CINRAD／CC 天氣雷達(dá)一次發(fā)射系統(tǒng)故障實(shí)例分析

黎 霖，舒 斌，鄭 芬，王順江

（1.文山壯族苗族自治州氣象局，云南 文山 663009；2.云南省大氣探測技術(shù)保障中心，云南 昆明 650034）

隨著科技的不斷進(jìn)步和現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展的需要，新一代天氣雷達(dá)已經(jīng)逐漸成為天氣預(yù)報(bào)預(yù)警中不可或缺的重要工具，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。我國氣象部門在全國范圍許多區(qū)域均布設(shè)了新一代天氣雷達(dá)，新一代天氣雷達(dá)成為重要的綜合氣象探測系統(tǒng)裝備。

文山壯族苗族自治州氣象局當(dāng)前使用的新一代天氣雷達(dá)為大修升級(jí)后的CINRAD/CC 型單偏振全相參脈沖多普勒天氣雷達(dá)，大修升級(jí)后的CINRAD/CC 天氣雷達(dá)能夠大幅提升氣象要素以及天氣現(xiàn)象探測資料的完整性及準(zhǔn)確性，為熱帶氣旋、暴雨、龍卷、冰雹、雷暴等復(fù)雜天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警以及人工影響天氣工作的開展，提供了特別有效的數(shù)據(jù)參考。

CINRAD/CC 天氣雷達(dá)探測的精準(zhǔn)性和運(yùn)行穩(wěn)定性，得益于升級(jí)后雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)的控制電路模塊。相對(duì)上一代天氣雷達(dá)，新一代CINRAD/CC 天氣雷達(dá)的結(jié)構(gòu)更加精細(xì)集成化、參數(shù)顯示可視化更高、模塊與終端更加精密，在使用和維護(hù)方面更科學(xué)合理，故障發(fā)生率更低，得到越來越多的區(qū)域布網(wǎng)投入使用[1]。

2022 年，新一代CINRAD/CC 天氣雷達(dá)出現(xiàn)了一次較為典型的發(fā)射系統(tǒng)故障，現(xiàn)對(duì)此次典型的發(fā)射系統(tǒng)故障進(jìn)行分析研究。

1 新一代CINRAD／CC天氣雷達(dá)工作原理及故障背景

1.1 工作原理

新一代CINRAD/CC 天氣雷達(dá)發(fā)射水平極化電磁波，并接收從氣象目標(biāo)散射的電磁波以發(fā)現(xiàn)氣象目標(biāo)，同時(shí)測定空氣中的氣象目標(biāo)的距離、方位和仰角。通過發(fā)射系統(tǒng)的主振動(dòng)放大，由接收機(jī)提供調(diào)制后射頻信號(hào)以作激勵(lì)，而射頻發(fā)射脈沖是通過調(diào)制器控制射頻功率放大器（速調(diào)管）形成的。該天氣雷達(dá)由晶體振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的單頻連續(xù)波，同時(shí)方波脈沖由晶體震蕩信號(hào)通過各種轉(zhuǎn)換，例如分頻、倍頻、整形后得到，再通過方波脈沖調(diào)制，前后重復(fù)周期的相續(xù)射頻發(fā)射脈沖之間具有確定的相位關(guān)系，因此，相射脈沖信號(hào)具有相位相參性。

氣象目標(biāo)的回波信號(hào)相對(duì)于在接收的時(shí)限段內(nèi)對(duì)發(fā)射的載波脈沖調(diào)頻和調(diào)幅，氣象目標(biāo)粒子在徑向運(yùn)動(dòng)過程中相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的散射過程中也發(fā)生了頻率調(diào)制。

雷達(dá)的脈沖信號(hào)在探測到氣象目標(biāo)時(shí)，發(fā)射脈沖信號(hào)的載波頻率為f0，它接收到的回波脈沖信號(hào)的頻率為f0+fd，其中fd為多普勒頻率，與目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向運(yùn)動(dòng)速度Vr以及雷達(dá)發(fā)射脈沖信號(hào)的波長λ 有關(guān)。即

