CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)間隔性缺測原因分析研究

溫顯罡 劉佳明 李 樂

(1.福建省龍巖市新羅區(qū)氣象局 福建龍巖 364000；2. 福建省龍巖市氣象局 福建龍巖 364000)

0 引言

風(fēng)廓線雷達(dá)WPR(Wind Profile Radar)是我國氣象部門近年才配備的現(xiàn)代化探測設(shè)備，它采用微波輻射遙感技術(shù)，應(yīng)用多普勒原理對大氣進(jìn)行探測，能夠不間斷地提供探測高度范圍內(nèi)的大氣水平風(fēng)場、垂直氣流、大氣虛溫以及大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素隨高度的分布。龍巖風(fēng)廓線雷達(dá)為CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)，它能連續(xù)提供150m～6km探測高度范圍內(nèi)的大氣水平風(fēng)場、垂直氣流和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素隨高度的分布，還能連續(xù)獲取探測地域的大氣折射結(jié)構(gòu)波動(dòng)和湍流起伏等氣象信息[1]。該風(fēng)廓線雷達(dá)的穩(wěn)定運(yùn)行可以加強(qiáng)對當(dāng)?shù)馗鞣N中小尺度災(zāi)害天氣系統(tǒng)等提供準(zhǔn)確的大氣風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)、輻合、輻散等氣象綜合信息，大大提高局部性災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警水平，對提高閩西山區(qū)局地天氣預(yù)測預(yù)報(bào)能力具有重要意義。因此，做好風(fēng)廓線雷達(dá)的運(yùn)行維護(hù)保障，確保觀測數(shù)據(jù)的完整性也是至關(guān)重要。但該雷達(dá)在剛安裝試運(yùn)行的前期，每運(yùn)行一段時(shí)間(12～15天)就會(huì)停止探測，這樣對設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定率、數(shù)據(jù)可用率和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量都帶來較大影響，從而影響到觀測質(zhì)量考核。據(jù)了解，有部分該型號(hào)的風(fēng)廓線雷達(dá)也會(huì)出現(xiàn)此類問題。

1 工作原理

CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)是以大氣湍流為探測目標(biāo)的晴空探測脈沖多普勒雷達(dá)。按邏輯功能由有源相控陣天線分系統(tǒng)(以下簡稱天線分系統(tǒng))、接收分系統(tǒng)、頻綜分系統(tǒng)、信號(hào)處理分系統(tǒng)(即主控機(jī))、數(shù)據(jù)終端分系統(tǒng)(即終端機(jī))、監(jiān)控分系統(tǒng)、標(biāo)定分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)工作時(shí)，首先由主控計(jì)算機(jī)按照設(shè)定的工作模式控制頻綜產(chǎn)生高頻探測脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)發(fā)射機(jī)放大后，經(jīng)環(huán)行器由天饋系統(tǒng)輻射出去。按照Bragg散射原理，電磁波在空間傳播過程中遇到尺度為其波長一半的大氣湍流后將會(huì)產(chǎn)生最大后向散射，一部分電磁波能量將會(huì)反射到風(fēng)廓線雷達(dá)的天線處，天線接收到回波信號(hào)后經(jīng)收發(fā)模塊中的低噪聲放大輸出到高頻接收系統(tǒng)中，高頻接收系統(tǒng)對回波進(jìn)行混頻、濾波和中頻放大，再以60MHz中頻信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)字化中頻接收機(jī)，在數(shù)字化中頻接收機(jī)中進(jìn)行濾波、放大和混頻并進(jìn)行取樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字正交相檢、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)抽取。在信號(hào)處理器中對回波信號(hào)進(jìn)行視頻積累、脈沖壓縮、去直流、加窗處理、譜分析(FFT)和譜積累后形成湍流回波信號(hào)的功率譜。該功率譜再通過計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行零譜去除、半屏面對消和干擾譜剔除，并根據(jù)噪聲功率電平形成自適應(yīng)信號(hào)檢測門限，進(jìn)行風(fēng)譜信號(hào)提取和風(fēng)譜信號(hào)的估值，求出風(fēng)譜質(zhì)心，計(jì)算出相應(yīng)的徑向速度，并在計(jì)算機(jī)的控制下，分別得到其它天線指向上的徑向風(fēng)速值[2](詳見圖2)。在進(jìn)行多次同樣的探測后得到多組對應(yīng)不同波束的徑向風(fēng)速，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)和質(zhì)量控制后，進(jìn)行野值剔除，最后根據(jù)幾何關(guān)系和相關(guān)計(jì)算方程式計(jì)算出各高度層上的風(fēng)速、風(fēng)向[3]。

