清遠(yuǎn)CINRAD/SA-D型氣象雷達(dá)天線動(dòng)態(tài)故障解析

高必通，李少遠(yuǎn)，鐘凌輝，鄧福興

(廣東省連州市氣象局，廣東 清遠(yuǎn) 513400)

0 引言

雙線偏振雷達(dá)現(xiàn)已成為世界各國(guó)及氣象組織天氣雷達(dá)技術(shù)升級(jí)的發(fā)展方向，其對(duì)暴雨監(jiān)測(cè)、降水估測(cè)精度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。北京敏視達(dá)公司CINRAD/SA-D 雷達(dá)系統(tǒng)生成豐富的氣象產(chǎn)品可滿足各級(jí)氣象部門(mén)短時(shí)臨近預(yù)報(bào)、降水評(píng)估和測(cè)量、強(qiáng)對(duì)流天氣的識(shí)別和解析、大氣風(fēng)場(chǎng)分析和大氣切變識(shí)別等預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和咨詢服務(wù)的需要。目前世界各國(guó)及氣象組織都在積極升級(jí)雙偏振雷達(dá)的背景下，國(guó)內(nèi)也逐步搭建雙偏振天氣雷達(dá)網(wǎng)。廣東省氣象局為實(shí)現(xiàn)氣象現(xiàn)代化不斷升級(jí)技術(shù)，逐步升級(jí)省內(nèi)天氣雷達(dá)以高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氣象現(xiàn)代化建設(shè)。預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)，廣東省雙偏振雷達(dá)網(wǎng)將全面建成。隨著雙偏振雷達(dá)升級(jí)改造工程的不斷推進(jìn)，機(jī)務(wù)維修人員維護(hù)維修新型雷達(dá)的技術(shù)技能迫切需要提高，以提高雷達(dá)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)可用性和時(shí)效性。希望本次天線動(dòng)態(tài)故障的排查過(guò)程和解決故障的過(guò)程，能夠給同行業(yè)的雷達(dá)機(jī)務(wù)人員解決此類故障的參考。

1 故障現(xiàn)象

2017年9月11日17時(shí)42分—20時(shí)連州市雷達(dá)站受局地強(qiáng)對(duì)流天氣影響，雷暴云團(tuán)過(guò)境本站。在18時(shí)前后開(kāi)始雷達(dá)5A6數(shù)控單元軸角顯示面板天線角碼閃碼，18時(shí)36分開(kāi)始頻繁出現(xiàn)天線座動(dòng)態(tài)維護(hù)告警(告警碼： 340 PEDESTAL DYNAMIC MAINTAIN)，但由于報(bào)警時(shí)間較短，報(bào)警清除快，并未引起雷達(dá)停機(jī)或聲光報(bào)警。之后出現(xiàn)雷達(dá)天線角碼閃碼較為嚴(yán)重且恢復(fù)較為緩慢現(xiàn)象，從而引發(fā)天線座動(dòng)態(tài)故障繼而強(qiáng)制雷達(dá)待機(jī)(告警碼：398 STANDBY FORCED BY INOP ALARM)，雷達(dá)值班人員通過(guò)手動(dòng)重啟RDA計(jì)算機(jī)后恢復(fù)，此后大約每隔3 h強(qiáng)制待機(jī)一次[1-2]。9月12日15時(shí)36分—15時(shí)42分出現(xiàn)一次產(chǎn)品缺角。

2 S波段交流天伺結(jié)構(gòu)

在排查天線故障之前，首先了解本CINRAD/SA-D氣象雷達(dá)交流天伺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 S波段交流天伺系統(tǒng)Fig.1 S-band ac pedestal system

RDA計(jì)算機(jī)通過(guò)串口傳輸天線方位俯仰角碼命令到DAU大底板，DAU大底板通過(guò)線纜傳輸?shù)紻CU控制單元，DCU控制單元的數(shù)字板收到角碼命令，轉(zhuǎn)換成控制功率放大器的模擬信號(hào)注入DCU模擬板的前端。DCU模擬板的輸出分別驅(qū)動(dòng)方位電機(jī)俯仰電機(jī)的功率放大器，經(jīng)過(guò)大線纜直連天線罩方位俯仰的電機(jī)。這里由于天線的物理結(jié)構(gòu)限制，俯仰的驅(qū)動(dòng)和反饋的信號(hào)都要經(jīng)過(guò)滑環(huán)。電機(jī)帶動(dòng)各自減速機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。后端同步箱光電碼盤(pán)和軸角盒生成天線角碼狀態(tài)報(bào)警通過(guò)上光端機(jī)光纖傳輸?shù)浇邮諜C(jī)下光纖板，經(jīng)DAU大底板分別傳輸?shù)絉DA計(jì)算機(jī)和DCU控制單元。RDA計(jì)算機(jī)根據(jù)返回的雷達(dá)天線方位俯仰角碼的狀態(tài)，決定方位電機(jī)與俯仰電機(jī)的加速減速或者停止[3-4]。

3 故障分析及排查

根據(jù)北京敏視達(dá)雷達(dá)公司提供的報(bào)警碼技術(shù)手冊(cè)說(shuō)明，PEDESTAL DYNAMIC FAULT 天線動(dòng)態(tài)故障的報(bào)警條件如下：

①接收機(jī)內(nèi)RDA工作站電腦對(duì)雷達(dá)天線發(fā)送變換仰角的信號(hào)，通過(guò)3個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算雷達(dá)天線方位角速度，在規(guī)定時(shí)間(7.5 s)，雷達(dá)天線角度未在設(shè)定的偏差區(qū)域(實(shí)時(shí)天線速率與設(shè)定天線速率的比值大于等于0.9并小于等于1.015)內(nèi)則會(huì)提示告警此故障信息。