因此，當(dāng)脈沖多普勒天氣雷達(dá)探測氣象目標(biāo)時(shí)，某一時(shí)刻的回波信號(hào)是由有效照射體所有降水粒子的回波合成的。由于降水粒子的大小、運(yùn)動(dòng)速度和方向各不相同，這就意味著通過對(duì)兩個(gè)接收通道的幅度和相位進(jìn)行處理，可以獲得多差分反射率因子、差分傳播相移、相關(guān)系數(shù)等偏振參數(shù)，進(jìn)而演算出多普勒雷達(dá)回波信號(hào)包含了強(qiáng)度、速度和普寬等信息。

然而，相對(duì)應(yīng)探測的數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)則需要雷達(dá)的各個(gè)分系統(tǒng)來運(yùn)算。雷達(dá)系統(tǒng)包括：發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)與顯示分系統(tǒng)等9 個(gè)分系統(tǒng)。

接收分系統(tǒng)輸出頻率遙控可改變C 波段射頻激勵(lì)信號(hào)，射頻激勵(lì)信號(hào)送入發(fā)射分系統(tǒng)后，先進(jìn)行整形放大再送入速調(diào)管，輸出峰值功率＞250 kW的射頻脈沖信號(hào)，經(jīng)過饋線到達(dá)天線向控件定向輻射。天線定向輻射的電磁波遇到云、雨等降水目標(biāo)時(shí)，便會(huì)發(fā)生后向散射，形成氣象目標(biāo)的射頻回波信號(hào)被天線接收。

監(jiān)控分系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)總線的分布式監(jiān)控設(shè)計(jì)，自動(dòng)檢測、搜集雷達(dá)各個(gè)分系統(tǒng)的故障信息、工作參數(shù)以及回波數(shù)據(jù)，并送往數(shù)據(jù)處理與顯示分系統(tǒng)。

1.2 故障背景

新一代CINRAD/CC 天氣雷達(dá)出現(xiàn)的這次典型發(fā)射系統(tǒng)故障，主要呈現(xiàn)出無法正常顯示雷達(dá)回波強(qiáng)度、無法加載高壓、KLY 溫度異常，監(jiān)控分系統(tǒng)顯示多模塊故障等現(xiàn)象。

因此，處理本次故障通過圍繞接收系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行排查處理。

在排查故障過程中，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)故障同時(shí)爆發(fā)出現(xiàn)在監(jiān)控系統(tǒng)的情況，無形當(dāng)中給解決故障問題增加了一定難度和干擾。

2 故障過程

雷達(dá)強(qiáng)度回波出現(xiàn)跳線狀況轉(zhuǎn)移。等待一個(gè)完整體掃結(jié)束，停止雷達(dá)運(yùn)行。查看雷達(dá)狀態(tài)模塊的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)參數(shù)數(shù)據(jù)均無跳變現(xiàn)象。點(diǎn)擊“復(fù)位”，重啟雷達(dá)體掃模式。在啟動(dòng)雷達(dá)運(yùn)行后，出現(xiàn)雷達(dá)伺服系統(tǒng)的方位和仰角在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，卻沒有正常顯示強(qiáng)度回波[2]。

停止體掃，退出高壓運(yùn)行查看雷達(dá)狀態(tài)模塊，雷達(dá)功率271.0 kW（≥250 kW 正常），其余參數(shù)正常。遠(yuǎn)程關(guān)閉接收機(jī)，30 s 后重新啟動(dòng)（曾用此方法處理過回波跳線現(xiàn)象的問題），仍然無雷達(dá)回波呈現(xiàn)。

退出、重啟雷達(dá)維護(hù)終端軟件系統(tǒng)，雷達(dá)處于退出高壓保持在“準(zhǔn)加”狀態(tài)。查看雷達(dá)狀態(tài)，雷達(dá)不顯示發(fā)射功率，無法加載高壓。

