WRK200型天氣雷達(dá)的常見故障分析與總結(jié)

摘 要：天氣雷達(dá)在航空氣象領(lǐng)域一直發(fā)揮著重要作用。民航華東空管局引進(jìn)的WRK200型C波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)為上海虹橋、浦東兩場的航空氣象短臨預(yù)報以及監(jiān)測預(yù)警提供了重要參考。自2014年建成投入使用以來，該雷達(dá)出現(xiàn)過發(fā)射放大單元故障、燈絲電源故障、固態(tài)調(diào)制器故障以及伺服系統(tǒng)故障等幾次典型故障案例，本文通過總結(jié)分析現(xiàn)有故障案例，為天氣雷達(dá)維護(hù)維修機(jī)務(wù)工作提供技術(shù)經(jīng)驗和參考。

關(guān)鍵詞：航空氣象；天氣雷達(dá)；典型故障；維護(hù)維修

中圖分類號：P412.25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）08-0063-03

Abstract：Weather radar has been playing an important role in aviation meteorology. The WRK200 C band dual polarization Doppler weather radar introduced by the East China Civil Aviation Administration of Civil Aviation has provided an important reference for the short term forecast of aeronautical meteorology and monitoring and warning in Hongqiao and Pudong，Shanghai. Since it was put into use in 2014，the radar has appeared several typical failure cases such as the fault of transmitting and amplifying unit，the fault of the filament power supply，the fault of the solid-state modulator and the fault of the servo system. By summarizing and analyzing the existing fault cases，this paper provides the technical experience and reference for the maintenance and maintenance work of the weather radar.

Keywords：aviation meteorology；weather radar；typical faults；maintenance and repair

0 引 言

在航空領(lǐng)域，氣象因素對飛行安全一直是重要的影響因子。同時，伴隨著中國民航事業(yè)的快速發(fā)展，華東地區(qū)尤其是上海虹橋、浦東兩場航班量快速增長，天氣原因?qū)е碌暮桨嗖徽c率也逐年攀升。在這種情況下，航空氣象預(yù)報的高準(zhǔn)確率、氣象探測要素的高精確率以及氣象產(chǎn)品多樣化的高需求問題日益顯現(xiàn)。多普勒天氣雷達(dá)尤其是雙極化雷達(dá)能為有效監(jiān)測和預(yù)警暴雨、雹云、龍卷風(fēng)和臺風(fēng)等災(zāi)害性天氣提供重要幫助。

為此，上海虹橋機(jī)場于2014年引進(jìn)芬蘭Vaisala生產(chǎn)的WRK200型C波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)，該雷達(dá)除提供常規(guī)多普勒天氣雷達(dá)提供的強(qiáng)度、速度、譜寬這些探測要素外，還可提供差分反射率、相關(guān)系數(shù)、差分相位、差分相位系數(shù)、線性退極化比等雙偏振參數(shù)，從而得到更多、更準(zhǔn)確的氣象雷達(dá)產(chǎn)品。這為提高上海地區(qū)的航空氣象臨近短時預(yù)報準(zhǔn)確率、有效實時監(jiān)測預(yù)警服務(wù)提供了更加有力的探測技術(shù)支持。本文針對該型天氣雷達(dá)出現(xiàn)過的常見故障以及日常維護(hù)操作進(jìn)行總結(jié)分析，為機(jī)務(wù)工作者對雷達(dá)故障排除以及維護(hù)事項提供了一些技術(shù)參考，旨在提高天氣雷達(dá)的正常運行率。

1 雷達(dá)結(jié)構(gòu)概述

WRK200型雙偏振多普勒天氣雷達(dá)主要由天線和伺服系統(tǒng)、波導(dǎo)系統(tǒng)、雷達(dá)機(jī)柜、主供電單元和不間斷電源（UPS）等部分組成，其中雷達(dá)機(jī)柜內(nèi)又包含了發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、波導(dǎo)充氣單元、控制工作站、功率分配單元等分系統(tǒng)。該雷達(dá)主要結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 天線和伺服系統(tǒng)

