L波段雷達的工作原理及其維修維護

王新花 孫樂 谷雨

摘要：L波段雷達是我國高空氣象探測系統(tǒng)的重要組成部分。本文主要根據(jù)青海省達日縣氣象局高空氣象探測業(yè)務(wù)工作經(jīng)驗，首先介紹了L波段雷達的工作原理，接著重點論述L波段雷達的故障維修方法以及維護管理方式，以供同行參考借鑒。

關(guān)鍵詞：L波段雷達；工作原理，維修維護

引言

近年來，隨著科技的發(fā)展進步，我國氣象探測技術(shù)方面得到不斷優(yōu)化增強，高空探測站也愈來愈多，我國目前已逐漸構(gòu)建了比較全面的高空氣象觀測網(wǎng)絡(luò)。GFE（L）1型二次測風雷達（以下簡稱L波段雷達）是我國自主研發(fā)的新一代高空探測雷達，現(xiàn)已經(jīng)在全國大部分探空臺站投入應(yīng)用。L波段雷達的使用為天氣預(yù)報和氣候監(jiān)測提供自地面到30000米高度之間的不同高度層的氣壓、風速、風向、濕度、溫度等氣象數(shù)據(jù)以及相關(guān)氣象信息，不僅大幅提升了我國高空氣象要素數(shù)據(jù)的觀測密度與探測精度，而且為我國各個地區(qū)開展天氣預(yù)報、氣候變化研究以及公共氣象服務(wù)等氣象業(yè)務(wù)提供了更為有價值的指導(dǎo)依據(jù)。可以說，L波段雷達當前在我國高空氣象探測系統(tǒng)占據(jù)著越來越重要的地位。因此，為了確保L波段雷達始終可以穩(wěn)定運行，必須要掌握L波段雷達的工作原理及其維修維護方法。

1.L波段雷達的工作原理

L波段雷達在開展高空氣象探測業(yè)務(wù)中，主要配合GTS1 型數(shù)字式電子探空儀執(zhí)行空中的溫度、氣壓、濕度、風向、風速等探測任務(wù)。L波段雷達具備采集速度快、探測精度高、體積小、能耗少、重量輕以及運用方便等特征。L波段雷達的工作原理主要包括以下幾個方面。

1.1測角原理

L波段雷達天線主要由四個Ф0.8m拋物面天線、調(diào)制環(huán)以及和差環(huán)等共同構(gòu)成，其中，實現(xiàn)假單脈沖體制的關(guān)鍵為和差環(huán)。調(diào)制環(huán)主要是通過程序方波進行控制，由和差環(huán)取得上、下、左、右誤差信號調(diào)制于和信號上，該信號通過接收機放大以及解調(diào)便能夠反映目標偏離 電軸的角誤差信號（涉及到方向、大?。Ｍㄟ^垂直面上的2個天線所取得的誤差信號促進俯仰電機對仰角進行測量獲取。通過水平面上的天線取得的誤差信號促進方位角電機而測量到方位角。本文主要通過方位角的測量為例來闡述測角原理（圖1）。若天線與正東方相對，目標也處于正東方，因為射頻信號至左右天線所歷經(jīng)的路程保持一致，所以沒有相位差，即角誤差為0，在顯示器上分別顯示的2根亮線也相等。若電軸未對準目標（如電軸方向偏南或者偏北了1個角度），如此因至左右2個單元天線的射頻信號存在相位差，便形成了角誤差信號，在顯示器上2根亮線便有長短之分。L波段雷達主要通過這個原理對仰角以及方位角進行測量。在高空氣象探測過程中，只需要對天線加以轉(zhuǎn)動，使顯示器上的4條亮線保持兩兩對齊便說明雷達天線和目標對準了。

1.2測距原理

L波段雷達在運行過程中，雷達的“詢問信號”就是發(fā)射脈沖，由雷達天線進行發(fā)射，由探測的氫氣球所附帶的無線電回答器進行接收，無線電回答器便有1個應(yīng)答信號傳輸至地面，由雷達天線接收。所以只用獲取無線電波從雷達至氣球之間的往返時間，之后采取這個時間的1/2乘以無線電波的傳播速度，便可以獲取探測氫氣球和雷達間的距離。若將無線電波的傳播速度設(shè)定為C，測定時間設(shè)為Δt，那么所獲取的距離D可采用下式進行計算：

D= 1/2（C×Δt）

無線電波在空間傳播速度即為光速，C=3×105km/s，Δt一般采取微秒（μs）去計算，即 C=0.3 km/μs，所以求得D=0.15×Δt（km）。

1.3測風原理

由于凈舉力的作用，探測氫氣球一般會憑借一定的垂直速度進行上升，并且伴隨著風力進行水平運動。由于探測氫氣球質(zhì)量較小，在隨風漂移運動中所出現(xiàn)的慣性比較小。所以，可把探測氫氣球的運動當成空氣質(zhì)點的運動，探測氫氣球在水平方向上進行移動，基本上能夠代表空氣質(zhì)點的水平位移。L波段雷達連續(xù)跟蹤以及測量探測氫氣球的運動軌跡，采取數(shù)學模型通過計算獲取高空各層的風速、風向。

