CINRAD/SC天氣雷達(dá)體掃時(shí)間異常分析

鄒 紅，汪 俊，青娉楚

(1.四川省南充市氣象局，四川 南充 637000；2.四川省綿陽(yáng)市氣象局，四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引言

CINRAD/SC天氣雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)圓錐掃描模式(PPI)、體積掃描模式(VOL)和垂直掃描模式(RHI)，業(yè)務(wù)觀測(cè)以體掃模式為主。體掃模式可以分為降水模式(VCP11、VCP21)和晴空模式(VCP31、VCP32)。中國(guó)氣象局制定的《新一代天氣雷達(dá)觀測(cè)規(guī)定》對(duì)各體掃模式的掃描仰角和掃描時(shí)間進(jìn)行了明確定義。如果體掃周期時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則不能達(dá)到考核規(guī)定；如果時(shí)間過(guò)短，規(guī)定時(shí)間內(nèi)采集上傳的數(shù)據(jù)急劇增加，會(huì)給本地存儲(chǔ)和省級(jí)服務(wù)器造成巨大負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)傳輸擁塞，同時(shí)加快雷達(dá)伺服系統(tǒng)磨損，影響使用壽命。雷達(dá)觀測(cè)業(yè)務(wù)中，體掃時(shí)間故障以體掃時(shí)間變長(zhǎng)最為常見，本文將著重討論體掃超時(shí)故障。近幾年來(lái)，隨著雷達(dá)技術(shù)保障工作的開展，探討伺服系統(tǒng)維修方法的文獻(xiàn)已不少，但是針對(duì)體掃超時(shí)故障進(jìn)行系統(tǒng)全面分析的卻比較少見。本文從雷達(dá)伺服系統(tǒng)、信號(hào)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葞追矫鎸?duì)體掃時(shí)間異常進(jìn)行分析，對(duì)故障原因、故障排查和處理方法進(jìn)行深入分析，可以為維護(hù)人員快速排除體掃時(shí)間異常故障提供參考。

1 雷達(dá)體掃、數(shù)據(jù)處理及傳輸工作流程

圖1是雷達(dá)體掃進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、基數(shù)據(jù)生成、氣象產(chǎn)品生成并向省級(jí)服務(wù)器傳輸?shù)暮?jiǎn)單工作流程。雷達(dá)掃描方式由不同的體掃模式?jīng)Q定。體掃模式規(guī)定了雷達(dá)在一定的時(shí)間內(nèi)完成多少個(gè)不同仰角的PPI掃描。以本站雷達(dá)采用的VCP21模式為例，1個(gè)體掃周期要求在6 min內(nèi)完成9個(gè)仰角層的掃描(圖2)，1 h完成10個(gè)體掃數(shù)據(jù)的采集并上傳省局服務(wù)器。設(shè)定體掃模式后，雷達(dá)實(shí)時(shí)終端向數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)發(fā)出該體掃模式的第1個(gè)仰角指令，命令伺服系統(tǒng)將天線抬升(或降低)到該仰角層進(jìn)行PPI掃描。通過(guò)該仰角層360°方位掃描并完成規(guī)定的數(shù)據(jù)采樣后，采集計(jì)算機(jī)將向伺服系統(tǒng)發(fā)出指令，使天線抬升到該體掃模式的下一個(gè)仰角層進(jìn)行PPI掃描和數(shù)據(jù)采集。直到雷達(dá)完成該體掃模式的最后1個(gè)仰角層的掃描，實(shí)時(shí)終端計(jì)算機(jī)再次將該體掃模式的第1個(gè)仰角發(fā)送到數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，使雷達(dá)重新開始下一個(gè)體掃周期。

圖1 雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品生成及傳輸流程圖

圖2 雷達(dá)體掃模式示意圖(VCP21)

雷達(dá)天線將回波信號(hào)送到雷達(dá)接收機(jī)，經(jīng)過(guò)雷達(dá)信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣等處理得到雷達(dá)回波信號(hào)強(qiáng)度、速度和譜寬等基數(shù)據(jù)，并通過(guò)傳輸軟件將基數(shù)據(jù)向雷達(dá)產(chǎn)品終端(RPG)和省級(jí)服務(wù)器傳輸。RPG對(duì)基數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列算法反演得到組合反射率、垂直累計(jì)降水等幾十個(gè)氣象產(chǎn)品，并將生成的氣象產(chǎn)品向省級(jí)服務(wù)器傳輸。

