氣象雷達原理及故障維護

李冀寧 沈鹿鳴 劉洪林 楊喆 仲淙舜 范佳文 韓曉冬

摘 ? 要：氣象雷達是探測氣象信息的重要設(shè)備，在目標(biāo)物輪廓辨別，雷雨強度以及方位的檢測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。氣象雷達一般是由發(fā)射機、波導(dǎo)系統(tǒng)、接收機、定向天線、控制面板、顯示器等幾大部分構(gòu)成，具有災(zāi)害天氣預(yù)警、突發(fā)性天氣預(yù)測等作用。本文將簡述氣象雷達的工作原理，并對常見故障及其維護措施進行具體分析，以期能夠為相關(guān)氣象檢測工作提供一定參考借鑒。

關(guān)鍵詞：氣象雷達 ?工作原理 ?故障維護

中圖分類號：TN959.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（b）-0045-02

1 ?氣象雷達的工作原理

氣象雷達主要是利用目標(biāo)物對雷達波的反射狀態(tài)來判斷目標(biāo)物的特性以及具體位置。目標(biāo)物對于雷達波的反射能力、反射面以及反射能量與目標(biāo)物的導(dǎo)電性能有關(guān)，導(dǎo)電性越高，反射能力越強、反射面越廣，獲得反射能量越大。但是，當(dāng)目標(biāo)物的外形尺寸與雷達波波長相差甚遠時，發(fā)射能量將會被削弱;而當(dāng)目標(biāo)物的反射面直徑與波長相差不大時，反射能量將會有顯著提升。當(dāng)下，氣象雷達的頻率通常在200MHz到10000MHz范圍內(nèi)。氣象探測雷達的工作原理具體如下。

1.1 距離測定

測量目標(biāo)與地面間的距離是氣象雷達的核心工作。氣象雷達以光速向空中發(fā)射電磁波，接觸到目標(biāo)物之后，會反射回波信號，假設(shè)收回信號與發(fā)射脈沖的時間間隔為t，光速為c，那么目標(biāo)與地面的距離L=c*t/2。距離測定能力與脈沖寬度正相關(guān)，在測定近距離目標(biāo)物的時候，應(yīng)選擇寬度較窄的脈沖。

1.2 方位測量

氣象雷達利用天線波束軸的瞬時方位判定目標(biāo)物方位。雷達天線的波束呈現(xiàn)為圓錐形狀，寬度相對較窄。因此，當(dāng)天線處于某一特定方向時，雷達只能接收處于該方位上的回波信號，并將其傳輸給顯示器，獲得目標(biāo)物的實際方位。雷達天線水平面上的波束寬窄對方位測量水平有著直接影響，波束越寬，方位分辨能力越弱。

1.3 降水探測

作為氣象監(jiān)測的重要工具，降水探測同樣也是氣象雷達的重要任務(wù)。氣象雷達可以檢測雨滴或者濕度較高的冰雹，但是對于云、霧或者濕度較小的冰雹則不適用。同時，由于含水物質(zhì)會吸收雷達發(fā)射脈沖的部分能量，加之能量存在一定損耗。因此，雷達接收的反射信號并不是全部，而是在有效范圍內(nèi)，檢測一定密度以及直徑的降水區(qū)域產(chǎn)生的有效回波。按照雷達監(jiān)測信號的強弱等級，通過顯示器體現(xiàn)目標(biāo)物的性質(zhì)、狀態(tài)以及含水量。

1.4 湍流檢測

湍流監(jiān)測就是要對大氣中變化的、運動的氣流進行氣象監(jiān)測。通常情況下，湍流現(xiàn)象往往會出現(xiàn)在暴風(fēng)雨天氣。在飛行過程中，氣流變化會影響飛機平衡，產(chǎn)生顛簸，甚至?xí)?dǎo)致飛機部件出現(xiàn)故障、破損等。湍流監(jiān)測利用多普勒原理，具體公式為：f=2v/λ。多普勒頻移和相對速度偏差正相關(guān)，假如雷達接收信號的多普勒寬度大于參考數(shù)值，則為湍流。但是，假如湍流濕度較低，氣象雷達則無法發(fā)揮探測作用。

1.5 風(fēng)切變檢測

所謂風(fēng)切變就是在某區(qū)域內(nèi)，風(fēng)向或者風(fēng)速突變。風(fēng)切變會對飛行造成嚴(yán)重影響，大多數(shù)飛行事故都是風(fēng)切變引起的，特別是低空風(fēng)切變，大大提高了飛行過程中起飛與著陸階段的風(fēng)險系數(shù)。而氣象雷達對于風(fēng)切變的有效檢測，通過對風(fēng)切變區(qū)域回波的多普勒頻移的具體特征進行對比分析，辨別風(fēng)切情況，對于避免重大飛行安全事故的發(fā)生有著十分重要的積極意義。

