速調(diào)管頻率特性導(dǎo)致的雷達(dá)回波偏弱故障診斷實例

趙 威，單寶玉，葉 勇

(1.新疆巴音郭楞蒙古自治州氣象局，庫爾勒 841000；2.中國人民解放軍69006部隊，烏魯木齊 830002；3.黑龍江省大氣探測技術(shù)保障中心，哈爾濱 150030)

0 引言

中國新一代天氣雷達(dá)布網(wǎng)逐漸完善，在短時臨近預(yù)報、局地強(qiáng)對流天氣預(yù)警、人工影響天氣和防災(zāi)減災(zāi)等方面發(fā)揮著不可替代的作用。與此同時，新一代天氣雷達(dá)技術(shù)保障工作的重要性也日益突顯，對保障人員診斷和處理雷達(dá)故障的時效性要求越來越高。及時歸納和總結(jié)雷達(dá)故障處理的方法、經(jīng)驗，是提高雷達(dá)理論水平、維修實踐能力的重要途徑。雷達(dá)回波偏弱作為新一代天氣雷達(dá)比較典型的故障，國內(nèi)相關(guān)研究領(lǐng)域有很多寶貴的技術(shù)經(jīng)驗總結(jié)，但這些文章對由速調(diào)管自身工作特性導(dǎo)致的回波偏弱故障的分析少有涉及。文章討論的庫爾勒新一代天氣雷達(dá)(CINRAD/CC)回波偏弱故障處理包括信號流程的簡要介紹、相關(guān)分系統(tǒng)導(dǎo)致回波偏弱故障的分析和診斷，通過逐步測試、分析、排查，發(fā)現(xiàn)因速調(diào)管自身工作特性導(dǎo)致雷達(dá)回波嚴(yán)重偏弱的現(xiàn)象，并對其成因進(jìn)行了理論分析[1-3]。

1 雷達(dá)信號流程

庫爾勒CINRAD/CC雷達(dá)于2015年4月更換了新速調(diào)管，經(jīng)過1 a多的運行，預(yù)報員根據(jù)以往觀測經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)庫爾勒站雷達(dá)回波強(qiáng)度明顯偏弱。因沒有嚴(yán)格意義上的對比環(huán)境條件，初步判斷偏弱在10 dB左右，回波強(qiáng)度的不準(zhǔn)確嚴(yán)重影響了預(yù)報員對雷達(dá)回波的分析判斷及預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)。

雷達(dá)回波偏弱故障涉及的雷達(dá)分系統(tǒng)較多，包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天饋分機(jī)和伺服分機(jī)，其信號包括兩路：一路是發(fā)射信號；一路是接收信號。兩路信號出現(xiàn)問題都可能造成回波偏弱故障。

2 故障分析和診斷思路

雷達(dá)回波偏弱故障主要從3個方面來分析：一是發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射功率下降導(dǎo)致回波減弱；二是接收系統(tǒng)提供給發(fā)射機(jī)的激勵信號功率下降，及接收通道性能變差，增益下降引起的回波變?nèi)?；三是天饋系統(tǒng)損耗變大時未進(jìn)行饋線參數(shù)修正補(bǔ)償引起的回波變?nèi)?。此外，天線俯仰標(biāo)定誤差也可能導(dǎo)致回波偏弱。

2.1 發(fā)射系統(tǒng)

1)查看速調(diào)管功率是否下降。

CINRAD/CC雷達(dá)速調(diào)管正常使用壽命為8000 h，目前各臺站的使用通常能超過10，000 h。當(dāng)速調(diào)管的使用時間超過8000 h，需定期對雷達(dá)發(fā)射機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行檢查測試，測試內(nèi)容包括：

①用功率計測試?yán)走_(dá)發(fā)射功率是否滿足≥250 kW要求；

②用示波器和磁環(huán)感應(yīng)器測試速調(diào)管收集極的電流幅值是否滿足≥14 V的要求，通過波形判斷速調(diào)管是否老化，是否需做出相應(yīng)的調(diào)整或更換；

