CINRAD/SA雷達天線錐擺故障診斷分析

韓亞靜，谷山青，張 騫，魏振東，李 丹

(1.濱州市氣象局，山東濱州 256600；2.山東省氣象臺，濟南 250031；3.濱州市人工影響天氣管理服務(wù)中心，山東濱州 256600；4.山東省氣象服務(wù)中心，濟南 250031)

隨著全國新一代天氣雷達布網(wǎng)完成并投入業(yè)務(wù)運行，雷達站技術(shù)人員在維護維修方面積累了大量經(jīng)驗。潘新民等[1]闡述了CINRAD/SA雷達交流數(shù)字伺服系統(tǒng)的技術(shù)特點和信號流程，總結(jié)了CINRAD/SA雷達交流數(shù)字伺服系統(tǒng)故障診斷方法。汪章維等[2]對新一代天氣雷達系統(tǒng)原理及分系統(tǒng)進行了闡述，同時總結(jié)了經(jīng)典故障案例，對機務(wù)維修具有指導意義。郭澤勇等[3-4]收集了多個天線伺服系統(tǒng)故障案例進行統(tǒng)計分析，歸納總結(jié)了天線伺服系統(tǒng)故障的排查方法。蔡勤等[5]通過對雷達伺服信號鏈路進行分析，總結(jié)了雷達閃碼故障產(chǎn)生的原因和檢修方法。濱州CINRAD/SA雷達反復出現(xiàn)天線錐擺故障，產(chǎn)品無明顯異常，沒有報警信息，但數(shù)字控制單元5A6軸角顯示板上的俯仰角度上下浮動，不能停在固定的仰角上。本文介紹根據(jù)天線伺服系統(tǒng)的工作原理、天線位置控制策略和天線各信號流程，對該故障進行診斷分析及處理的方法，為處理此類故障提供經(jīng)驗。

1 天線伺服系統(tǒng)的組成

CINRAD/SA雷達天線伺服系統(tǒng)由位置環(huán)、速度環(huán)和加速度環(huán)組成，涉及的模塊主要包括RDA計算機、DCU數(shù)字控制單元、PAU功率放大單元、天線伺服電機、光纖傳輸系統(tǒng)等[6]。位置環(huán)由RDA計算機、DCU模擬板D/A、速度環(huán)和軸角編碼器等組成；速度環(huán)是位置環(huán)的后半部分，主要由加速度環(huán)、測速機和速度比較環(huán)節(jié)等組成；加速度環(huán)是速度環(huán)的前饋環(huán)節(jié)，主要由功放、電機和微分電路等組成[7]。

2 天線錐擺過沖故障現(xiàn)象

2016年7月29日15：25—17：30對雷達進行維護，做太陽法標定結(jié)果正常，但波形異常，呈階梯狀(圖1)。在檢查天線控制精度時，發(fā)現(xiàn)5A6軸角顯示板上俯仰角度上下跳動，而方位角度正常。對雷達基數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)天線在俯仰上存在錐擺現(xiàn)象，不能停在固定的仰角上，并且在切換仰角時過沖嚴重。圖2是體掃21模式下2016-07-29T17：38的天線方位俯仰圖，同時觀察天線罩內(nèi)視頻監(jiān)控，能夠目測到天線在本應(yīng)固定仰角時卻上下擺動。但是，對長時間段的雷達基數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)天線錐擺現(xiàn)象并不是一直存在，具有偶發(fā)性，且比較頻繁。

圖1 2016-07-29濱州CINRAD/SA雷達太陽法標定中異常的俯仰波形

3 故障分析及診斷

雷達天線錐擺會降低天線的控制精度，還會磨損天線伺服系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，嚴重時還會導致雷達強制停機[8]。維修時應(yīng)根據(jù)故障現(xiàn)象按照信號流程進行綜合判斷，找出故障點。由故障現(xiàn)象可知，天線故障點位于俯仰支路。天線仰角過沖和天線俯仰運行速度不穩(wěn)定，實質(zhì)上都是天線俯仰速度出問題，故障定位關(guān)鍵點有：DCU數(shù)字控制單元、功放、電機、信號傳輸通道[9]。為快速定位故障點，先后進行了如下操作。