2 ?氣象雷達的故障維護

氣象雷達的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，與之相關(guān)的配套系統(tǒng)也是相當(dāng)龐雜，因此，氣象雷達故障在所難免。在實際應(yīng)用過程中，比較常見的故障主要有雷達不掃描、圖像顯示失真、運行不正常、散熱出現(xiàn)問題等。

2.1 雷達不掃描

不掃描是氣象雷達最為常見故障的一種，通常是由天線組故障導(dǎo)致的。天線組分為掃描通道和俯仰通道。其中，前者用于波束掃描，以實現(xiàn)目標(biāo)物的具體探測。一旦掃描通道出現(xiàn)故障，那么天線組則無法正常運行。天線組的重要構(gòu)成部分有電機和機械傳動裝置等，電機損壞、卡組是引起天線組故障的主因。因此，進行故障檢修時，電機損壞、卡阻有否是首先檢查任務(wù)。假如電機損壞，應(yīng)及時更換;假若存在異物，則應(yīng)第一時間清理，避免干擾正常工作。

2.2 雷達圖像顯示失真

引起雷達圖像失真的主要因素有三種，分別為：雷達收發(fā)機電路故障;平板天線或者波導(dǎo)管有異物;顯示器故障。維護維修時，第一步應(yīng)檢查顯示器是否正常，如有故障，應(yīng)及時進行維修或者更換;第二步應(yīng)查看插座、波導(dǎo)管連接位置等是否連接不牢，對于可以處理的異常情況要及時解決，能力范圍外的要及時上報，請求技術(shù)支持;最后，通風(fēng)管、收發(fā)機、平板天線等要定期進行保養(yǎng)維護，以延長使用壽命。

2.3 雷達非正常運行

雷達運行故障主要分為兩個方面，其一，供電系統(tǒng)故障;其二，受收發(fā)機電路故障。維護時，應(yīng)檢查相關(guān)供電系統(tǒng)的開關(guān)是否開啟。其次，要檢查控制盒是否正常。第三，要進行調(diào)試，檢查馬達與驅(qū)動裝置是否存在故障。假如，以上方法均沒有解決問題，那么就需要更換收發(fā)機，之后，再進行上述測試。

2.4 氣象雷達散熱問題

氣象雷達的運行會產(chǎn)生大量熱量，而散熱功能的好壞則是影響氣象雷達探測數(shù)據(jù)精確性及其使用壽命的關(guān)鍵因素。散熱性能不佳，極易出現(xiàn)顯示器高溫問題，導(dǎo)致圖像顯示不正常。當(dāng)顯示器溫度超過極限值（80℃）時，雷達的顯示功能將會喪失。濾紙堵塞是引起散熱問題的重要因素。因此，在日常巡查過程中，工作人員應(yīng)仔細檢查后邊濾紙，以便能夠及時清理濾紙雜物，避免堵塞。除此之外，散熱性能還會影響雷達顯示圖像的清晰度，對于該類問題，應(yīng)保證顯示器的背景旋鈕均處于正確位置。

2.5 接收信號故障

氣象雷達對于工作環(huán)境的要求較高，尤其是在雷雨天氣，一旦出現(xiàn)波導(dǎo)管進水，很容易出現(xiàn)波導(dǎo)管損壞現(xiàn)象。同時，由于平板天線的每一個縫隙相當(dāng)于一個半波對稱振子，積水進入會導(dǎo)致雷達天線介電常數(shù)發(fā)生變化，改變縫隙等效長度，從而無法作為半波振子，對天線方向的輻射電場帶來負面影響，接收目標(biāo)物發(fā)射能量波的能力變?nèi)?，以致于雷達接收機在信號處理過程中將其視作雷雨天氣，或者認為是天線運行異常。面對接收信號問題，首先要加強日常維護，保障雷達罩無破損，且密封性高。春季和夏季由于降水量多，且氣候多變，是雷雨天氣多發(fā)季節(jié)，大多數(shù)雷達故障都發(fā)生在該階段。基于此種自然環(huán)境，雷達系統(tǒng)的日常維護容不得一絲馬虎，相關(guān)部門應(yīng)完善設(shè)備管理制度，加大維護保養(yǎng)力度。

3 ?結(jié)語

總而言之，氣象雷達是進行氣象檢測的重要工具，對于目標(biāo)物輪廓、雷雨區(qū)域、雷雨強度等氣象檢測領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。氣象雷達發(fā)射的脈沖波，在接觸目標(biāo)物之后由雷達接收機進行信號接收與處理，以判別目標(biāo)物方位、強度、特征。隨著科技的不斷發(fā)展，氣象雷達對于災(zāi)害性天氣的預(yù)測信息越來越精確，這對于飛行安全以及農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)防等均有著良好的發(fā)展前景。但是，由于氣象雷達的構(gòu)造及其相關(guān)配套系統(tǒng)復(fù)雜，因此，雷達故障有時是很難避免的。在實際應(yīng)用過程中，工作人員要定期對重點部件進行定期的、針對性的檢查，以減少雷達故障發(fā)生幾率，提高氣象檢測效率以及檢測質(zhì)量。

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