1456D邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)故障診斷與分析

繆明榕，鮑磊磊，劉俊，吳嘉偉，姜淑楊

(1.南通市氣象局，江蘇南通，226001；2.泰州市氣象局，江蘇泰州，225300)

1 風(fēng)廓線雷達(dá)的工作原理

風(fēng)廓線雷達(dá)工作時，首先由主控計算機(jī)控制產(chǎn)生高頻探測脈沖信號，該信號在發(fā)射前級和T/R組件中經(jīng)過移相放大后，再經(jīng)過天饋系統(tǒng)輻射出去，在空間進(jìn)行功率合成，將能量集中到天線的某一波束方向上。

風(fēng)廓線雷達(dá)波束方向共有五種，分別是：天頂、偏東15°、偏西15°、偏南15°、偏北15°五個波束方向。波束的發(fā)射順序包括數(shù)量可以由操作人員設(shè)定，但在為了能夠計算出風(fēng)矢量，通常情況下至少應(yīng)該包括一個垂直波束和兩個正交的傾斜波束。按照發(fā)射順序輪轉(zhuǎn)一遍叫做一次取樣。每一個距離門的數(shù)值都是大量取樣的平均值。

2 1456D型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)組成

1456D型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)主要由相控陣天線、饋線統(tǒng)、發(fā)射（接收）機(jī)、頻率源、信號處理器、數(shù)據(jù)處理和波控、UPS等幾部分組成[1]。其中相控陣天線、發(fā)射機(jī)柜（含波控）、T/R組件機(jī)柜放于室外。

2.1 相控陣天線

1456D型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)天線陣面由4個子陣面構(gòu)成，每個子陣面包含10×10組輻射單元，安裝時4個子陣面構(gòu)成一個大的正方形陣面，行列均為20組輻射單元。天線陣面上，各輻射單元激勵電流的相位分布起著控制波束指向和波束掃描用相對于機(jī)械掃描，因此稱為電掃描。

2.2 風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)

發(fā)射機(jī)由前級功放、T/R組件T通道功放、控保單元等組成，其作用是將頻率源送來的射頻激勵信號放大，產(chǎn)生符合雷達(dá)系統(tǒng)要求的相應(yīng)的高頻雷達(dá)探測信號，通過饋線系統(tǒng)饋送到相控陣天線并輻射出去。它采用全固態(tài)有源相控陣體制，具有高效率、低損耗、高可靠性、體積小重量輕和維護(hù)方便等優(yōu)點。接收機(jī)由低噪放、由接收通道、頻率源、信號產(chǎn)生、中頻采樣、激勵源、時鐘與控制等部分組成。將天線接收的微弱回波信號經(jīng)過放大、變頻、濾波及數(shù)字化等一系列處理，從中提取目標(biāo)物信息，1456D型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)采用分布式發(fā)射和接收。接收機(jī)的主要用途就是將微弱信號無失真地變頻和放大到信號處理機(jī)所能處理和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的程度[2]，并給系統(tǒng)提供全機(jī)時鐘，還給發(fā)射系統(tǒng)和RASS提供激勵信號。

2.3 T/R組件

T/R組件集發(fā)射、接收、波控功能為一體，主要由移相器、T/R（行列轉(zhuǎn)換）開關(guān)、隔離器、功率放大器、限幅器與LNA（低噪聲放大器）、環(huán)行器、定向耦合器和波束控制單元組成[3]。其主要功能：提供發(fā)射狀態(tài)下的功率增益和輸出功率；提供接收狀態(tài)下的低噪聲信號放大；進(jìn)行波束（行列）切換；實現(xiàn)收發(fā)狀態(tài)下的移相功能。T/R組件是1456D型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的最核心部件，共有3種不同功率規(guī)格的T/R組件，分別為8只40W，6只120W和6只160W。T/R組件為高功率輸出單元，可產(chǎn)生高溫，也是本雷達(dá)的故障高發(fā)部位。

3 1456D邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)故障處理

（1）BIT對接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、信號處理機(jī)、T/R組件狀態(tài)和發(fā)射功率等均自動進(jìn)行故障檢測，檢測信息在風(fēng)廓線雷達(dá)控制軟件終端用不同的顏色表示不同的風(fēng)廓線雷達(dá)工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)提示故障時，可通過“控制程序”界面中的BIT顏色指示來判定故障源，再進(jìn)行更換設(shè)備和維修。該系統(tǒng)可以通過直接更換模塊化的組件來排除故障，使故障的處理變得相對簡單。因此，比起常規(guī)雷達(dá)，它的故障排除快，其可用性更好。

（2）故障檢查邏輯

通過故障檢測邏輯，能很清晰的快速找到解決問題的路徑。

圖1 故障檢查邏輯圖

（3）通過目測檢查風(fēng)廓線雷達(dá)各電源模塊的工作電流值，與已記錄的風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)正常工作時各電源模塊相應(yīng)的值比較，即可判斷各相關(guān)分機(jī)的工作情況。發(fā)現(xiàn)分機(jī)電源工作電流偏小，可在系統(tǒng)關(guān)機(jī)情況下檢查分機(jī)所有電纜的連接情況。

南通1456D邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)自2010年10月份投入運行以來，發(fā)生幾次故障。