對(duì)雷達(dá)進(jìn)行自動(dòng)強(qiáng)度標(biāo)校AutoTest，不能正常完成標(biāo)校動(dòng)作，標(biāo)校結(jié)果均不合格。標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器出現(xiàn)“KLY 溫度異?！钡膱?bào)警信息，雷達(dá)狀態(tài)模塊也同時(shí)出現(xiàn)該信息，同時(shí)雷達(dá)狀態(tài)文件明顯出現(xiàn)“發(fā)射系統(tǒng)”的報(bào)警信息，點(diǎn)擊發(fā)射分系統(tǒng)，更具體的出現(xiàn)“泵鈦故障”[3]。

3 故障處理過程

到雷達(dá)機(jī)上查看控制面板顯示屏界面上的各參數(shù)，除了發(fā)射功率值外，其余參數(shù)讀值基本達(dá)標(biāo)。發(fā)射系統(tǒng)指示燈、負(fù)載指示燈出現(xiàn)“故障”狀態(tài)，而接收機(jī)指示燈顯示“正?！睜顟B(tài)，初步判斷是發(fā)射系統(tǒng)的問題。

根據(jù)故障現(xiàn)象和雷達(dá)狀態(tài)模塊的報(bào)警信息綜合分析，分析得出雷達(dá)速調(diào)管是最可能出現(xiàn)問題的。拆下速調(diào)管散熱風(fēng)機(jī)風(fēng)管，速調(diào)管收集極處裝有一個(gè)溫度維電器，該維電器為斷開狀態(tài)；檢查排風(fēng)口通風(fēng)情況為正常通風(fēng)狀態(tài)，判斷可能是收集極溫度過高引起雷達(dá)發(fā)射機(jī)報(bào)“KLY 溫度異?！惫收稀?/p>

檢測發(fā)射機(jī)速調(diào)管外接測試口測試發(fā)射機(jī)功率，1 μs 發(fā)射功率為正常值268.0 kW，測試收集極電流均到正常值，基本排除是發(fā)射機(jī)速調(diào)管的問題。

檢查監(jiān)控板，沒有發(fā)現(xiàn)有被擊穿或損壞的現(xiàn)象，監(jiān)控板工作正常。

排查波導(dǎo)控制開關(guān)。發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)開關(guān)處于加載負(fù)載狀態(tài)，調(diào)試加高壓，無波導(dǎo)開關(guān)無斷開/閉合的切換動(dòng)作反應(yīng)。重新啟動(dòng)本地負(fù)載電源開關(guān)，波導(dǎo)開關(guān)仍然處于負(fù)載的狀態(tài)，當(dāng)再切換負(fù)載時(shí)，波導(dǎo)開關(guān)能順利閉合，可實(shí)現(xiàn)切換負(fù)載指令動(dòng)作。通過排查基本可以斷定此次故障是由于波導(dǎo)開關(guān)觸發(fā)信號(hào)引起的。

重啟雷達(dá)終端控制軟件，設(shè)置雷達(dá)參數(shù)，復(fù)位并加載高壓，查看雷達(dá)狀態(tài)模塊，各個(gè)雷達(dá)參數(shù)正常，報(bào)警信息停止，標(biāo)準(zhǔn)輸出控制器報(bào)警信息停止。啟動(dòng)體掃模式Ⅱ，顯示強(qiáng)度回波正常，雷達(dá)正常運(yùn)行。

4 故障分析

4.1 鈦泵故障

當(dāng)鈦泵電源輸出欠壓或過流時(shí)，發(fā)射系統(tǒng)會(huì)報(bào)出鈦泵故障。鈦泵欠壓是由于鈦泵電源的輸出能力下降，當(dāng)其輸出電壓低于所要求的電壓時(shí)，會(huì)報(bào)出故障；當(dāng)速調(diào)管的真空度下降時(shí)，對(duì)于鈦泵電源而言相當(dāng)于負(fù)載由輕載變?yōu)橹剌d，此時(shí)鈦泵電源所處的整個(gè)回路中電流會(huì)變大，當(dāng)回路中的電流超過閾值時(shí)，就會(huì)報(bào)出故障。

