機(jī)載氣象雷達(dá)的基本功用是探測(cè)航路上的雷暴雨、冰雹、湍流、風(fēng)切變等惡劣氣象區(qū)域。機(jī)載氣象雷達(dá)（WXR）的安全性直接影響整機(jī)系統(tǒng)和飛行的安全。機(jī)載氣象雷達(dá)是機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，是民航客機(jī)上的一種重要導(dǎo)航設(shè)備。氣象雷達(dá)出現(xiàn)故障極易造成飛機(jī)滑回、返航甚至墜毀等事故，因此必須加強(qiáng)對(duì)WXR的維護(hù)。本論文通過(guò)對(duì)機(jī)載氣象雷達(dá)（WXR-700）基本工作原理的系統(tǒng)性總結(jié)，來(lái)全面地理解機(jī)載氣象雷達(dá)相關(guān)知識(shí)，并對(duì)常見(jiàn)故障進(jìn)行了總結(jié)、分析。

【關(guān)鍵詞】機(jī)載氣象雷達(dá)；WXR-700；故障分析

【Abstract】There are many kinds of Radar，their uses are not the same.The basic function of airborne weather radar is to detect the route of thunderstorms， hail， wind shear， turbulence and other bad weather area.The safety of Airborne Weather Radar （WXR） directly affects the whole aircraft system and flight safety.Airborne Weather Radar is an important part of the airborne navigation system is an important navigation equipment of civil airplane. If there is something wrong with Weather Radar，it may easily cause aircraft sliding back，return airport even crashes and other accident，so we must enhance the maintenance of WXR. This article summarizes the working principle of WXR（WXR-700） briefly to understand the related knowledge of WXR，and analysis，summarizes the common faults.

【Key words】Airborne Weather Radar； WXR-700； Fault analysis

0 機(jī)載氣象雷達(dá)概述

機(jī)載氣象雷達(dá)是人們?yōu)榉婪稓庀箫L(fēng)險(xiǎn)，保證飛行安全而應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果而研制的航空電子設(shè)備。機(jī)載氣象雷達(dá)對(duì)保障飛行安全具有十分重要的作用，人們不遺余力地對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)、更新，使氣象雷達(dá)的性能在近20年來(lái)得到了本質(zhì)的提高。

目前裝備飛機(jī)的最新氣象雷達(dá)除了能探測(cè)雷雨等氣象區(qū)域外，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)切變、湍流的有效探測(cè)，進(jìn)一步提高了在各種氣象條件下的飛行安全性。正是憑借性能優(yōu)越的機(jī)載氣象雷達(dá)等一系列先進(jìn)的航空電子設(shè)備，使飛行員能夠“眼觀千里，耳聽(tīng)八方”，駕駛飛機(jī)繞過(guò)各種危險(xiǎn)的氣象區(qū)域，安全、準(zhǔn)確、舒適地把旅客和貨物送往目的地。

不同型號(hào)的氣象雷達(dá)所包含的組件可能不同，他們?cè)诟餍惋w機(jī)上的配置也有單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)等多種形式。氣象雷達(dá)的基本組件為雷達(dá)收發(fā)機(jī)（Transceiver；縮略：XCVR），控制盒（Controller；縮略：CONT），天線(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（ANTENNA DRIVE），支架，天線(xiàn)（ANTENNA），波導(dǎo)管（WAVE GUIDE）以及顯示器（IND）等組成。

1 機(jī)載氣象雷達(dá)的基本工作原理

1.1 氣象雷達(dá)方程

上式集中地表明了氣象雷達(dá)最大作用距離與雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)特性及目標(biāo)性質(zhì)的關(guān)系，對(duì)雷達(dá)使用和維護(hù)人員均具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1.2 氣象雷達(dá)基本工作原理

機(jī)載氣象雷達(dá)主要用于探測(cè)航路上的惡劣氣象區(qū)域?？罩械睦子陞^(qū)、暴雨區(qū)、冰雹、湍流、風(fēng)切變等惡劣氣象區(qū)域，就是機(jī)載氣象雷達(dá)所要探測(cè)的目標(biāo)，圖1為氣象雷達(dá)基本工作原理示意圖。

雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定其位置，基于無(wú)線(xiàn)電波傳播所具有的以下基本規(guī)律：