在雷達(dá)體掃、數(shù)據(jù)處理和傳輸過(guò)程中，每個(gè)環(huán)節(jié)都有可能引起實(shí)際體掃時(shí)間的異常，從而影響雷達(dá)業(yè)務(wù)觀測(cè)。根據(jù)不同的故障現(xiàn)象和原因，將體掃時(shí)間異常分為2類：一是方位電機(jī)和俯仰電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，二是俯仰電機(jī)升降不及時(shí)。

2 方位與俯仰電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢原因

伺服系統(tǒng)的工作原理是主控單元給定天線的位置(輸入角碼)，通過(guò)伺服系統(tǒng)控制天線負(fù)載的位置，通過(guò)測(cè)量元件及角碼變換器獲得當(dāng)前角碼并與輸入角碼進(jìn)行比較，相符合時(shí)系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，不符合時(shí)即產(chǎn)生角碼誤差(±ΔD)。此誤差經(jīng)數(shù)模變換變成誤差電壓(±ΔU),再經(jīng)電壓放大及功率放大后，作用在執(zhí)行電機(jī)上，使其朝減小誤差的方向運(yùn)動(dòng)。因此負(fù)載就連續(xù)跟蹤運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3是伺服系統(tǒng)角碼跟蹤系統(tǒng)框架圖。

圖3 雷達(dá)伺服系統(tǒng)角碼跟蹤系統(tǒng)框架圖

方位電機(jī)和俯仰電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢引起的體掃時(shí)間延長(zhǎng)現(xiàn)象非常明顯，通過(guò)觀察很容易發(fā)現(xiàn)。方位電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢表現(xiàn)為天線在每一層仰角的掃描時(shí)間變長(zhǎng)。以VCP21模式為例，1個(gè)體掃周期要求在6 min內(nèi)完成9個(gè)仰角層的掃描，在俯仰升降正常情況下，如果單層仰角掃描時(shí)間超過(guò)36 s，就有可能導(dǎo)致體掃超時(shí)。同理，在方位電機(jī)轉(zhuǎn)速正常的情況下，俯仰電機(jī)變慢，相鄰仰角抬升或從最高層仰角降到最低層仰角的時(shí)間變長(zhǎng)，體掃時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)。如果方位電機(jī)和俯仰電機(jī)同時(shí)變慢，體掃時(shí)間延長(zhǎng)則更為明顯。

引起電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢的因素比較多，常見的有碳刷磨損嚴(yán)重、機(jī)械潤(rùn)滑油不足、電機(jī)測(cè)速信號(hào)線故障、伺服放大器增益(或阻尼)阻值不匹配、俯仰電機(jī)定位精度不夠而產(chǎn)生追擺等。解決電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢可以針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行逐項(xiàng)檢查，同時(shí)參考以下方法進(jìn)行解決。一是調(diào)節(jié)俯仰伺服放大器的RP5增益和RP8阻尼電阻，使天線俯仰速度和精度達(dá)到規(guī)定值即可解決追擺問(wèn)題。調(diào)節(jié)前先檢查 RP5和 RP8 2個(gè)電位器，正常時(shí)電位器中間腳接地電阻值分別為 RP5<4 kΩ，RP8<20 kΩ，如電位器損壞，就更換電位器，再調(diào)整RP5，順時(shí)針增大增益，逆時(shí)針減小增益，調(diào)整 RP8，順時(shí)針增大阻尼，逆時(shí)針減小阻尼。二是檢查俯仰同步電機(jī)是否出現(xiàn)故障。三是匯流環(huán)接觸不良，俯仰電平發(fā)生跳變引起仰角值不斷變化。四是調(diào)整雷達(dá)實(shí)時(shí)終端軟件的參數(shù)或伺服放大器RP6，可以在一定程度調(diào)節(jié)雷達(dá)天線方位和俯仰電機(jī)的轉(zhuǎn)速。若故障依舊存在， 再檢查方位和俯仰電機(jī)。

