基于雙信號源的雙偏振雷達(dá)接收機(jī)故障診斷技巧

曾廣宇 郭澤勇* 杜云東 羅業(yè)永 鄺家豪

(1 廣東省陽江市氣象局，陽江 529500； 2 北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司，北京 100085； 3 廣東省湛江市氣象局，湛江 524000)

引言

多普勒天氣雷達(dá)通過獲得降水目標(biāo)的反射率、速度、譜寬等基數(shù)據(jù)來觀測天氣[1]，但降雨類型的區(qū)分存在明顯的不足[2]。雙偏振天氣雷達(dá)相比于單偏振天氣雷達(dá)擁有的獨特優(yōu)勢，不僅能測量反射率、速度、譜寬，還可以通過測量雷達(dá)的差分反射率、傳播相移以及相關(guān)系數(shù)等數(shù)據(jù)，更好地描述粒子的尺寸、形狀、降水類型及天氣，區(qū)分氣象與非氣象回波，去除異常傳播，地物及海雜波等非氣象回波以及更準(zhǔn)確地估計降水和降雪，探測和預(yù)警冰雹區(qū)域[3]。雙偏振雷達(dá)是繼多普勒雷達(dá)技術(shù)后在中國全面推廣的天氣雷達(dá)探測技術(shù)[4]。2015年開始，國內(nèi)首批由CINRAD-SA雙偏振天氣雷達(dá)升級改造為雙偏振雷達(dá)的業(yè)務(wù)組網(wǎng)分別在廣東清遠(yuǎn)、廣州、韶關(guān)、陽江、梅州及福建廈門6個站點完成，并于2016年左右開始業(yè)務(wù)運行。CINRAD-SA雙偏振天氣雷達(dá)進(jìn)行雙偏振技術(shù)升級改造后，大大提高了廣東災(zāi)害性天氣監(jiān)測能力和預(yù)報水平。

國內(nèi)對雙偏振天氣雷達(dá)的研究主要針對X波段和C波段，而S波段波長更長、衰減更小，在探測強降水等強對流天氣時具有明顯的優(yōu)勢[5-6]。國內(nèi)對于雙偏振雷達(dá)的研究大都是針對雙偏振雷達(dá)特征量產(chǎn)品的應(yīng)用分析[7]，或者利用雙偏振雷達(dá)做定量降水估測[8]，或者是關(guān)于雙偏振差分反射率標(biāo)定的測量分析[9-10]。從基層保障人員的角度而言，需要更加迫切的掌握雙偏振天氣雷達(dá)在硬件、標(biāo)定及故障診斷方面與傳統(tǒng)天氣雷達(dá)的區(qū)別，從而更加有利于雙偏振雷達(dá)的運行保障。

1 CINRAD-SAD雙偏振雷達(dá)工作模式及標(biāo)定流程

CINRAD-SAD雙偏振天氣雷達(dá)具有交替模式和雙發(fā)雙收2種雙偏振工作體制，目前國內(nèi)大都采用雙發(fā)雙收模式，工程上比較容易實現(xiàn)，其工作流程如圖1所示。工作時能夠同時發(fā)射水平極化波和垂直極化波，亦可同時接收水平極化波和垂直極化波。發(fā)射時，發(fā)射機(jī)輸出的高頻功率平均進(jìn)入水平發(fā)射通道和垂直發(fā)射通道，接收時，回波信號經(jīng)過水平接收通道和垂直接收通道，經(jīng)雙通道送入WRSP(數(shù)字中頻)和信號處理器。CINRAD-SAD雙偏振天氣雷達(dá)采用接收機(jī)在室內(nèi)的體制結(jié)構(gòu)，優(yōu)點在于使整個接收機(jī)位于恒溫恒濕機(jī)房內(nèi)，雙通道一致性的外部環(huán)境得以保證，雙通道接收系統(tǒng)處于同一電磁環(huán)境下，同時維護(hù)測試更加方便；缺點在于增加了饋源到接收機(jī)的波導(dǎo)長度，靈敏度稍有損失，但通過雙通道信噪比實時估計算法保證了弱回波探測能力。