（1）無(wú)線(xiàn)電波可以定向輻射和接收；

（2）無(wú)線(xiàn)電波遇到障礙物發(fā)生反射，產(chǎn)生回波；

（3）無(wú)線(xiàn)電波以光速在空間直線(xiàn)傳播（實(shí)際上，電波在真空中 的傳播速度等于光速，在空氣中的傳播速度略小于光速，但通常視為近似光速）；

（4）發(fā)射機(jī)產(chǎn)生電磁波信號(hào)（如正弦波短脈沖），由天線(xiàn)輻射到空中；

（5）發(fā)射的信號(hào)一部分被目標(biāo)攔截并向許多方向再輻射；

（6）向后輻射再回到雷達(dá)的信號(hào)被雷達(dá)天線(xiàn)采集，并送到接收機(jī)；

（7）在接收機(jī)中，該信號(hào)被處理以檢測(cè)目標(biāo)的存在并且確定其位置；

（8）通過(guò)測(cè)量雷達(dá)信號(hào)到目標(biāo)并從目標(biāo)返回雷達(dá)的時(shí)間，得到目標(biāo)的距離；

（9）目標(biāo)的角度位置可以根據(jù)收到的回波信號(hào)幅度為最大時(shí)，窄波束雷達(dá)天線(xiàn)所指的方向而獲得；

（10）如果目標(biāo)是運(yùn)動(dòng)的，由于多普勒效應(yīng)回波信號(hào)的頻率會(huì)發(fā)生偏移。該頻率偏移與目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的速度（徑向速度）成正比。

1.3 WXR-700型機(jī)載氣象雷達(dá)原理

機(jī)載氣象雷達(dá)主要用于探測(cè)航路上的惡劣氣象區(qū)域。空中的雷雨區(qū)、暴雨區(qū)、冰雹、湍流、風(fēng)切變等惡劣氣象區(qū)域，就是機(jī)載氣象雷達(dá)所要探測(cè)的目標(biāo)。

WXR-700型機(jī)載氣象雷達(dá)是美國(guó)羅克韋爾國(guó)際公司和柯林斯運(yùn)輸航空電子部（Rockwell International，Collins Transportation Avionics）研制的典型的現(xiàn)代機(jī)載彩色氣象雷達(dá)。

三組件的WXR-700X單系統(tǒng)的基本組件為：WRT-701X收發(fā)組、WXI-711顯示器和天線(xiàn)組（包括WFA-701X平板天線(xiàn)和用于驅(qū)動(dòng)、安裝平板天線(xiàn)的天線(xiàn)基座WMA-701X）。

機(jī)載氣象雷達(dá)通過(guò)收發(fā)組（R/T）產(chǎn)生9.33GHz的射頻脈沖（RF），經(jīng)天線(xiàn)發(fā)射出去，發(fā)射的脈沖遇到帶有水分的云或者地面目標(biāo)時(shí)，一部分能量信號(hào)被反射回來(lái)，形成回波信號(hào)，回波信號(hào)經(jīng)天線(xiàn)接收并傳送到R/T，R/T將信號(hào)放大處理后形成氣象和地形視頻輸出送到符號(hào)發(fā)生器處理，在EHSI（波音飛機(jī)的水平狀態(tài)指示器）或者ND（空客飛機(jī)的導(dǎo)航顯示器）上顯示。當(dāng)氣象雷達(dá)探測(cè)到風(fēng)切變時(shí)向機(jī)組發(fā)送警告信息。

2 機(jī)載氣象雷達(dá)故障統(tǒng)計(jì)分析

雷達(dá)維護(hù)過(guò)程中主要有以下注意事項(xiàng)：第一，散熱問(wèn)題，組件局部溫度的增高會(huì)引起元件性能的變化，導(dǎo)致發(fā)射頻率漂移、電路工作不穩(wěn)定或其它性能的下降。第二，防磁，工作中應(yīng)注意避免影響雷達(dá)收發(fā)組的磁性，防止其它元件被磁化。第三，電磁輻射及其它維護(hù)、使用雷達(dá)時(shí)要特別注意天線(xiàn)及發(fā)射機(jī)的電磁輻射，微波波束會(huì)傷害人體的健康，還容易引起易燃蒸氣的燃燒。

2.1 機(jī)載氣象雷達(dá)故障統(tǒng)計(jì)