3 俯仰電機(jī)升降不及時(shí)

雷達(dá)做正常體掃時(shí)，在1個(gè)仰角層完成360°的PPI掃描，采集計(jì)算機(jī)向伺服系統(tǒng)發(fā)送下一仰角層的指令使天線升降。當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，天線可能停留在某一仰角層進(jìn)行超過(guò)1圈的掃描而不正常升降，使單層仰角掃描時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)定時(shí)間，導(dǎo)致體掃嚴(yán)重超時(shí)。方位電機(jī)轉(zhuǎn)速正常的情況下，雷達(dá)伺服系統(tǒng)故障、信號(hào)處理系統(tǒng)故障、網(wǎng)絡(luò)傳輸故障等都可能引起俯仰電機(jī)升降不及時(shí)，且具有一定的間接性，不易直觀發(fā)現(xiàn)。

3.1 伺服系統(tǒng)故障

引起天線不正常升降的伺服系統(tǒng)故障可以分為2類：一類是俯仰誤差電壓無(wú)輸出，另一類是俯仰誤差電壓有輸出。

俯仰誤差電壓無(wú)輸出，主要考慮俯仰伺服放大器故障和±15V電壓，仔細(xì)檢查伺服放大器的運(yùn)行是否正常，±15V保險(xiǎn)絲是否熔斷。

俯仰誤差電壓有輸出，直流驅(qū)動(dòng)電源也正常，而驅(qū)動(dòng)器無(wú)電壓輸出，天線也不會(huì)升降。如果出現(xiàn)這種現(xiàn)象，必須立即關(guān)掉驅(qū)動(dòng)電源，改為手控方式進(jìn)行檢查。重點(diǎn)檢查脈寬調(diào)制器有無(wú)三角波輸出，4路控制脈沖或方波輸出是否正常，4個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊N4、N5、N6、N7中直流20 V電源是否正常。在伺服分機(jī)柜后面有2根同芯電纜，分別傳輸方位(俯仰) 的誤差信號(hào)。在作定位控制時(shí)誤差電壓與角碼誤差的關(guān)系如圖4。通過(guò)控制軟件改變天線定位的命令角度，用萬(wàn)用表檢查俯仰控制信號(hào)電纜的誤差電壓變化，ΔU 和 Δθ 的變化關(guān)系滿足圖 4曲線，監(jiān)控分機(jī)俯仰驅(qū)動(dòng)單元的誤差電壓輸出關(guān)系發(fā)生變化，即需更換俯仰驅(qū)動(dòng)單元。同時(shí)，俯仰發(fā)送器同步機(jī)故障、方位角碼變換器故障也是導(dǎo)致俯仰升降不正常的重要原因。

圖4 定位控制曲線圖，橫坐標(biāo)角碼誤差 Δθ，縱坐標(biāo)誤差電壓 ΔU

3.2 信號(hào)處理系統(tǒng)故障

雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)于雷達(dá)在單層PPI掃描中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，處理完成后才會(huì)向計(jì)算機(jī)發(fā)出仰角升降指令。如果信號(hào)處理系統(tǒng)發(fā)生故障，處理能力下降或者不能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則會(huì)延后或停止發(fā)送仰角升降指令。

故障現(xiàn)象表現(xiàn)為雷達(dá)體掃時(shí)間突然變長(zhǎng)。觀察發(fā)現(xiàn)天線在1個(gè)仰角層要進(jìn)行2圈多掃描后才開始抬升到下一個(gè)仰角，雷達(dá)終端系統(tǒng)沒(méi)有報(bào)故障。將雷達(dá)停機(jī)進(jìn)行檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)故障，重新開機(jī)進(jìn)行體掃，起初幾個(gè)仰角雷達(dá)抬升正常，工作一段時(shí)間后故障現(xiàn)象重復(fù)。在排除其他故障后，懷疑信號(hào)處理器RVP8出現(xiàn)故障。仔細(xì)檢查RVP8，發(fā)現(xiàn)主板2個(gè)散熱風(fēng)扇損壞。分析認(rèn)為可能由于散熱故障，使得信號(hào)處理器CPU溫度升高，處理性能下降，導(dǎo)致單層仰角掃描超時(shí)。更換散熱風(fēng)扇后故障解決，體掃時(shí)間恢復(fù)正常。

