CLC-11-A型固定式邊界層風廓線雷達及常見故障分析

摘? 要：固定式邊界層風廓線雷達是一部脈沖多普勒雷達，能夠探測晴空大氣湍流，能夠?qū)崟r探測大氣的三維風場且能實時地提供所探測高度的水平風場、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、垂直氣流等隨高度的分布。該文簡要介紹了CLC-11-A型固定式邊界層風廓線雷達的工作原理及其常見故障，通過對日常工作中的一些常見故障舉例分析并總結(jié)維護維修經(jīng)驗，為雷達業(yè)務(wù)保障工作提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：風廓線雷達? T/R組件? 虛溫

中圖分類號：TN959.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）04（b）-0055-03

Abstract： A fixed boundary layer wind profiler is a type of Pulse doppler radar that can detect clear air turbulence and atmospheric there-dimensional wind field in a real time.The wind profiler can continuously measure and provide the distribution of atmospheric horizontal wind field，vertical airstream，atmospheric structure constant of refractive index and other meteorological elements at measured heights above the ground.This paper briefly introduces the working principle and common faults of CLC-11-A fixed boundary wind profile radar，by analyzing some common faults in daily work and summarizing maintenance experience， this paper provides some reference for radar business support work.

Key Words： Wind profiler; TR assembly; Virtual temperature

固定式邊界層風廓線雷達是一種廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報、空中管制、大氣污染預(yù)測等方面的地基遙感設(shè)備。配備聲探測功能的風廓線雷達還可以通過電波和聲波的相互作用遙感大氣溫度廓線。寧夏銀川河?xùn)|機場目前布設(shè)了一部CLC-11-A型固定式邊界層風廓線雷達，且于2018年1月31日已投入運行。風廓線雷達的使用為天氣預(yù)報用戶提供了高分辨率數(shù)據(jù)，一定程度上填補了系統(tǒng)留下的觀測區(qū)域空白，保障其正常運轉(zhuǎn)，確保獲取資料可靠，隨之成為業(yè)務(wù)人員的基本工作。因此，了解并掌握風廓線雷達的工作原理及日常維護維修方法，是每個雷達業(yè)務(wù)從事者必備的能力素質(zhì)。

1? 工作原理

固定式邊界層風廓線雷達主要以晴空大氣湍流為探測目標，再利用布拉格散射原理探測湍流中大氣折射率指數(shù)結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2的變化，進而導(dǎo)出大氣中風場的變化。

雷達工作時，主控計算機首先產(chǎn)生高頻脈沖信號，信號通過發(fā)射前級和T/R組件移相放大，再由天饋系統(tǒng)輻射出去，最后進行功率合成，以把能量集中到天線的某一個波束上（天線共有五波束，分別為：偏東15°、偏西15°、偏南15°、偏北15°、天頂），雷達手冊規(guī)定一次完整的取樣應(yīng)至少包括一個垂直和兩個正交的傾斜波束。

輻射出去的電磁波信號在遇到大氣湍流后就會被散射返回，被雷達天線接收，之后又經(jīng)過T/R組件放大、移相、合成后送至數(shù)字中頻接收機，由其進行濾波、放大、正交、數(shù)據(jù)抽取，再由信號處理機進行頻域FFT運算變換，輸出回波信號的功率譜數(shù)據(jù)，最后由數(shù)據(jù)處理對功率譜進行分析，反演出大氣風場。

2? 故障分析

2.1 遠程監(jiān)控與維護終端界面溫度顯示不正常

該界面顯示的溫度是通過溫度探頭測量得到的，它們分別安裝在室內(nèi)室外機柜。2月3日，該監(jiān)測終端顯示發(fā)射機柜、室內(nèi)、TR1及TR2機柜溫度高達95℃（當時室外-12℃）（見圖1），10月15日監(jiān)測溫度無顯示（見圖2）。引起這種故障的原因有3點：一是空調(diào)是否正常運轉(zhuǎn);二是溫度探頭故障;三是溫控誤報。經(jīng)查看，第一次空調(diào)運轉(zhuǎn)正常，更換溫度探頭后恢復(fù)正常;第二次空調(diào)及溫度探頭均正常，懷疑溫控誤報，等待一段時間后自動恢復(fù)正常。需要注意的是，業(yè)務(wù)人員要實時監(jiān)控該終端界面，且至少一周巡視檢查一次空調(diào)運轉(zhuǎn)情況，以防關(guān)鍵組件長時間處于高溫狀態(tài)，降低其使用壽命。

2.2 遠程監(jiān)控與維護終端顯示TR組件故障

T/R組件是有源相控陣的核心器件，其主要功能是實現(xiàn)功率和回波信號的放大。這里要說明的是，風廓線總共配了20個T/R組件，分別安放在天線陣正下方的兩個機柜里，同時機柜兩側(cè)各安裝一個小空調(diào)對其進行降溫。只要故障的組件不超過5個，其中一兩個故障，只會使雷達波的副瓣電平升高，使得最大探測高度降低，影響其探測效果，但不影響正常運轉(zhuǎn)。