對(duì)氣象雷達(dá)系統(tǒng)各部件故障的統(tǒng)計(jì)。部件包括天線(xiàn)平板/驅(qū)動(dòng)器、收發(fā)機(jī)、波導(dǎo)、控制板和顯示器。

說(shuō)明：

由于機(jī)型對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)各部件的工作效能沒(méi)有影響，本統(tǒng)計(jì)中各個(gè)部件的故障數(shù)目是3種機(jī)型飛機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)各個(gè)部件的故障總和。

由圖2可以分析出：

收發(fā)機(jī)的故障最多，達(dá)到77次，占故障總數(shù)的42%。這是由于收發(fā)機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)處理并控制雷達(dá)系統(tǒng)的所有功能，因此它發(fā)生故障的概率最大。

不確定故障達(dá)到62次，占故障總數(shù)的35%，其原因主要是航線(xiàn)維護(hù)時(shí)間短，維護(hù)人員沒(méi)有充足時(shí)間對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行測(cè)試以判定故障原因，或者由于飛行員操作不當(dāng)，誤報(bào)為故障，維修測(cè)試后雷達(dá)工作實(shí)際是正常的。另外氣象雷達(dá)系統(tǒng)還與大氣數(shù)據(jù)慣性基準(zhǔn)組件、無(wú)線(xiàn)電高度表等系統(tǒng)交聯(lián)，其他系統(tǒng)也極易引起氣象雷達(dá)系統(tǒng)故障，這些均造成雷達(dá)系統(tǒng)故障的原因不明。

天線(xiàn)故障達(dá)到19次，占故障總數(shù)的10%，維修中發(fā)現(xiàn)這些故障全部發(fā)生在驅(qū)動(dòng)組件上，未發(fā)生1起天線(xiàn)平板故障。

其他部件如控制板和顯示器所發(fā)故障并不多，而波導(dǎo)的故障最少，15個(gè)月僅發(fā)生了2起，顯然它們不是造成雷達(dá)系統(tǒng)故障的主要因素。

機(jī)載氣象雷達(dá)的維護(hù)非常重要，對(duì)防止重大故障的發(fā)生可起到未雨綢繆的作用。對(duì)于氣象雷達(dá)各部件的備件應(yīng)準(zhǔn)備充足，防止因缺少備件而影響及時(shí)維修，從而導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)不斷出現(xiàn)故障而延誤航班。

2.2 機(jī)載氣象雷達(dá)故障分析

（1）顯示信息“WXR FAIL”的故障

首先在氣象雷達(dá)控制面板上做自檢，如果出現(xiàn)故障代碼，則依據(jù)故障代碼進(jìn)一步排故；如果沒(méi)有故障代碼，則視為瞬時(shí)故障，此時(shí)為了判斷故障類(lèi)型需對(duì)串或更換雷達(dá)收發(fā)機(jī)。

（2）氣象雷達(dá)的瞬時(shí)故障

在檢查收發(fā)機(jī)的同時(shí)須仔細(xì)檢查雷達(dá)收發(fā)機(jī)支架上的冷卻風(fēng)扇，工作中經(jīng)常出現(xiàn)由于冷卻風(fēng)扇出風(fēng)小引起收發(fā)機(jī)過(guò)熱，此時(shí)需更換支架。另外，氣象雷達(dá)頁(yè)面上經(jīng)常出現(xiàn)“WXR DSPY”信息一般并非由收發(fā)機(jī)過(guò)熱引起，而是由于顯示組件過(guò)熱。

（3）顯示信息“PWS FAIL”的故障

存在故障可能的組件有：天線(xiàn)驅(qū)動(dòng)組件、氣象雷達(dá)收發(fā)機(jī)左右ADIRU、左右RA、自動(dòng)油門(mén)微動(dòng)電門(mén)組件包。工作中應(yīng)首先檢查收發(fā)機(jī)冷卻風(fēng)扇，若冷卻風(fēng)扇完好，再按照故障隔離的步驟，依次檢查以上所列部件，直至故障排除。