WRK200型天氣雷達(dá)的天線和伺服系統(tǒng)安裝于雷達(dá)塔頂，并且始終被天線罩所覆蓋。雷達(dá)天線主要由反射面、饋源、饋源支架和波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)組成。該雷達(dá)天線反射面直徑為4.5米，其中間的正交饋源連接著水平和垂直極化波導(dǎo)，能同時發(fā)射和接收H（水平）和V（垂直）極化波。在天線基座里，安裝有水平和俯仰電機(jī)、驅(qū)動器、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、滑動連接環(huán)和控制模塊等器件。伺服系統(tǒng)作為一個機(jī)械部件，隨使用時間的增長，其部件老化的現(xiàn)象不可避免，通常是一個常見故障點。

1.2 波導(dǎo)系統(tǒng)

波導(dǎo)為矩形的金屬管件，從雷達(dá)機(jī)柜連接到天線。WRK200型雙極化雷達(dá)擁有兩段獨立的波導(dǎo)。在天線端，這兩段波導(dǎo)從饋源支架的頂端與饋源連接，并通往天線反射面背部，在天線基座下能以任何方向通往雷達(dá)機(jī)柜。兩段波導(dǎo)都配備帶通和諧波濾波器來濾除干擾信號。為使衰減盡可能的小，波導(dǎo)部件需通過波導(dǎo)法蘭和波導(dǎo)扼流槽連接，并盡量縮短傳輸距離。

1.3 雷達(dá)機(jī)柜

該雷達(dá)機(jī)柜是一個專用于電子設(shè)備的雙通道機(jī)柜，機(jī)柜內(nèi)安裝真空速調(diào)管發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、電源分配單元、波導(dǎo)充氣機(jī)、主供電單元以及雷達(dá)控制工作站。其中雷達(dá)發(fā)射機(jī)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且長時間工作在高壓強(qiáng)電狀態(tài)，其故障率相比其他分系統(tǒng)也相對較高。

1.4 不間斷電源（UPS）

不間斷電源（UPS）是天氣雷達(dá)的重要組成部分。當(dāng)市電正常供電時，UPS將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給雷達(dá)使用，同時向電池充電；當(dāng)雷達(dá)站點供電中斷時，UPS立即將電池直流電能通過逆變器切換轉(zhuǎn)成交流電，使雷達(dá)正常工作，并且起到保護(hù)雷達(dá)軟、硬件的功能。

2 常見故障分析

2.1 發(fā)射放大單元故障

此次發(fā)射放大單元出現(xiàn)故障，導(dǎo)致天氣雷達(dá)無法加高壓，發(fā)射機(jī)無法正常工作輸出功率。該單元將雷達(dá)接收機(jī)傳輸?shù)母哳l信號經(jīng)高頻激勵器、脈沖形成器、可變衰減器等部件后形成一個功率和波形最佳的可輸入速調(diào)管的高頻脈沖信號。根據(jù)WRK200型天氣雷達(dá)速調(diào)管性能參數(shù)表，該雷達(dá)輸入速調(diào)管的高頻脈沖信號最佳功率為1.32W，換算為31.2dBm。

該單元出現(xiàn)故障時，使用示波器測量接入該單元輸入端的高頻信號，得到0.5μs、1μs、2μs、5μs四種脈寬的正常激勵信號，但輸出端并不能測得任何信號。進(jìn)一步檢查前發(fā)現(xiàn)發(fā)射放大單元內(nèi)部接線點存在燒毀痕跡，更換該模塊并調(diào)試后，雷達(dá)正常開啟高壓，恢復(fù)工作。

2.2 燈絲電源故障

燈絲電源分機(jī)位于WRK200型天氣雷達(dá)的高壓供電（HVPS）模塊中。燈絲電源通過燈絲中間變壓器和位于油箱中的脈沖變壓器及燈絲變壓器為雷達(dá)速調(diào)管提供燈絲電流，其核心是斬波器和振蕩器，斬波器實現(xiàn)穩(wěn)流功能，振蕩器使輸出電壓/電流方波與發(fā)射機(jī)同步。該部件出現(xiàn)故障時，雷達(dá)發(fā)射機(jī)預(yù)熱后開高壓失敗，并在控制工作終端顯示燈絲電源告警。

