梅州雙偏振雷達天線過沖故障分析

黃彬 賀漢清 陳玉華

（廣東省梅州市氣象局，梅州 514021）

0 引言

雙偏振雷達目前在天氣雷達領(lǐng)域已是趨勢所在，根據(jù)氣象現(xiàn)代化部署，截至2020年，廣東天氣雷達將全部升級成雙偏振雷達[1-4]，梅州雙偏振雷達采用成熟的、業(yè)務上應用廣泛的雙發(fā)雙收模式，發(fā)射機輸出信號功分兩路，分別以水平和垂直極化方式同時發(fā)射，雙通道接收機和數(shù)字中頻對數(shù)據(jù)進行并行處理，有效改善反射率測量精度和準確性，更好的消除地物雜波，大大降低了系統(tǒng)相位噪聲，提高了觀測數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的質(zhì)量。2017年4—7月，梅州雷達機務人員發(fā)現(xiàn)梅州雷達會不定期出現(xiàn)系統(tǒng)正常掃描情況下天線沖頂?shù)墓收蟍5-7]，且期間天線動態(tài)錯誤比平時出現(xiàn)的要頻繁，出現(xiàn)沖頂故障后機務人員可以通過進入天線座俯仰倉，手動裝置將天線搖動到正常位置，重新加載軟件控制系統(tǒng)使雷達正常運行，但一段時間后又會出現(xiàn)相同故障，故障出現(xiàn)時間的隨機性大，嚴重影響了臺站雷達的業(yè)務正常運行。根據(jù)CINRAD/SA雷達的基本原理，雷達機務人員對此次雷達故障進行了檢查和維修，發(fā)現(xiàn)故障原因為軸角編碼盒性能不穩(wěn)導致不定時發(fā)生天線過沖，更換新軸角編碼盒器件后觀察了4個月，未出現(xiàn)天線沖頂故障，確定故障解決，并對此次故障進行總結(jié)和記錄，以期對雷達其他類似故障的處理提供參考。

1 故障現(xiàn)象分析

梅州新一代天氣雷達升級雙偏振后進行業(yè)務試運行過程中，大概間隔半個月左右會出現(xiàn)一次天線俯仰沖頂，導致雷達停機，故障出現(xiàn)時停機時天線俯仰角顯示超過90°，報天線動態(tài)錯誤、天線無法停在待機位等故障信息。

結(jié)合表1所給出的故障信息分析，俯仰和方位編碼器同時故障，導致天線無法按指令運行。天線動態(tài)錯誤[8-9]（PEDESTAL DYNAMIC FAULT）是指計算機對天線發(fā)出控制角度命令之后7.5 s內(nèi)，未有響應，角度未在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)則會報動態(tài)故障（位置差＜0.2°或者0.9＜實際速率/期望速率＜1.015）。

表1 天線過沖故障報警信息表 Table 1 Antenna overshoot fault alarm information

2 故障排除思路

2.1 根據(jù)故障現(xiàn)象分析確定重點檢測部件及順序

圖1為軸角編碼盒編碼后角碼傳輸過程，發(fā)生天線俯仰沖頂故障，應先檢查方位及俯仰共有鏈路部分，即光纖通信、上下光纖板的供電是否正常，如俯仰閃碼還需要檢查清洗滑環(huán)部件，其次檢查上光端機電源電壓是否正常（同時給俯仰和方位軸角編碼盒進行供電），如果排除共有鏈路部分及上光端機電源故障后，根據(jù)故障現(xiàn)象表現(xiàn)為俯仰沖頂，應重點檢查俯仰軸角編碼盒的工作情況。

圖1 角碼傳輸詳細鏈路圖 Fig. 1 Detailed diagram of angular code transmission

2.2 軸角編碼盒的檢測方法

軸角編碼盒電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，由激磁信號發(fā)生器、RDC電路以及PLD可編程邏輯器件組成，供電電壓為5 V。通過對軸角編碼盒電路圖分析，軸角編碼盒接地不好或輸出的串行軸角數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤可能引起閃碼?？梢酝ㄟ^檢測圖1中由俯仰軸角編碼盒，滑環(huán)，上下光纖板，DCU數(shù)字控制板組成的傳輸鏈路的反饋信號來檢測軸角編碼盒工作情況。檢測點位于DCU的數(shù)字控制板（AP2）上。從天線座傳輸?shù)姆轿惠S角數(shù)據(jù)經(jīng)過XS(J)11的26腳A(+)、24腳A(-)，分別輸入到AP2板上接收器D25的2腳和1腳，俯仰軸角數(shù)據(jù)經(jīng)過XS(J)11的22腳E(+)、29腳E(-)，分別輸入到接收器D25的6腳和7腳，D25的輸出端3腳是串行的TTL電平的方位軸角數(shù)據(jù)，5腳是串行的TTL電平的俯仰軸角數(shù)據(jù)，它們都是14位數(shù)據(jù)，前面13位是軸角數(shù)據(jù)，最后一位是相應支路的激磁檢測位，該信號高電平正常，低電平故障。正常情況下，手動推動天線時，DCU的AP2板上D25接收器波形呈現(xiàn)有規(guī)律連續(xù)變化。如果波形無變化、無規(guī)律變化、突然展寬或消失，且光纖鏈路正常，則說明軸角編碼盒已損壞，需更換。