在標(biāo)定方面，CINRAD-SAD雙偏振雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)存在較大不同。圖1中，信號源1指的是KD、RFD、CW、NOISE信號，經(jīng)測試通道和功分器后進(jìn)入主通道，最終返回WRSP和信號處理器，其中以頻率源為信號源做動態(tài)標(biāo)定的結(jié)果存儲于calibration文件中CW_ZDR、CW_PDP記錄值。信號源2是指在天線罩內(nèi)俯仰關(guān)節(jié)之上的新增標(biāo)定信號源，雷達(dá)控制軟件在體掃開始和PPI間隔發(fā)送標(biāo)定信號開和標(biāo)定信號關(guān)的指令，測試信號經(jīng)功分器后由定向耦合器注入，經(jīng)過俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、環(huán)形器后，經(jīng)接收支路返回WRSP和信號處理器，其標(biāo)定結(jié)果存儲于calibration文件中TS_ZDR、TS_PDP的記錄值。

本文基于CINRAD-SAD雙偏振天氣雷達(dá)結(jié)構(gòu)總結(jié)的接收機(jī)故障診斷技巧，利用2個在線標(biāo)校信號源的標(biāo)定結(jié)果，結(jié)合太陽標(biāo)定和動態(tài)范圍測試，解決了接收機(jī)主通道與測試通道的故障隔離和主通道的分段隔離2類常見接收機(jī)問題。

2 CINRAD-SAD相對于CINRAD-SA的硬件改動

整體而言，雙偏振雷達(dá)的發(fā)射機(jī)改動甚少，主要硬件改動(圖2)體現(xiàn)在以下幾個方面: ①原來的單通道接收變?yōu)殡p通道接收，雙通道擁有獨立的接收機(jī)保護(hù)器、低噪聲放大器、預(yù)選濾波器、混頻器以及中頻濾波器。②為綜合考慮天線罩溫度帶來的噪聲影響，CINRAD-SAD雙偏振雷達(dá)將原來的接收機(jī)前端器件放置于雷達(dá)機(jī)房內(nèi)，相噪得以改善，同時也方便進(jìn)行維護(hù)測試和故障診斷。③原接收機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換,數(shù)字變頻組合,RDA計算機(jī)的HSPA、HSPB以及轉(zhuǎn)接板全部取消，統(tǒng)一采用WRSP(數(shù)字中頻)和信號處理器代替，最后在時鐘盒4A51的控制下將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)處理終端。④在天線座俯仰關(guān)節(jié)上增加一個在線的信號源對雙路接收機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。受信號處理器控制，每個體掃的每個仰角都會標(biāo)定，這個機(jī)外信號源與接收機(jī)內(nèi)的頻綜信號源相比，可對整個接收機(jī)全鏈路進(jìn)行標(biāo)定(包含關(guān)節(jié)部分)，對關(guān)節(jié)是否異常進(jìn)行檢查。