1.4高空其他氣象要素的測量

高空氣壓、濕度、溫度等各類氣象要素的取得主要是通過探測氫氣球所攜帶的數(shù)字探空儀所完成的。探空儀主要由氣壓、濕度、溫度傳感器和編碼電路、轉(zhuǎn)換電路以及回答器共同構(gòu)成，其感應(yīng)元件的電參量隨著大氣中氣壓、濕度、溫度的變化而發(fā)生改變，而轉(zhuǎn)換電路需要對變化的電參量開展采樣以及編碼工作，之后通過回答器傳輸至地面由雷達所接收，通過軟件解碼以及計算，便可以獲取高空層各高度的氣壓、濕度、溫度等氣象要素值。

2.L波段雷達故障分析判斷以及維修方法

2.1故障分析判斷方法

（1）動態(tài)判斷法

L波段雷達整機在進行加電的時候，將探空儀電源接通，同時要雷達天線與探空儀對準，這個時候需要在放球軟件探空信號接收區(qū)，需要有溫度、濕度、氣壓信號，出現(xiàn)于軟件的左下方、終端—雷達通訊指示欄以及探空脈沖指示欄等區(qū)域，均需要有對應(yīng)的標識處于移動狀態(tài)。通過控制盒的手動方式對雷達偏離探測儀器的角度進行調(diào)整，之后切換至自動跟蹤狀態(tài)，檢查雷達是否能夠重新與探空儀對準。通過上述檢查若無任何異常狀況，便可以判斷雷達的信號接收系統(tǒng)、計算機通訊系統(tǒng)以及自動跟蹤等均處于正常狀態(tài)，反之，則可以判斷出現(xiàn)了故障問題。

（2）靜態(tài)判斷法

L波段測風雷達在進行整機加電、但是不對探空儀信號進行輸入，通過雷達的技術(shù)參數(shù)對雷達認真檢查，查看L波段雷達的增益、高壓以及頻率等有關(guān)數(shù)值是否處于正常狀態(tài)；另外，還應(yīng)該對放球軟件進行認真檢查，查看各項操作是否可以穩(wěn)定運行。

2.2故障維修方法

（1）直覺法

直覺法主要利用耳聽、眼看、鼻聞以及手摸等直觀方法來找出故障以及對故障部位進行確定。

（2）隔離法

由于雷達電路內(nèi)各支路之間相互作用，為了可以對故障點進行確定，可以切斷其疑似故障點和周圍之間的聯(lián)系，之后再進行檢查以及分析判斷。

（3）測量法

測量法主要采取儀表測量雷達電路的電阻、電流、電壓、電流以及波形，以獲取數(shù)據(jù)，接著與廠家的技術(shù)數(shù)據(jù)加以對比，觀察有無異常狀況。測量法是對雷達進行維修的一種特別準確的方法，同時也比較常用。

（4）代替法

通過分析故障現(xiàn)象，在懷疑某一單元板或者是某元器件存在故障問題時，可以憑借備份單元板或者元器件加以替換，按照替換之后的結(jié)果展開排查。

3.L波段雷達的維護管理

3.1日常維護

（1）每日要做好儀器的清潔維護工作；（2）雨季或者是下雪天氣，應(yīng)該檢查室外裝置是否有滲水現(xiàn)象，電纜有無受潮等情況，在大風天氣條件下，應(yīng)及時防風；（3）檢查放球軟件界面上雷達各狀態(tài)以及參數(shù)顯示有無異常，注意查看室內(nèi)以及室外裝置是否存在氣味或者異常聲音等，一旦存在問題應(yīng)及時進行維修維護。

3.2季度維護

每個季度應(yīng)對L波段雷達進行一次認真的檢查維護，尤其是重要部件需要著重維護，維護內(nèi)容包括：（1）應(yīng)對天線、饋線系統(tǒng)的外表的灰塵進行清洗；（2）對電纜接頭進行認真檢查，并且將各接插元件進行檢查；（3）對天線轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的靈活性進行檢查。

3.3年度維護

年度維護需要對全機進行全方位檢查以及維護，同時對雷達全機的技術(shù)性能進行檢查，年度維護的內(nèi)容較多，需要耗費的時間稍長，最好不要在最熱或者最冷的季節(jié)開展。年度維護內(nèi)容包括：（1）清潔與維護天線單元饋線接點；（2）全部傳動齒輪以及軸承均需加油或者換油；（3）對雷達天線裝置水平、方位角零點、仰角零點、距離零點以及械軸、電軸以及光軸的一致性等展開檢查以及校準，以確保雷達探測氣象要素的精度。

參考文獻

[1]吳月友. L波段雷達工作原理及維修保養(yǎng)方法[J].氣象水文海洋儀器，2014（0）：103-106.

[2]馬玉英.關(guān)于探空L波段雷達維護維修技巧[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2013（7）.

作者簡介：王新花（1990-），女，土族，青海省民和縣人，本科學歷，助理工程師，從事氣象觀測工作。

（作者單位：1青海省達日縣氣象局；

2吉林省鎮(zhèn)賚縣氣象局；

3集安市氣象局）