③在速調(diào)管有老化跡象但不能馬上更換的情況下，查看人工線(PFN)、燈絲、固態(tài)激勵放大器等可調(diào)諧器件是否還存在可調(diào)諧的空間，調(diào)諧前后的各電位器位置一定要記住，一旦調(diào)諧到滿足指標(biāo)，后期需密切關(guān)注速調(diào)管運行狀態(tài)。

2)查看發(fā)射脈沖信號是否產(chǎn)生寬度或嵌套位置的變化。

首先看發(fā)射窄脈沖寬度是否滿足0.9～1.1 μs的技術(shù)指標(biāo)；其次看發(fā)射脈沖信號與收集極電流嵌套是否在最佳位置。經(jīng)過長時間運行，由于溫度變化、設(shè)備老化等原因使激勵源分機(jī)中控制激勵信號的電位器電位產(chǎn)生漂移、失效，從而會導(dǎo)致發(fā)射脈沖信號的脈沖寬度和位置發(fā)生改變，導(dǎo)致速調(diào)管不能達(dá)到最佳的功率輸出。

3)查看發(fā)射脈沖的頻譜、改善因子是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求；查看固態(tài)激勵放大器輸出的激勵信號的功率幅值是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2 接收系統(tǒng)

1)利用頻譜儀測試激勵源分機(jī)的激勵信號功率幅值是否≥27 dBm、改善因子是否≥52 dBm；

2)利用機(jī)外、機(jī)內(nèi)噪聲源對接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，噪聲系數(shù)是接收通道輸入信噪比與輸出信噪比的比值，檢查噪聲系數(shù)是否異常，從而判斷設(shè)備前端工作狀態(tài)是否正常；

3)設(shè)置信號源、頻譜儀參數(shù)，實測接收機(jī)回波口至中頻輸出的通道增益是否滿足≥27 dBm的技術(shù)指標(biāo)要求；

4)設(shè)置信號源參數(shù)，查看機(jī)外、機(jī)內(nèi)特性曲線特征是否一致，DDS信號源接收動態(tài)范圍是否滿足≥85 dBm的技術(shù)指標(biāo)要求。

此外，還要檢查接收系統(tǒng)的各種電纜連接是否正常。

2.3 天饋系統(tǒng)

天饋系統(tǒng)主要是查看天饋的損耗是否有變化。天饋系統(tǒng)的損耗在現(xiàn)場架設(shè)、調(diào)試后通常不會產(chǎn)生明顯變化，但部分旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)會因長時間運轉(zhuǎn)產(chǎn)生磨損、變形、機(jī)械損壞而發(fā)生波導(dǎo)系統(tǒng)漏氣。天饋系統(tǒng)處于室外環(huán)境，溫濕因素還會造成波導(dǎo)內(nèi)部受潮生銹，這些變化都會使饋線損耗增加，如果沒有進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，就會導(dǎo)致回波減弱。主要從以下方面進(jìn)行檢查：

1)檢查天饋系統(tǒng)的各型波導(dǎo)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是否存在漏氣的現(xiàn)象；

3)測量天饋系統(tǒng)收發(fā)支路損耗值，確認(rèn)是否與雷達(dá)監(jiān)控終端配置參數(shù)中的總損耗值一致。

2.4 天伺系統(tǒng)

檢查天線座是否水平、天線俯仰標(biāo)定是否準(zhǔn)確。天線水平超差、俯仰標(biāo)定誤差都可能導(dǎo)致回波偏弱。

3 故障排查和處理過程

根據(jù)故障原因確定診斷思路，文章對故障涉及到的各分系統(tǒng)或分機(jī)進(jìn)行逐一排查。

3.1 發(fā)射系統(tǒng)檢查

1)查看速調(diào)管工作狀態(tài)。該速調(diào)管高壓工作時間未超過8000 h，利用示波器查看磁環(huán)(電磁互感器)耦合出來的速調(diào)管收集極電流的幅值在15 V左右，且未出現(xiàn)明顯老化跡象，說明速調(diào)管目前狀態(tài)是正常的。