因此，當(dāng)出現(xiàn)鈦泵故障時(shí)，需要判斷是欠壓故障還是過流故障導(dǎo)致的。鈦泵欠壓對(duì)應(yīng)的故障器件是鈦泵電源，過流故障則對(duì)應(yīng)的是速調(diào)管真空度故障。

檢查時(shí)，可通過斷開鈦泵電源與其負(fù)載（速調(diào)管的鈦泵）之間的連接，使鈦泵處于空載狀態(tài)下再進(jìn)行通電，觀察鈦泵是否還報(bào)故障。若鈦泵還報(bào)故障，說明是鈦泵欠壓故障，因?yàn)榇藭r(shí)的鈦泵電源處于空載狀態(tài)，沒有負(fù)載，不構(gòu)成回路，沒有電流就不會(huì)有過流故障。

然而，在空載狀態(tài)下，鈦泵電源不報(bào)故障，說明速調(diào)管的真空度下降，此時(shí)應(yīng)排查速調(diào)管是否漏氣，雷達(dá)的工作環(huán)境是否過于潮濕[4]。

4.2 終端不顯示發(fā)射功率數(shù)值

圖1 為速調(diào)管工作示意圖。

圖1 速調(diào)管工作示意圖

由圖1 可知，若要速調(diào)管正常工作，需要滿足3 個(gè)條件：一是大小合適的激勵(lì)信號(hào)；二是幅值符合速調(diào)管要求的陰極調(diào)制脈沖；三是激勵(lì)信號(hào)與陰極調(diào)制脈沖在時(shí)間關(guān)系上相嵌套。

因此，檢查速調(diào)管的工作狀態(tài)分3 個(gè)步驟進(jìn)行：首先是檢查速調(diào)管的輸入激勵(lì)信號(hào)；其次是檢查速調(diào)管的陰極調(diào)制脈沖（通過觀察速調(diào)管收集極電流大小實(shí)現(xiàn)）；最后是檢查速調(diào)管的激勵(lì)信號(hào)與陰極調(diào)制脈沖的嵌套關(guān)系。

速調(diào)管的激勵(lì)信號(hào)是由來自接收機(jī)的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)發(fā)射功放放大后，送至速調(diào)管的激勵(lì)入端口的。而發(fā)射功放需要在激勵(lì)信號(hào)、+15 V 直流電源和門套信號(hào)的共同作用下才能正常工作。當(dāng)發(fā)射功放前面板的指示燈為綠燈常亮?xí)r，表示+15 V 直流電源供電正常，確定供電正常后再測量來自接收機(jī)的激勵(lì)信號(hào)和門套信號(hào)。圖2 為激勵(lì)信號(hào)和門套信號(hào)測量示意圖。

圖2 激勵(lì)信號(hào)和門套信號(hào)測量示意圖

由圖2 可知，來自接收機(jī)的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)檢波器連接，信號(hào)被送至示波器的通道1；門套信號(hào)用示波器探頭進(jìn)行測量，信號(hào)被送至示波器通道2。示波器通道1 測量到的信號(hào)為一個(gè)脈沖信號(hào)，示波器通道2 測量到的信號(hào)為一個(gè)脈沖信號(hào)，兩路脈沖信號(hào)在時(shí)間關(guān)系上為嵌套關(guān)系。若其中一路信號(hào)異常或沒有嵌套上，則發(fā)射功放無法正常工作。

在功放供電正常、激勵(lì)信號(hào)和門套信號(hào)均正常的情況下，對(duì)發(fā)射功放的輸出進(jìn)行測量。圖3 為發(fā)射功放的輸出進(jìn)行測量圖。

圖3 發(fā)射功放的輸出進(jìn)行測量圖

由圖3 可知，按上圖順序進(jìn)行發(fā)射功放連接時(shí)，示波器應(yīng)該能夠測量到一個(gè)脈沖信號(hào)，否則，發(fā)射功放很有可能發(fā)生故障。