3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸故障

網(wǎng)絡(luò)傳輸故障也是造成體掃時(shí)間異常的重要原因。根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集和傳輸工作流程分析，由于實(shí)時(shí)終端和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)采用網(wǎng)線連接，采集計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端計(jì)算機(jī)，終端計(jì)算機(jī)收到足量數(shù)據(jù)后向采集計(jì)算機(jī)發(fā)出仰角升降指令。如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷、數(shù)據(jù)掉包等傳輸故障，實(shí)時(shí)終端將無(wú)法及時(shí)向采集計(jì)算機(jī)發(fā)送俯仰升降指令，導(dǎo)致體掃時(shí)間延長(zhǎng)。

故障現(xiàn)象表現(xiàn)為終端出現(xiàn)掃描線振蕩掃描。對(duì)雷達(dá)程序進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)采集機(jī)程序發(fā)出的方位角碼與實(shí)時(shí)控制程序接收的方位角碼不一致，存在振蕩，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)上存在有重復(fù)給實(shí)時(shí)控制程序發(fā)送命令，判斷為網(wǎng)絡(luò)故障，斷開寬帶網(wǎng)絡(luò)后體掃恢復(fù)正常。

3.4 方位電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快

方位電機(jī)轉(zhuǎn)速變快一般會(huì)使體掃時(shí)間明顯變短，規(guī)定時(shí)間內(nèi)采集的體掃數(shù)據(jù)增加。但是，當(dāng)天線轉(zhuǎn)速進(jìn)一步加快，體掃時(shí)間反而可能會(huì)變長(zhǎng)，這是一類很難發(fā)現(xiàn)的故障。

為了保證雷達(dá)滿足測(cè)速精度，在每個(gè)仰角層做PPI掃描時(shí)，必須達(dá)到一定數(shù)目的數(shù)據(jù)采樣。采樣脈沖數(shù)目由雷達(dá)波速寬度、脈沖重復(fù)頻率和天線掃描速率決定：

式中：為采樣脈沖數(shù),為雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率,3為雷達(dá)天線波束寬度,為天線掃描速率。對(duì)特定的觀測(cè)模式來(lái)講，雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率和天線波束寬度3是常數(shù)。因此，采樣脈沖數(shù)與天線掃描速度成反比。當(dāng)天線轉(zhuǎn)速過(guò)快，雷達(dá)在某一仰角采樣數(shù)目不能達(dá)到要求時(shí)，采集計(jì)算機(jī)便不會(huì)向伺服系統(tǒng)發(fā)送俯仰升降指令，天線將留在該仰角層繼續(xù)做PPI掃描，直到采樣數(shù)目達(dá)到要求。這將使天線停留在該仰角執(zhí)行超過(guò)1圈(甚至2圈以上)掃描，導(dǎo)致體掃嚴(yán)重超時(shí)，同時(shí)還會(huì)加速伺服系統(tǒng)磨損。

通過(guò)上述分析可知，引起俯仰電機(jī)升降不及時(shí)因素很多，具有較強(qiáng)的隱蔽性，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的機(jī)務(wù)人員很容易忽略，需要根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行具體分析，逐一排查原因。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)故障現(xiàn)象將體掃時(shí)間異常分為2類進(jìn)行分析：一是方位電機(jī)和俯仰電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，二是俯仰電機(jī)升降不及時(shí)。出現(xiàn)第二類故障，既有雷達(dá)伺服系統(tǒng)的直接原因，也有信號(hào)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乳g接原因。本文從雷達(dá)伺服系統(tǒng)、信號(hào)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葞追矫鎸?duì)體掃時(shí)間異常進(jìn)行分析，對(duì)故障原因、故障排查和處理方法進(jìn)行深入分析，并列舉了部分具體故障案例。通過(guò)本文的總結(jié)，為雷達(dá)機(jī)務(wù)人員進(jìn)行故障排查并及時(shí)處理提供參考。