②雷達(dá)天線俯仰位置差小于0.1°。

因此雷達(dá)機(jī)務(wù)人員需要了解故障時(shí)刻，雷達(dá)天線運(yùn)行的具體情況，這就需要清楚方位電機(jī)與俯仰電機(jī)運(yùn)行時(shí)的角碼[5]。

CINRAD/SA-D氣象雷達(dá)的雙偏振基數(shù)據(jù)集成了體掃時(shí)間內(nèi)天線方位俯仰的角碼。雷達(dá)機(jī)務(wù)人員使用BaseData Analysis Tool Version 7.0基數(shù)據(jù)解析軟件解析故障出現(xiàn)時(shí)的基數(shù)據(jù)，從而獲取到故障時(shí)刻天線角碼數(shù)據(jù)，如下面圖2所示。

圖2 故障時(shí)的天線角碼數(shù)據(jù)Fig.2 Pedestal Angle code data in case of failure

天線方位俯仰角碼圖中縱軸左邊為仰角，右邊為上一個(gè)仰角切換到此仰角用的時(shí)間，橫坐標(biāo)是方位角度。如果天線在要求的時(shí)間沒(méi)有達(dá)到指定位置或者指定的速度，角碼圖就會(huì)表示該段運(yùn)行為紅色。根據(jù)2017年9月11日18時(shí)06分(天線角碼圖時(shí)間為世界時(shí))的天線方位俯仰角碼圖可知，圖中的紅點(diǎn)均出現(xiàn)在橫軸上，可以初步定位故障的通路為天伺系統(tǒng)的方位通路[6-9]。

從圖1中可知，天線方位角碼傳輸通路與通路各部件的位置如下：方位軸角盒(天線座方位艙內(nèi)壁上)—上光端機(jī)(天線座底部倉(cāng)位或底部地板)—上光纖板(上光端機(jī)內(nèi))—光纖(經(jīng)線纜保護(hù)器到波導(dǎo)小屋到機(jī)房)—下光纖板(接收機(jī)柜RDA計(jì)算機(jī)顯示器上方)—DAU大底板(接收機(jī)柜RDA計(jì)算機(jī)顯示器上方)—DCU控制單元和DCU數(shù)字板(接收機(jī)柜的5A6數(shù)控單元組件內(nèi))[10]，再結(jié)合之前2017年9月11日強(qiáng)雷暴過(guò)程，天線部分除軸角盒以及上下光纖板除外，其余均實(shí)現(xiàn)了光電隔離，故而初步判斷為方位軸角盒以及上、下光纖板故障[11-12]。

4 故障修復(fù)

初步確定故障部件數(shù)量和類型后，雷達(dá)站工作人員立即向廣東省氣象局探測(cè)數(shù)據(jù)中心申請(qǐng)維修部件，同時(shí)通過(guò)重啟RDA計(jì)算機(jī)讓雷達(dá)繼續(xù)運(yùn)行，以便于觀察。9月13日14時(shí)05分，廣東省氣象局探測(cè)數(shù)據(jù)中心快遞的軸角盒、光纖板已到雷達(dá)站。雷達(dá)站工作人員立即停機(jī)更換方位軸角盒，更換完畢后開(kāi)機(jī)，雷達(dá)未出現(xiàn)報(bào)警，接著拷機(jī)運(yùn)行1 h。然而雷達(dá)站工作人員通過(guò)繼續(xù)解析雷達(dá)基數(shù)據(jù)以及雷達(dá)log日志文件發(fā)現(xiàn)，天線閃碼情況仍然存在。15時(shí)48分，更換上光纖板，更換完畢后開(kāi)機(jī)檢查，未出現(xiàn)報(bào)警，天線閃碼現(xiàn)象消失，拷機(jī)運(yùn)行1 h后通過(guò)解析基數(shù)據(jù)以及日志文件發(fā)現(xiàn)閃碼現(xiàn)象消失(如圖3所示)。17時(shí)21分，雷達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，故障修復(fù)。

圖3 正常運(yùn)行的天線角碼數(shù)據(jù)Fig.3 Pedestal Angle code data in case of normal

5 結(jié)論與討論

通過(guò)本文的分析，得到以下結(jié)論：

主要出現(xiàn)問(wèn)題是方位軸角盒和上光纖板。維修過(guò)后，拆開(kāi)方位軸角盒和上光纖板，沒(méi)有明顯的灼燒的印記，但是由于芯片受到雷暴電磁感應(yīng)高電壓的沖擊，導(dǎo)致軸角盒產(chǎn)生角碼的芯片和上光纖板與方位軸角盒通信的兩個(gè)芯片26LS31、26LS33性能下降，導(dǎo)致雷達(dá)天線閃碼嚴(yán)重，引起雷達(dá)天線動(dòng)態(tài)故障，從而雷達(dá)接收機(jī)柜RDA計(jì)算機(jī)強(qiáng)制停止雷達(dá)工作。

此次維修過(guò)程可以總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)：

①根據(jù)報(bào)警日志和基數(shù)據(jù)解析角碼確定哪一個(gè)通路故障。

②同時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，檢查兩條通路公共部件,如上下光纖板，DCU數(shù)字板等。

③其中一條通路有問(wèn)題，可以用另一條通路的部件對(duì)調(diào)測(cè)試，如功率放大器，軸角盒等。

通過(guò)這樣每個(gè)鏈路逐個(gè)排查，可以準(zhǔn)確定位雷達(dá)故障部件或器件，提高雷達(dá)機(jī)務(wù)人員維修的效率，極大縮短雷達(dá)停機(jī)時(shí)間，從而提高雷達(dá)的業(yè)務(wù)可用性。