3.1 T/R組件故障

南通風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)的20只T/R組件安放在室外正面天線下方，機(jī)柜處于半封閉狀態(tài)，由4個自帶工業(yè)風(fēng)扇降溫。由于24小時不間斷運行，風(fēng)扇口容易積累灰塵。這樣散熱會有問題，容易使T/R組件發(fā)生故障。

幾次通過軟件監(jiān)測發(fā)現(xiàn)T/R組件故障，由于T/R組件是集成器件，通過更換T/R組件來排除故障[4]。一般只要故障的T/R組件不超過5個，不會影響雷達(dá)的正常運行，只是雷達(dá)波的副瓣點平升高，影響探測高度。

3.2 發(fā)射前級故障

一次，南通風(fēng)廓線雷達(dá)控制軟件監(jiān)測顯示，T/R組件全處于故障狀態(tài)，輸出功率為零，雷達(dá)無產(chǎn)品生成。檢查兩個T/R機(jī)柜，溫度正常，判斷20只T/R組件同時損壞的可能性極小，應(yīng)將故障定位在T/R組件之前的發(fā)射前級，用功率計測試前級各節(jié)點的功率，發(fā)現(xiàn)發(fā)射前級無激勵輸入，再檢查發(fā)射機(jī)，發(fā)現(xiàn)功率總輸出端線纜接頭處有燒糊，判斷為連接線過細(xì)致大功率擊穿，更換連接線后，故障排除。

另一次南通風(fēng)廓線雷達(dá)在低模式下，控制軟件監(jiān)測顯示，大部分T/R組件處于故障狀態(tài)，輸出功率為零，但移相正常。在高模式下，雷達(dá)運行正常，輸出功率正常，有產(chǎn)品輸出。判斷大部分T/R組件同時損壞的可能性極小，故將故障初步定位在T/R組件之前的發(fā)射前級與1分10功分網(wǎng)絡(luò)。逐個開始排查，前級一個輸入一個輸出，輸入是接收機(jī)給它的激勵信號，用頻譜儀測試后沒有問題。再用功率計測試輸出口，發(fā)現(xiàn)低模式時功率沒有，高模式時功率偏小。拆開前級，輸出總口是通過銅片相連，發(fā)現(xiàn)由于溫度過高，銅片過小，使總口脫焊，銅片脫落，只靠焊錫相連，低模式電流小不可以通過，所以沒有功率。高模式電流大可以通過，選一個較大的銅片，并且用焊錫加固，雷達(dá)恢復(fù)正常。

3.3 噪聲干擾

2016年經(jīng)過6-7份跟蹤觀察發(fā)現(xiàn)南通風(fēng)廓線雷達(dá)間歇性的探測高度只有1000多米，低于正常的探測高度。經(jīng)過檢測后發(fā)現(xiàn)雷達(dá)本身無故障。懷疑雷達(dá)招到到了干擾。探測高度明顯過低時，我們請了南通市無線電管委會的工作人員對我們雷達(dá)外部環(huán)境進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)外部有一個很強(qiáng)的1.09GHZ的干擾信號。雖然跟雷達(dá)1.28GHZ中心頻點有些距離，但干擾信號很強(qiáng)，影響到雷達(dá)的正常信號。后來我們聯(lián)系廠家給雷達(dá)增加了濾波器，故障解決，雷達(dá)正常運行。

3.4 其他故障

南通風(fēng)廓線雷達(dá)位于南通興東國際機(jī)場旁邊，由于我們接的旁邊興東鎮(zhèn)的農(nóng)用電，電壓時常不穩(wěn)定，特別是夏天用電負(fù)荷高時就導(dǎo)致斷電。斷電后UPS能正常給雷達(dá)供電，但是偶爾會出現(xiàn)，農(nóng)用電剛送上，雷達(dá)停機(jī)。后來分析剛送電的時候農(nóng)用電電流過大，電壓不穩(wěn)，UPS電源會停機(jī)自我保護(hù)。因為UPS是串聯(lián)在線路中，UPS停機(jī)后雷達(dá)就不能正常工作。出現(xiàn)這樣的情況，等市電穩(wěn)定后，手動對UPS開機(jī)，使雷達(dá)正常運行。

4 總結(jié)語

對于風(fēng)廓線雷達(dá)臺站的重要工作是監(jiān)控雷達(dá)的運行狀態(tài)，出現(xiàn)故障及時定位故障和排除故障。雷達(dá)的相關(guān)配套設(shè)備對雷達(dá)的穩(wěn)定運行也極其重要，必須配足并確保運行正常。

T/R組件是此雷達(dá)的故障高發(fā)點，但只要損壞少于5只T/R組件，不影響雷達(dá)的正常工作，只對探測高度等性能有所影響。

南通風(fēng)廓線雷達(dá)的T/R組件放置在室外的天線下機(jī)柜里，防腐蝕、防塵、防風(fēng)雨、降溫一直是個問題，使得一些器件快速老化，容易發(fā)生故障。計劃今年對雷達(dá)進(jìn)行改造，將T/R組件機(jī)柜等一些設(shè)備移至設(shè)備機(jī)房內(nèi)，室外就留天線，解決上述問題。