圖2 CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)工作原理框圖

2 故障現(xiàn)象分析

龍巖風(fēng)廓線雷達(dá)于2019年1月22日建成并開始試運(yùn)行，試運(yùn)行的前期每運(yùn)行一段時(shí)間(12～15天)就會(huì)停止探測，導(dǎo)致探測數(shù)據(jù)無生成。從圖3可以看出，2020年12月14日18時(shí)30分的探測數(shù)據(jù)文件生成上傳后，從18時(shí)36分開始便無探測數(shù)據(jù)文件生成，19時(shí)26分后經(jīng)人工重啟風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件后才會(huì)恢復(fù)探測，19時(shí)30分開始才有探測數(shù)據(jù)文件生成上傳；接著就是12天后的12月26日19時(shí)42分開始的停止探測，2021年1月7日20時(shí)48分開始的停止探測和1月19日21時(shí)48分開始的停止探測。每當(dāng)遇到這狀況時(shí)，都需人工在風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件重新建立主控機(jī)與數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)的連接或重啟風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件后才會(huì)恢復(fù)探測。

圖3 故障現(xiàn)象圖

3 故障分析排查

3.1 風(fēng)廓線雷達(dá)的功能

CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)按邏輯功能由有源相控陣天線分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、頻綜分系統(tǒng)、信號(hào)處理分系統(tǒng)(主控機(jī))、數(shù)據(jù)終端分系統(tǒng)(數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī))、監(jiān)控分系統(tǒng)、標(biāo)定分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)等組成。CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)工作時(shí)，首先由主控機(jī)按照設(shè)置的工作模式控制相關(guān)分系統(tǒng)進(jìn)行探測和信號(hào)處理后得到湍流回波信號(hào)的功率譜，傳給數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)，再由數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)處理得到各高度層上的風(fēng)速和風(fēng)向。主控機(jī)與數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)(直連)連接，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，傳輸控制命令、探測參數(shù)和探測數(shù)據(jù)。

3.2 風(fēng)廓線雷達(dá)軟件的功能

風(fēng)廓線雷達(dá)控制軟件安裝在雷達(dá)系統(tǒng)的主控工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(主控機(jī))上，是設(shè)備的專用軟件，用來完成對該設(shè)備的系統(tǒng)運(yùn)行控制和探測數(shù)據(jù)的錄取處理任務(wù)。它實(shí)現(xiàn)了對該設(shè)備的參數(shù)設(shè)置、工作過程控制、風(fēng)信號(hào)處理、原始數(shù)據(jù)錄取、在線監(jiān)測、系統(tǒng)標(biāo)定、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)管理以及后端遙控等功能，是保證系統(tǒng)運(yùn)行的重要組成部分。

風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件安裝在一臺(tái)通用PC機(jī)(數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī))上，用于完成該設(shè)備的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和歷史數(shù)據(jù)瀏覽等任務(wù)，它實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)的遠(yuǎn)端控制、參數(shù)設(shè)置、在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理和保存、文檔管理、處理結(jié)果顯示和查詢等功能。

CFL風(fēng)廓線FTP程序是用于上傳探測數(shù)據(jù)到指定FTP服務(wù)器上程序，程序可自動(dòng)監(jiān)視風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件生成的探測數(shù)據(jù)文件并上傳。

3.3 引起故障的可能原因

根據(jù)CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)的工作原理，引起此故障的原因可能有：

1)雷達(dá)設(shè)備問題；

2)主控機(jī)及軟件問題；

3)數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)及軟件問題；

4)主控機(jī)與數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接問題；

5)主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)硬件配置偏低問題。

3.4 處理故障的具體措施

3.4.1 前期排查

風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)生故障時(shí)，最基本的判斷設(shè)備故障的方法是觀察后端機(jī)是否有風(fēng)廓線合成，如果沒有，則觀察前端機(jī)是否有譜線生成，如果前端機(jī)有譜線生成，則說明只是前后端機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)故障或軟件故障；如果前端機(jī)沒有譜線生成，則可以采用以下方法進(jìn)行故障判斷：

1)觀察后端機(jī)風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件“監(jiān)測信息”項(xiàng)中的指示燈顏色，綠色表示正常，紅色表示對應(yīng)的指示項(xiàng)目有故障；

2)觀察預(yù)放組合，正常工作時(shí)“直流電源”常亮，射頻輸入和射頻輸出指示燈間隔一定時(shí)間亮或者滅，其余指示燈均常滅。如果“過占空比”、“駐波”、“溫度”等指示燈亮，則表示該功能故障；

3)觀察監(jiān)控組合，正常工作時(shí)“加電”指示燈為常亮；“-12V”、“+12V”、“+5V”的指示燈為常亮，“運(yùn)行”指示燈間隔一定時(shí)間就閃爍；

4)觀察接收機(jī)組合，正常工作時(shí)“加電”指示燈為常亮；“電源”、“接收機(jī)”“晶振”、“標(biāo)頻”和“本振”等指示燈均為常亮，在波束轉(zhuǎn)換時(shí)，“發(fā)射”指示燈閃爍；