3 故障處理

出現(xiàn)天線俯仰沖頂故障報警后，值班人員想通過RDASC軟件把天線回到PARK（待機）正常位置未成功，隨后關(guān)掉DAU（數(shù)據(jù)獲取單元）及天線伺服開關(guān)，進到天線罩內(nèi)采用俯仰手輪強行將天線搖到PARK位置，然后對方位及俯仰共有鏈路部分進行檢查，手動勻速推動天線觀察方位和俯仰角碼未出現(xiàn)閃爍和不連續(xù)情況，可判定共有鏈路正常；進入天線罩對上光端機電源2PS1進行電壓測試（圖3），檢查圖中標注的兩組5.5 V電源電壓，軸角編碼盒要求供電電壓穩(wěn)定且大于5 V，測試結(jié)果顯示一組電壓為5.2 V，一組為5.0 V屬于正常范圍，說明軸角編碼盒供電無問題，可排除上光端機電源故障和方位及俯仰共有鏈路部分，懷疑是俯仰軸角編碼盒性能不穩(wěn)引起。具體故障排除流程見圖4。

圖2 軸角編碼盒結(jié)構(gòu)電路圖 Fig. 2 Circuit diagram of axial angle coding box structure

圖3 上光端電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 Fig. 3 The internal structure of the glazing motor

圖4 故障排除流程圖 Fig. 4 Troubleshooting flowchart

通過對調(diào)方位和俯仰軸角編碼盒來檢查是否還會出現(xiàn)沖頂現(xiàn)象，對調(diào)后觀察了半個月依舊會出現(xiàn)沖頂現(xiàn)象，未能解決問題。由于軸角編碼盒給數(shù)字控制單元的數(shù)字控制板（AP2板）串行接口傳輸仰角、俯仰軸角的編碼信號，所以可通過示波器對此串行接口來檢測軸角編碼盒的數(shù)據(jù)波形變化來判斷軸角編碼盒是否有故障，具體檢測點如圖5所示。對調(diào)方位和俯仰軸角編碼盒后進行波形檢測，手工勻速推動天線，用示波器檢測AP2板D25接收器第5腳輸出的俯仰軸角編碼盒波形，波形周期性變化，說明軸角編碼盒俯仰環(huán)節(jié)和光纖鏈路正常；用示波器檢測D25第3腳的方位軸角編碼盒波形，波形無規(guī)律變化，有突然展寬或消失的現(xiàn)象，由此可將故障源定位為對調(diào)后的軸角編碼盒方位環(huán)節(jié)。2017年7月4日為避免存有故障隱患把方位和俯仰的軸角編碼盒全部更換，更換新軸角編碼盒后，重新檢測其方位和俯仰軸角編碼數(shù)據(jù)的反饋波形，均呈周期性變化，輸出其中一個周期內(nèi)正常波形（圖6），繼續(xù)對雷達連續(xù)運行觀察4個月，未發(fā)現(xiàn)有天線俯仰沖頂故障，確定故障排除。

圖5 數(shù)字控制板D25芯片 Fig. 5 Digital control board D25 chip

圖6 D25芯片3腳輸出其中一個周期內(nèi)示波正常圖形 Fig. 6 One wave normal figure of D25 chip 3 pin output

4 小結(jié)

雙偏振天氣雷達在天伺系統(tǒng)信號鏈路上的復雜性導致雷達定位出現(xiàn)偏差環(huán)節(jié)很多，隨機性大，定位故障難度較大，本次故障排除難點在于引起故障的部件不是完全故障狀態(tài)，不容易檢測和判斷，部件性能不穩(wěn)定難以通過簡單檢測確定，需要監(jiān)測一定時間的狀態(tài)來判斷。在實際檢修過程中，此類故障應重點優(yōu)先檢查方位和俯仰共有鏈路部分、上光端機電源、電機等，在排除重點環(huán)節(jié)正常前提下，再對天線的軸角編碼盒、光電碼盤等誤差源進行排除，能更準確判斷誤差原因。加強對工作環(huán)境的改進，如在天線罩內(nèi)增加抽濕機、循環(huán)風冷系統(tǒng)，防止過潮和高溫，這樣也可增加軸角編碼盒等器件的使用壽命；雷達技術(shù)保障人員應深入了解雷達整個系統(tǒng)的工作流程，密切關(guān)注雷達信號流程，并熟練掌握信號流程中關(guān)鍵點的參數(shù)特征，對于快速排除雷達故障非常有用。