2)是檢查發(fā)射脈沖寬度。利用示波器檢波檢測發(fā)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射窄脈沖為0.87 μs，低于0.9～1.1 μs指標(biāo)要求。通過調(diào)整激勵源分機(jī)時序控制盒中的R10電位器來調(diào)整IF激勵信號窄脈沖寬度，將窄脈沖寬度調(diào)至1.007 μs，通過調(diào)整時序控制盒中的R9電位器調(diào)整IF激勵信號時序(位置)，將IF激勵信號嵌套在中頻IF調(diào)制脈沖信號中，保證輸出效果最佳。

3)測試發(fā)射功率。對離速調(diào)管輸出端最近的定向耦合器發(fā)射耦合口進(jìn)行測量，設(shè)置功率計中心工作頻率為5490 MHz，Offset為76 dB。其中耦合器耦合度為耦合器上臨時標(biāo)注的52.5 dB，衰減器為20 dB，測試線纜損耗3.5 dB，共計76 dB。測試重頻600 Hz、900 Hz、1000 Hz下的發(fā)射機(jī)輸出功率，均為118 kW，無法滿足250 kW的技術(shù)指標(biāo)要求。

4)分析發(fā)射機(jī)頻譜。利用頻譜儀查看發(fā)射機(jī)輸入、輸出端改善因子(速調(diào)管前后)，并與2016年春季巡檢的結(jié)果進(jìn)行對比，由此可知故障在其他分系統(tǒng)中。

運用思維地圖進(jìn)行教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生形成清晰思路的一種方法，但不是唯一方法。沒有一種教學(xué)方法是萬能的，教師在課堂上需要根據(jù)實際情況，把這種方法與其他教學(xué)方法搭配使用，在不斷嘗試的過程中探索出效果最佳的教學(xué)路徑。思維地圖在課堂上展現(xiàn)的是教師講解知識的思路，把本來孤立零散的知識通過圖示方式實現(xiàn)具體化，更有效激發(fā)學(xué)生的思維，加強(qiáng)思考和不斷聯(lián)系，讓學(xué)生快速抓住重點，并不斷向外延伸。

3.2 天饋系統(tǒng)檢查

文章對天饋系統(tǒng)所涉及的波導(dǎo)、彎波導(dǎo)、波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行檢查，并未發(fā)現(xiàn)漏氣和內(nèi)部生銹現(xiàn)象。業(yè)務(wù)人員對該站雷達(dá)收發(fā)支路總損耗進(jìn)行了測試，測量值為-14.6 dBm，考慮2根測試線纜的損耗6.8 dBm以及諧波濾波器1.56 dB的損耗，實際收發(fā)支路損耗為6.24 dB。雷達(dá)監(jiān)控終端軟件配置菜單中饋線損耗參數(shù)為5.15 dB，將該參數(shù)現(xiàn)場修正為實際測試的6.24 dB。

對饋線損耗進(jìn)行修正后，從雷達(dá)終端觀察雷達(dá)地物回波還是偏弱，說明故障點在接收系統(tǒng)。

3.3 接收系統(tǒng)檢查

首先對接收通道增益進(jìn)行測試。用信號源從射頻接收分機(jī)回波口注入頻率為5490 MHz，功率為-40 dBm信號(此處已考慮測試線纜的損耗)，用頻譜儀在射頻接收分機(jī)中頻輸出口對60 MHz中頻信號進(jìn)行測試，得出功率為-11.40 dBm，所以通道增益為：-11.4-(-40)=28.6 dBm。該測試值滿足≥27 dBm的技術(shù)指標(biāo)要求，說明接收通道增益是正常的。