該型雷達(dá)燈絲電源正常輸出值為5.84V/5.96A，本次故障時輸出為0。檢測燈絲電源分機(jī)中斬波器整流橋的4個MOS管中的其中一個擊穿。此外，本次出現(xiàn)故障時位于速調(diào)管油箱中的變壓器外圍的6個電容中的其中一個存在擊穿故障。更換擊穿燒毀的MOS管，并將油箱中故障電容斷連取出后（剩余其他電容仍能維持正常工作），雷達(dá)能正常開啟高壓。

2.3 固態(tài)調(diào)制器故障

固態(tài)調(diào)制器是發(fā)射機(jī)的重要組成部分。其將交流電能轉(zhuǎn)化能直流電能，并形成峰值功率固定的脈沖能量。調(diào)制器輸出的調(diào)制脈沖饋至高壓脈沖變壓器初級，經(jīng)脈沖變壓器升壓，在次級產(chǎn)生50kV負(fù)高壓脈沖，加在速調(diào)管陰極，提供速調(diào)管工作所需的電壓和能量。由于長期工作在高壓狀態(tài)，固態(tài)調(diào)制器中的大功率IGBT模塊極其容易老化擊穿。在本場雷達(dá)的例行維護(hù)中，曾發(fā)現(xiàn)3對并聯(lián)IGBT模塊中的其中一對擊穿無法工作，雷達(dá)仍能正常工作，但需及時維修更換，以免造成雷達(dá)宕機(jī)。由于固態(tài)調(diào)制器中電路板件電壓高，往往容易受到灰塵靜電等影響，故維護(hù)過程中需格外注意防護(hù)，以免造成電路器件擊穿以及人員傷害。

2.4 伺服系統(tǒng)故障

天氣雷達(dá)伺服系統(tǒng)使雷達(dá)天線在方位、仰角上以及轉(zhuǎn)速根據(jù)控制終端發(fā)送的指令轉(zhuǎn)動，其由方位伺服系統(tǒng)和俯仰伺服系統(tǒng)兩大部分組成。本場雷達(dá)實際應(yīng)用中，曾出現(xiàn)雷達(dá)產(chǎn)品顯示終端中基本反射率產(chǎn)品圖長時間存在異常環(huán)狀回波，如圖2所示?，F(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)俯仰伺服電機(jī)與俯仰軸承間皮帶斷裂，導(dǎo)致天線始終維持在高仰角狀態(tài)，并不受指令控制，從而出現(xiàn)雷達(dá)只能探測到站點周邊上空氣象目標(biāo)風(fēng)的情況。更換安裝俯仰電機(jī)皮帶后天線俯仰驅(qū)動恢復(fù)正常。值得注意的是，該電機(jī)皮帶安裝過緊或者過松都容易導(dǎo)致皮帶斷裂，需把握好正確尺度，日常維護(hù)中也需經(jīng)常關(guān)注皮帶松緊度。

3 結(jié) 論

芬蘭Vaisala公司W(wǎng)RK200型天氣雷達(dá)是國內(nèi)少有的天氣雷達(dá)型號，故其技術(shù)資料儲配缺乏，雷達(dá)維護(hù)維修工作也對天氣雷達(dá)機(jī)務(wù)員業(yè)務(wù)水平提出了更高的要求。本文針對該雷達(dá)曾出現(xiàn)的發(fā)射放大單元故障、燈絲電源故障、固態(tài)調(diào)制器故障以及伺服系統(tǒng)故障描述分析故障排除過程，為天氣雷達(dá)機(jī)務(wù)員提供參考。通過日常例行維護(hù)以及維修案例，機(jī)務(wù)員可在工作當(dāng)中更深刻地理解該天氣雷達(dá)的結(jié)構(gòu)及工作原理，并在維修排故實例中掌握測試儀器以及測試方法，為將來的維護(hù)維修工作提供更多的技術(shù)經(jīng)驗。

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作者簡介：范凱波（1989-），男，浙江舟山人，助理工程師，碩士研究生。研究方向：氣象雷達(dá)及大氣遙感設(shè)備維護(hù)維修及數(shù)據(jù)處理。