圖1 CINRAD-SAD雙偏振雷達(dá)工作模式及標(biāo)定流程

圖2 CINRAD-SAD偏振雷達(dá)雙接收通道

3 雙偏振雷達(dá)故障診斷方法

CINRAD-SAD雙偏振雷達(dá)與原單偏振相比，發(fā)射機(jī)基本無變化，其診斷方法與原來基本一致，診斷方法的區(qū)別主要在于接收通道，接收通道包括主通道和測試通道。對于單偏振雷達(dá)，判斷接收機(jī)通道組件的故障基本靠儀表監(jiān)測，功率計是檢修接收機(jī)時使用率最高的儀表，用功率計逐一排查接收通道各組件直至找出原因，但效率極低，并且對于雙偏振雷達(dá)，雙通道接收機(jī)極容易因為反復(fù)的拆卸使雙通道增益發(fā)生變化進(jìn)而產(chǎn)生附加故障，如雙通道幅度不一致。因此雙偏振雷達(dá)接收通道的診斷應(yīng)更加注重技巧。本文采用的方法是在利用雙信號源判斷故障的基礎(chǔ)上，結(jié)合雙通道動態(tài)法和太陽法進(jìn)行綜合研判:①動態(tài)法,一般由頻綜J3輸出CW連續(xù)波信號，通過測試通道在接收機(jī)保護(hù)器輸入端注入接收機(jī)主通道。動態(tài)法是定位接收機(jī)故障簡單而又非常有用的方法，一般采用分步隔離測試以逐步縮小故障范圍。②太陽法,用太陽做輻射源，產(chǎn)生的回波信號經(jīng)過全部接收通道，可判斷全接收鏈路的工作情況。本文采用的雙信號源診斷方法，分別指的是信號源1發(fā)出的CW-ZDR和信號源2發(fā)出的TS-ZDR信號(圖1)。其中，信號源1發(fā)出的CW-ZDR信號，主要用于標(biāo)校接收通道(主通道和測試通道)的穩(wěn)定性；信號源2發(fā)出的TS-ZDR信號則可以標(biāo)校俯仰、方位2個關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和雙接收主通道的穩(wěn)定性。

3.1 “雙信號源+動態(tài)法”隔離主通道與測試通道

CINRAD-SAD型雙偏振天氣雷達(dá)新增標(biāo)校信號源2，可監(jiān)測旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對偏振參數(shù)的影響，并有利于對接收主通道和測試通道故障的隔離判斷(圖3)。對于雙偏振雷達(dá)，判別接收機(jī)故障仍然首先做動態(tài)標(biāo)定，若動態(tài)異常，可分為2種情況：①通過分析TS-ZDR日志判斷標(biāo)校信號源2是否正常，正常則故障鎖定在測試通道；確定故障通道后，采用從后向前的逐級測試方法。先測量后級輸出，若正常，則前級器件不用測量。但當(dāng)查出組件輸出異常時并不一定是該器件本身問題，還有可能是該器件的電源、控制信號、射頻線纜及接觸問題，這一步在排查故障中容易被疏忽。②TS-ZDR值異常，則標(biāo)校信號2異常，此時先檢查主通道，主通道正常再檢查測試通道。

圖3 “雙信號源+動態(tài)法”隔離主通道與測試通道

3.2 “雙信號源+太陽法”分段隔離主通道

信號源1標(biāo)定數(shù)據(jù)CW-ZDR、CW-PDP正常，信號源2標(biāo)定數(shù)據(jù)TS-ZDR、TS-PDP異常，說明問題出現(xiàn)在信號源2到環(huán)形器這一段。再結(jié)合太陽法就可進(jìn)一步分段定位故障(圖4):①太陽法正常，則信號源2、功分器、線纜出現(xiàn)問題。②太陽法不正常，應(yīng)先檢查從定向耦合器到環(huán)形器，無問題再檢查信號源2到定向耦合器。

圖4 “雙信號源+太陽法”分段隔離主通道

綜上，對CINRAD-SAD雙偏振雷達(dá)接收機(jī)故障，其分析流程應(yīng)該是：TS-ZDR正常，CW-ZDR異常，故障在測試通道；TS-ZDR異常，CW-ZDR正常，TS-ZDR信號源問題或信號源2到環(huán)形器問題；CW-ZDR和TS-ZDR都不正常，接收機(jī)主通道問題；CW-ZDR和TS-ZDR都正常，太陽法輸出異常信號，則故障在定向耦合器到天線段。測試通道和主通道故障各自的診斷方法可依據(jù)圖2接收通道的關(guān)鍵測試點，用功率計進(jìn)行逐級排查。