其次檢測激勵源發(fā)出的激勵信號改善因子和功率幅值是否滿足技術(shù)指標(biāo)，實測結(jié)果見表1。

表1 激勵源出RF極限改善因子測試結(jié)果

表1中，實測改善因子遠(yuǎn)小于52 dB，激勵信號測試值為-8.07 dBm，該值加上20 dB的衰減器和3.5 dB的測試線纜損耗，最后得出激勵源發(fā)出的信號功率幅值為14.93 dBm，14.93 dBm遠(yuǎn)小于27 dBm的技術(shù)指標(biāo)要求。因此，故障點在接收系統(tǒng)頻率源分機(jī)及其前端。

為確定故障點具體位置，先對激勵中頻調(diào)制出信號的功率幅值和S/N信號進(jìn)行測試。實測中頻IF功率幅值為-2.91 dBm，激勵中頻調(diào)制出信號S/N信號值為75～76 dB。

上述兩項數(shù)值均滿足技術(shù)指標(biāo)要求，說明激勵中頻部分沒有問題，故障點應(yīng)該在射頻調(diào)制部分，可能是IF激勵信號時序(位置)偏移或RF射頻輸出出現(xiàn)故障導(dǎo)致。

3.4 測試用器件檢查

經(jīng)過對發(fā)射系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、接收系統(tǒng)的檢查、測試和更換器件調(diào)整后，發(fā)現(xiàn)接收系統(tǒng)輸出的激勵信號的功率幅值17.98 dBm比正常指標(biāo)幅值低10 dB左右，正常激勵信號功率幅值應(yīng)該≥27 dBm。

重新對發(fā)射功率進(jìn)行測試，發(fā)射功率在70 kW左右，用前后耦合口，雷達(dá)仍達(dá)不到正常指標(biāo)，較功率放大模塊更換前的118 kW下降了近50 kW。

為了排查原因，業(yè)務(wù)人員利用信號源和頻譜儀對在測試功率中所使用到的定向耦合器、衰減器、測試線纜等器件損耗進(jìn)行測試確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)衰減器耦合度雖然出廠標(biāo)注為20 dB，但實際衰減度為29.98 dB，誤差近10 dB。該誤差嚴(yán)重影響故障的判斷和定位。補(bǔ)償該誤差后，激勵源輸出的激勵信號功率幅值滿足技術(shù)指標(biāo)。

業(yè)務(wù)人員還利用信號源和頻譜儀對定向耦合器的耦合度進(jìn)行了現(xiàn)場實測，發(fā)現(xiàn)定向耦合器上臨時標(biāo)注的耦合度值52.5 dB是一個錯誤值，實測換算后的耦合度值為45.29 dB。

在確認(rèn)了雷達(dá)激勵信號、雷達(dá)通道增益、雷達(dá)發(fā)射耦合口耦合度和衰減器均正常的前提下，再次進(jìn)行發(fā)射功率測量。在功率計中重新設(shè)置耦合度Offset的值，同時在調(diào)整脈沖寬度后對功率計中占空比Duty進(jìn)行重新設(shè)置，確保測量設(shè)置準(zhǔn)確后，實測發(fā)射機(jī)功率依然很小，只有75 kW，該測量值遠(yuǎn)小于250 kW的技術(shù)指標(biāo)要求。

3.5 速調(diào)管工作特性導(dǎo)致故障及處理措施

經(jīng)過上述排查，故障點定位到速調(diào)管。該速調(diào)管為中電科12所研制的VE1141A型C波段速調(diào)管，工作帶寬100 MHz，有5個工作頻點(5410 MHz、5430 MHz、5450 MHz、5470 MHz、5490 MHz)。通過人工設(shè)置接收機(jī)頻率源分機(jī)面板頻率，改變速調(diào)管的工作頻點。對不同頻點的發(fā)射功率輸出進(jìn)行測量，得到該速調(diào)管在等激勵輸入情況下，工作頻率與輸出功率之間的關(guān)系，見表2和圖1。