（4）氣象雷達(dá)回波弱的故障

存在原因有以下三種：收發(fā)機(jī)故障，即射頻脈沖的發(fā)射源出現(xiàn)問(wèn)題，收發(fā)機(jī)性能衰減，導(dǎo)致發(fā)射的射頻信號(hào)不夠強(qiáng)，自然在遇到障礙物時(shí)所產(chǎn)生的回波也十分微弱；雷達(dá)罩性能衰減，通透率下降，造成射頻波在經(jīng)過(guò)雷達(dá)罩后強(qiáng)度大打折扣；波導(dǎo)管故障，即收發(fā)機(jī)到天線(xiàn)之間傳輸脈沖的線(xiàn)路故障，收發(fā)機(jī)產(chǎn)生的射頻脈沖有相當(dāng)一部分在傳輸線(xiàn)路上損耗了。

（5）氣象雷達(dá)圖像顯示不正確

可能的原因有：收發(fā)機(jī)內(nèi)部電路工作不正常；顯示器工作不正常；平板天線(xiàn)或波導(dǎo)管內(nèi)有灰塵或水氣等雜物。排故方法是：確信顯示器工作正常；詳細(xì)目視檢查各插頭、插座，波導(dǎo)管連接處以及天線(xiàn)安裝等是否異常；視情清潔收發(fā)機(jī)，通風(fēng)管、波導(dǎo)管及平板天線(xiàn)等。

2.3 機(jī)載氣象雷達(dá)的微波輻射和應(yīng)注意的防護(hù)事項(xiàng)

氣象雷達(dá)工作時(shí)，對(duì)處于雷達(dá)天線(xiàn)后部飛機(jī)設(shè)備的人員沒(méi)有危險(xiǎn)，但對(duì)于暴露在雷達(dá)波束中的人員如受到過(guò)量的輻射，特別是高強(qiáng)度的微波輻射，對(duì)健康有損害，在某些條件下，雷達(dá)波束能引起電火花。破碎的雷達(dá)收發(fā)轉(zhuǎn)換器、收發(fā)兩用機(jī)和顯示器的管子會(huì)放出少量的放射物質(zhì)，雷達(dá)使用高電壓，也是一個(gè)潛在的威脅。機(jī)務(wù)人員要特別重視對(duì)有害電波的防護(hù)。

各型飛機(jī)氣象雷達(dá)的使用注意事項(xiàng)，在有關(guān)維護(hù)手冊(cè)、使用手冊(cè)中均有明確規(guī)定。使用人員、維護(hù)人員應(yīng)當(dāng)仔細(xì)閱讀有關(guān)內(nèi)容，嚴(yán)格按規(guī)定執(zhí)行。某型號(hào)機(jī)載氣象雷達(dá)注意事項(xiàng)示意圖如圖3所示。

操作某型號(hào)機(jī)載氣象雷達(dá)注意事項(xiàng)：

（1）飛機(jī)前方左右兩側(cè)5米±90°弧形危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)，不能有金屬障礙物，例如機(jī)庫(kù)或飛機(jī)。

（2）確保距離天線(xiàn)1.5米，飛機(jī)兩側(cè)±135°弧形范圍內(nèi)沒(méi)有任何人。

（3）周?chē)?00米范圍內(nèi)，當(dāng)有飛機(jī)加油或者進(jìn)行加油操作時(shí)，不能打開(kāi)雷達(dá)系統(tǒng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李柏，鄭國(guó)光.氣象雷達(dá)原理[M].氣象出版社，2011.

[2]Mark E.Weber.Advances in Operational Weather Radar Technology.LINCOLN LABORATORY JOURNAL， 2006[Z].

[3]陳伯孝，等.現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[4]何曉薇.航空電子設(shè)備[M].西南交通大學(xué)出版社，2002.

[5]嚴(yán)利華，姬憲法，梅金國(guó).機(jī)載雷達(dá)原理與系統(tǒng)[M].航空工業(yè)出版社，2005.

[6]胡焱，徐亞軍，沈家慶.ALNEAS機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備與系統(tǒng)[M].中國(guó)民航飛行學(xué)院.

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

[8]蔡秀梅.氣象雷達(dá)技術(shù)論文集[M].氣象出版社，2011.

[9]雷達(dá)原理與氣象雷達(dá)系統(tǒng)講義[Z].中國(guó)民航飛行學(xué)院.

[10]A319/A320/A321 TECHNICAL TRAINING MANUAL.The Airbus Company[Z].

[11]北京飛機(jī)維修有限公司[Z].Fault Analysis and Maintenance on Civil Airborne Weather Radar， 2009.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]