5)觀察波控組合，正常工作時(shí)“加電”指示燈為常亮。

如果設(shè)備產(chǎn)生故障，通過后端機(jī)上風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的“監(jiān)測信息”界面和組合面板上的指示燈，基本上就可以對設(shè)備故障定位。為了解決“間隔性中斷觀測”問題，首先利用前人的一些研究經(jīng)驗(yàn)利用理論分析、觀察和測試等步驟排查了是否為雷達(dá)設(shè)備問題[4-8]。由于風(fēng)廓線雷達(dá)設(shè)備基本采用模塊化、固態(tài)化設(shè)計(jì)，在確定了雷達(dá)設(shè)備本身無故障并確定主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)無錯(cuò)誤提示后，利用替換法對故障進(jìn)一步排查：

1)在系統(tǒng)正常的情況下分別重裝了風(fēng)廓線軟件；

2)分別更換了主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)；

3)更換了連接主控機(jī)與數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)的網(wǎng)線；

4)同時(shí)更換了主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)。

3.4.2 后期排查和處理

若常見問題都排查了，仍未解決問題?？紤]到主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)也許會(huì)像地面觀測業(yè)務(wù)機(jī)一樣需要定期重啟，然后利用每周一次的地面周維護(hù)時(shí)間一起把主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)都重啟一下，因?yàn)槊恐芄潭ㄖ貑⒁淮?，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不再出現(xiàn)間隔性中斷觀測，即找到了原因。

因?yàn)槊恐貑⒁淮螘?huì)導(dǎo)致缺6min資料，為了更好地解決這問題減少重啟次數(shù)保證更完整的觀測時(shí)間，最后采用了升級(jí)更換主控機(jī)的辦法：把原來的處理器Pentium(R)Dual-Core CPU E5300@2.60GHz，內(nèi)存2.00GB的主控機(jī)，更換為處理器Intel(R) Pentium(R) CPU G2030@3.00GHz，內(nèi)存4.00GB的主控機(jī)?，F(xiàn)在，只要每月利用月維護(hù)時(shí)把主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)都重啟一下就可以把“間隔性中斷觀測”問題徹底決解。

4 排查方法與原因分析

由于風(fēng)廓線雷達(dá)設(shè)備基本采用模塊化、固態(tài)化設(shè)計(jì)，在遇到故障時(shí)，利用替換法對故障逐步排查是不錯(cuò)的選擇，所謂替換法，就是對某個(gè)被懷疑有可能發(fā)生故障的元器件或模塊使用正常的元器件或模塊進(jìn)行替換，從中找到故障的部位，及時(shí)排除故障的方法。在使用替換法時(shí)，要注意安全性原則，不要使故障范圍擴(kuò)大；也要本著由簡到繁，先易后難的原則。應(yīng)盡可能使用和原機(jī)參數(shù)相同的元器件，若沒有，可根據(jù)實(shí)際條件用跟原機(jī)參數(shù)相近或等級(jí)更高一些的元器件替換。

“間隔性中斷觀測”問題出在主控機(jī)上，對計(jì)算機(jī)性能影響比較大的硬件是處理器和內(nèi)存，計(jì)算機(jī)運(yùn)行久了會(huì)產(chǎn)生垃圾文件，緩存會(huì)被垃圾文件占用，各硬件也會(huì)發(fā)熱，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行變慢，特別是硬件配置較低的計(jì)算機(jī)，容易出現(xiàn)長時(shí)間超負(fù)荷工作情況，此時(shí)發(fā)熱量更大，甚至出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。為了保證計(jì)算機(jī)的性能和穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)該避免計(jì)算機(jī)長時(shí)間開機(jī)工作，當(dāng)遇工作需要必須長時(shí)間不間斷運(yùn)行時(shí)，可采用定期重啟計(jì)算機(jī)和升級(jí)計(jì)算機(jī)配置的方法得以解決。

5 結(jié)束語

通過對該故障的排查處理，得到關(guān)于間隔性中斷觀測問題，有以下經(jīng)驗(yàn)跟各位同仁討論，不足之處敬請批評(píng)指正。

1)引起間隔性中斷觀測的原因可能有：雷達(dá)設(shè)備問題，主控機(jī)及軟件問題，數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)及軟件問題，主控機(jī)與數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接問題和相關(guān)計(jì)算機(jī)配置較低的問題；

2)排查中斷觀測，可按照引起故障原因，利用理論分析、觀察、測試和替換法等步驟逐項(xiàng)排查；

3)計(jì)算機(jī)運(yùn)行久了會(huì)產(chǎn)生垃圾文件，緩存會(huì)被垃圾文件占用，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行變慢，當(dāng)計(jì)算機(jī)硬件配置較低時(shí)可能出現(xiàn)時(shí)序混亂的問題；可采用定期重啟計(jì)算機(jī)和升級(jí)計(jì)算機(jī)配置的方法得以解決。