3.3 實例分析

故障現(xiàn)象:2017年7月4日00:24強雷暴過境廣東陽江雷達(dá)站，1.5°低仰角反射率強度達(dá)到57 dBz。隨后雷達(dá)出現(xiàn)接收機(jī)通道噪聲報警，雷達(dá)并未因此停機(jī)，仍舊可以運轉(zhuǎn)，但雷達(dá)回波受到干擾，反射率回波異常，動態(tài)測試顯示異常(圖5)。

本次故障所涉及相關(guān)報警信息如表1所示。

故障分析與處理:接收機(jī)故障首先做動態(tài)范圍標(biāo)定(圖5b)，測試顯示接收機(jī)底噪過高，H、V雙通道底噪由正常時的-81 dB突增到-66 dB和-72 dB左右。由于在雷達(dá)體掃過程中出現(xiàn)噪聲報警，考慮到體掃過程中測試通道并未打開，因此該噪聲報警與測試通道無關(guān)，應(yīng)由主通道故障導(dǎo)致。采用“雙信號源+太陽法”分段隔離主通道的方法，通過分析calibration日志文件中的CW-ZDR、CW-PDP、TS-ZDR和TS-PDP，信號源1標(biāo)定正常，信號源2標(biāo)定異常，說明問題出現(xiàn)在信號源2到環(huán)形器這一段，結(jié)合太陽法測試正常，因此可判定為信號源2到定向耦合器這一段出現(xiàn)問題。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)標(biāo)校信號源2故障，更換后開機(jī)重新進(jìn)行標(biāo)定，雷達(dá)恢復(fù)正常。

圖5 2017年7月4日00:24強雷暴過境廣東陽江雷達(dá)站故障:(a)反射率因子異常,(b)動態(tài)測試異常

表1 2017年7月4日00:24強雷暴過境廣東陽江雷達(dá)站CINRAD-SAD雙偏振雷達(dá)信號源故障報警信息

信號源2為雷達(dá)大修升級雙偏振時的新增器件，保護(hù)措施不夠完善，當(dāng)晚雷達(dá)站上空強雷暴過境，機(jī)外信號源受雷擊導(dǎo)致信號源里的開關(guān)損壞，無法完全關(guān)斷，因此造成在體掃過程中有信號泄漏進(jìn)入接收機(jī)主通道，進(jìn)而產(chǎn)生干擾，造成底噪抬高，回波異常。廠家重新設(shè)計信號源并完善保護(hù)設(shè)施，問題得以解決。

4 結(jié)論與討論

由于接收機(jī)系統(tǒng)故障的排查涉及到小信號，如果射頻線纜稍有接觸不良便會產(chǎn)生噪聲電平和通道增益的較大波動，因此接收機(jī)系統(tǒng)的故障排查是比較復(fù)雜的?；谄窭走_(dá)同時存在2個在線標(biāo)校信號源的原因，合理加強對這兩個信號源與動態(tài)標(biāo)定、太陽法標(biāo)定的結(jié)合使用，對于診斷偏振雷達(dá)的故障點非常有幫助。

CINRAD-SAD型雙偏振天氣雷達(dá)新增標(biāo)校信號源2，多了1個故障點，但解決了該型號雷達(dá)體制本身的缺陷問題，即旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對偏振參數(shù)的影響，并能夠提供快捷診斷接收機(jī)故障的手段。2個標(biāo)定信號源形成互補，可以避免因標(biāo)定信號本身的問題帶來的誤差修訂。

廣東省雙偏振雷達(dá)為國內(nèi)首批現(xiàn)場升級改造項目，項目改造初期，在安裝流程、施工工藝、線路設(shè)計等方面存在些許不足，這在后續(xù)的雙偏振改造升級中逐步得到解決。同時雙偏振雷達(dá)接收機(jī)的故障形式和處理過程與單偏振雷達(dá)有明顯不同，作為基層雷達(dá)保障人員，更需要注重積累和總結(jié)雙偏振天氣雷達(dá)的故障案例。