表2 等激勵輸出功率實測與計算值

圖1 等激勵功率-頻率特性

從表2和圖1可以看出，該速調(diào)管最佳工作頻點是5470 MHz，輸出功率為82.20 dBm；而5490 MHz工作頻點，輸出功率為73.21 dBm，較其他工作頻點輸出功率下降8 dBm左右，是輸出功率最低的頻點。通過調(diào)整發(fā)射系統(tǒng)固態(tài)激勵放大器的電位器，查看5490 MHz工作頻點功率幅值無變化，無法進(jìn)一步提高輸出功率。該速調(diào)管在工作頻點5490 MHz時的輸出功率增益無法達(dá)到其設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)要求。這種因速調(diào)管頻率特性而引起的某頻點功率不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象在雷達(dá)維修實踐中較為罕見。

從理論上分析原因，按照速調(diào)管設(shè)計要求，其等激勵效率頻率特性應(yīng)該是相對平坦的，但由于群聚段諧振腔外部Q值，頻率分布的微小差異和電子槍導(dǎo)流系數(shù)及輸出段阻抗特性的不重復(fù)性，經(jīng)常會造成等激勵效率頻率特性的不平坦。

業(yè)務(wù)人員應(yīng)該采取的措施是更換頻率特性不滿足要求的速調(diào)管或在速調(diào)管前端插入一個具有一定衰減特性的梳線帶通濾波器進(jìn)行補(bǔ)償。但在維修現(xiàn)場臨時將該速調(diào)管工作頻率切換為5470 MHz。在5470 MHz頻率點上，測試發(fā)射機(jī)輸出功率滿足≥250 kW的技術(shù)指標(biāo)；發(fā)射機(jī)輸出端改善因子為50.78 dB(1000 Hz)和51 dB(600 Hz)，均滿足大于49 dB的技術(shù)指標(biāo)要求；觀察雷達(dá)地物回波強(qiáng)度已明顯增強(qiáng)，對比該站幾年前雷達(dá)地物回波，回波強(qiáng)度趨于一致。故障的根本原因已查明，通過臨時更換頻點暫時排除故障。

4 結(jié)束語

通過該故障的排查，了解到新一代天氣雷達(dá)回波偏弱是綜合性故障，該故障的診斷和排查涉及到雷達(dá)的多個子系統(tǒng)或分機(jī)。因此技術(shù)保障人員應(yīng)充分熟知雷達(dá)各部分信號流程，熟悉故障可能涉及的各個部件的測試點的技術(shù)指標(biāo)、測試方法，熟練使用各類測試設(shè)備。因速調(diào)管工作特性導(dǎo)致的雷達(dá)回波偏弱的故障現(xiàn)象較為罕見，這就要求保障人員不但能進(jìn)行常規(guī)的測試維修和判斷，還能對特殊的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析處理。

在維修測試實踐中，定向耦合器、衰減器、測試線纜等器件的損耗要進(jìn)行現(xiàn)場實測確認(rèn)，以防因這些器件標(biāo)識的不準(zhǔn)確而導(dǎo)致誤判，從而影響故障處理進(jìn)度。維修過程中還要仔細(xì)檢查同軸線纜的連接，防止因為同軸線纜老化導(dǎo)致接觸不良、接頭開裂、虛焊等情況發(fā)生，造成信號衰減。

在進(jìn)行雷達(dá)臺站速調(diào)管更換時，技術(shù)保障部門應(yīng)該對更換后的速調(diào)管工作狀態(tài)、頻率特性進(jìn)行現(xiàn)場實測，確認(rèn)速調(diào)管處于良好的工作狀態(tài)和頻率特性，以滿足技術(shù)指標(biāo)要求。