清理匯流環(huán)。俯仰的各種電信號需要通過匯流環(huán)傳輸，如果積碳嚴重導致電刷接觸不良，會造成俯仰信號的不可靠傳輸。

更換俯仰電機。交流伺服系統(tǒng)采用165 V交流無刷電機，包括驅(qū)動電機和測速電機，基本免于維護，但對相序要求較高。

分別更換DCU數(shù)字控制單元的模擬板和數(shù)字板。先更換模擬板是因為其有完整的速度環(huán)，更換了以后發(fā)現(xiàn)故障依舊，再更換模擬板速度值的輸入——數(shù)字板。

圖2 2016-07-29T17：38濱州CINRAD/SA雷達體掃21模式下異常的天線方位俯仰圖

方位俯仰功放互換。由圖2可知方位支路正常，即方位功放運行正常。將方位和俯仰的功放互換，如果故障也由俯仰支路轉(zhuǎn)為了方位支路，則判斷俯仰功放故障；如果故障依舊，則說明方位和俯仰的功放都是正常的。

測試光纖鏈路信號傳輸是否正常。天線角碼的控制和反饋信號是用光纖傳輸?shù)模绻走_電磁環(huán)境中干擾較大，可導致傳輸誤碼，故也可能導致天線運轉(zhuǎn)異常。用電纜替換光纖傳輸，將電纜從天線座順入機房，連接5A6相應(yīng)接口，天線座兩個接頭分別連接上光端機5V供電接口和二層板的相應(yīng)接口。又因是長距離差分傳輸，在軸角盒及數(shù)字板加了平衡電阻，反復調(diào)試模擬板的加速度阻容配比，故障現(xiàn)象沒有改善。

檢查俯仰電機速度反饋信號的傳輸通道。對俯仰電機速度反饋信號的傳輸通道進行通斷測量，發(fā)現(xiàn)某一條測速信號偶爾存在斷路現(xiàn)象。

4 故障處理

CINRAD/SA雷達天線伺服系統(tǒng)線纜連接如圖3所示，數(shù)字控制單元和功放通過5W1、5W2連接，其中5W1包含方位和俯仰信息，5W2給功放風機供電。天線座和功放通過W94、W95、W96、W97四根電纜連接，其中W94是方位電機反饋電纜，W95是俯仰電機反饋電纜,W96是方位電機驅(qū)動電纜，W97是俯仰電機驅(qū)動電纜。W95經(jīng)過三次轉(zhuǎn)接：由5A7機箱經(jīng)由機柜頂部、天線座轉(zhuǎn)接板(二層板)轉(zhuǎn)接，進入天線座內(nèi)部，再經(jīng)過匯流環(huán)進入俯仰箱內(nèi)，并進入交流伺服電機的測速機。綜上所述，俯仰測速信號經(jīng)過的線纜是5W1和W95。

圖3 CINRAD/SA雷達天線伺服系統(tǒng)線纜連接圖

電機速度反饋是三相交流信號，包括T、R、S三相和中線MP，將其中兩個信號線短接，在另一端用萬用表測量這兩個信號線的通斷情況。如果線路有斷路，則測不到阻值，如果線路通暢，一般阻值在7 Ω左右。通過反復測試，發(fā)現(xiàn)測速T信號線路時通時不通，問題根源找到，即俯仰測速機信號缺失一相導致實際速度反饋錯誤，從而導致天線錐擺。分段測量俯仰速度反饋信號線路(5W1和W95)通斷，最終定位到伺服機柜頂端的電纜航空頭上，懷疑插拔接頭時有縮針現(xiàn)象，導致接觸不良。將相應(yīng)電纜更換后，故障解決。

5 結(jié)語

天線錐擺幅度較小時不會造成雷達停機，較難發(fā)現(xiàn)，日常維護應(yīng)細心觀察，可借助軟件及時發(fā)現(xiàn)故障；要熟悉交流伺服系統(tǒng)的信號流程，全面分析，逐級排查，才能快速定位故障點；由于接觸不良導致的天線錐擺現(xiàn)象時有時無，維修后的短期拷機正常并不能確定故障是否真正排除，這需要維修人員對天線運轉(zhuǎn)情況做長期觀察，并對出現(xiàn)的故障及時處理。