11月15日巡視檢查發(fā)現(xiàn)雷達遠程監(jiān)控與維護終端BIT界面顯示TR16開關(guān)功率120W組件故障告警（見圖3），此時雷達仍正常工作。引起這種故障的原因有3點：一是整個TR組件損壞;二是連接該組件的線路松動;三是軟件虛報故障。最后經(jīng)與廠家聯(lián)系，懷疑波控碼遺失，由于前期安裝RASS更換了接收機模塊，導(dǎo)致其虛報故障，最后重新補裝波控碼后故障排除。

2.3 遠程監(jiān)控與維護終端系統(tǒng)連接信息界面顯示不正常

銀川機場本場安裝了2臺服務(wù)器，互為主備，但該終端界面經(jīng)常顯示備用服務(wù)器數(shù)量為0（見圖4）。遠程登錄服務(wù)器，經(jīng)過仔細查看，是由于服務(wù)器程序軟件（WPSS）無響應(yīng)導(dǎo)致，結(jié)束該進程，重啟軟件后便可恢復(fù)正常。這里建議經(jīng)常對電腦進行病毒查殺。

2.4 風廓線雷達產(chǎn)品顯示終端溫度顯示界面溫度變化區(qū)間太大

該溫度是由RASS測量得到。其工作原理是：RASS的高功率聲源產(chǎn)生的聲波會擾動大氣，使之產(chǎn)生折射指數(shù)起伏，并利用風廓線雷達探測這種折射指數(shù)起伏，從而得到聲波傳播或運動的徑向速度的高度分布，再根據(jù)聲速和溫度間的關(guān)系就可以反演出溫廓線，從而得到隨高度變化的大氣虛溫[3]。但銀川河?xùn)|機場自安裝RASS以來，經(jīng)常會出現(xiàn)溫度突變現(xiàn)象（見圖5），由10℃突然變到-30℃，而下一時刻又變回10℃。經(jīng)分析，引起這種現(xiàn)象的原因有：一是程序算法問題（目前銀川是國內(nèi)第二家安裝RASS并實現(xiàn)測溫的，程序算法設(shè)計還不是很成熟）;二是原始數(shù)據(jù)本身問題，因為大氣條件變化對虛溫探測性能影響也非常大。

3? 其他常見問題

3.1 數(shù)據(jù)空洞

由于風廓線雷達探測的目標是大氣湍流，回波信號一般比較弱，當回波弱到一定程度后，就會無法生成風場，所以就形成了空白區(qū)，即數(shù)據(jù)空洞。同時由于回波比較微弱，其信噪比較臨界，反演的風場可信度不高，所以，我們經(jīng)常會看到低空（尤其是0～100m區(qū)域）風場數(shù)據(jù)比較零亂。另外，濕度越大對雷達探測就越有利，因為潮濕空氣的反射系數(shù)變化會更大，寒冷干燥的空氣則容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)空洞，這也就是為什么沿海地區(qū)是風廓線雷達的理想架設(shè)場所。

3.2 虛溫探測

一方面，降水時如果測得的水顆粒下降速度不同于垂直速度，測得的虛溫則會不準確;另一方面，溫度對RASS的影響很大，聲音衰減隨溫度、濕度和壓力的變化而變化，所以越是寒冷干燥的空氣其衰減能力越大，從而降低了虛溫的探測范圍。

4? 結(jié)語

固定式邊界層風廓線雷達作為一種先進的地基探空設(shè)備，它不僅能夠探測到大氣的三維風場數(shù)據(jù)，還能探測到垂直溫度廓線，且資料可靠性強。該設(shè)備目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到民航業(yè)務(wù)中，尤其基于風廓線雷達提供局地的垂直風廓線，對于預(yù)報員在風切變預(yù)測、天氣系統(tǒng)過境、降水開始和結(jié)束時間等方面提供著非常有價值的指導(dǎo)。所以雷達業(yè)務(wù)人員非常有必要了解并掌握風廓線雷達相關(guān)知識及常見故障的維護維修技術(shù)，在日常工作中積累經(jīng)驗，確保其正常穩(wěn)定運行，進而更好地發(fā)揮其在高空探測、臨近預(yù)報等方面的優(yōu)勢。

參考文獻

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[2] 周志敏，萬蓉，崔春光，等.廓線雷達資料在一次冰雹過程中的應(yīng)用[J].暴雨災(zāi)害，2010，29（3）：251-256.

[3] 蘇添記，夏潤芳，劉笑，等.CLC-11-D型風廓線雷達故障處理與運行維護[J].氣象研究與應(yīng)用，2016，37（2）：88-90.

[4] 南京恩瑞特公司.固定式邊界層風廓線雷達總體技術(shù)說明書[Z].南京：南京恩瑞特實業(yè)有限公司，2017.

①作者簡介：虎雅莉（1992—），女，漢族，寧夏銀川人，本科，助理工程師，主要從事氣象探測設(shè)施應(yīng)用維護工作。