確定發(fā)射功放的數(shù)據(jù)正確輸出后，同時(shí)對(duì)速調(diào)管的激勵(lì)信號(hào)（即發(fā)射功放的輸出）和陰極調(diào)制脈沖進(jìn)行測量。一是可以通過觀察收集極電流的大小，判斷陰極電壓是否已經(jīng)加到合適的幅值；二是可以判斷激勵(lì)信號(hào)和陰極調(diào)制脈沖兩者之間在時(shí)間關(guān)系上是否嵌套。由于速調(diào)管的陰極是在脈沖變壓器中，無法直接對(duì)其進(jìn)行測量，因此采用測量收集極電流的方式進(jìn)行間接測量[5]。圖4 為測試收集極電流示意圖。

圖4 測試收集極電流示意圖

由圖4 可知，示波器通道1 測量到的應(yīng)該為一個(gè)脈沖信號(hào)，示波器通道2 測量到的應(yīng)該是一個(gè)幅值在1 600～1 700 mV 之間的脈沖信號(hào)。兩者的嵌套關(guān)系見圖5。

圖5 收集極電流波形圖

確認(rèn)所測波形數(shù)值和位置關(guān)系均正確無誤后，速調(diào)管應(yīng)該可以正常工作，此時(shí)用功率計(jì)對(duì)饋線中相應(yīng)的耦合器端口進(jìn)行測量，以確認(rèn)速調(diào)管是否有輸出[6]。

在整個(gè)饋線系統(tǒng)中，波導(dǎo)開關(guān)的前端和后端均有一個(gè)波導(dǎo)耦合器。依次對(duì)波導(dǎo)開關(guān)前端的耦合器I 和耦合器II 進(jìn)行測量。圖6 為耦合器I 進(jìn)行測量示意圖。圖7 為耦合器II 進(jìn)行測量示意圖。

圖6 耦合器I 進(jìn)行測量示意圖

圖7 耦合器II 進(jìn)行測量示意圖

由圖6、圖7 可知，從耦合器I 和耦合器II 測量到的峰值功率值都應(yīng)≥250 kW。如果從耦合器I測量到的峰值功率值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于250 kW，則表示速調(diào)管的放大能力可能已經(jīng)下降；若從耦合器I 測量到的峰值功率正常，但從耦合器II 測量到的峰值功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于250 kW，則表示很有可能是波導(dǎo)開關(guān)故障。

5 結(jié)論

掌握基本的發(fā)射機(jī)原理知識(shí)和信號(hào)流程，遵循正確診斷原則和正確診斷流程，充分利用各種狀態(tài)信息和報(bào)警信息，熟練使用儀表測量各測試點(diǎn)信號(hào)，可以快速找到發(fā)射機(jī)故障。

此次查找故障之前，雖然查看到負(fù)載顯示為故障狀態(tài)，但是查找工作的方向重點(diǎn)放到了排查速調(diào)管方面。因此，查找波導(dǎo)開關(guān)與負(fù)載故障的方法，處理波導(dǎo)導(dǎo)通，是解決在狀態(tài)信息中報(bào)泵鈦故障，且無發(fā)射功率顯示狀況這類問題的一個(gè)有效可行的辦法。

當(dāng)發(fā)射系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障，遠(yuǎn)程控制無效時(shí)，可通過本地控制顯示屏進(jìn)行雷達(dá)發(fā)射機(jī)本地的操作命令、控制命令以及設(shè)置發(fā)射機(jī)各種參數(shù)。如果在高壓開啟時(shí)出現(xiàn)故障，該故障檢測電路能夠控制發(fā)射機(jī)立即關(guān)閉高壓，確保人身安全、速調(diào)管安全以及其他設(shè)備的安全。

在查找發(fā)生波導(dǎo)開關(guān)故障的原因時(shí)，復(fù)盤操控雷達(dá)軟件的整個(gè)過程動(dòng)作需符合技術(shù)規(guī)范的要求。波導(dǎo)開關(guān)在沒有受到損壞的情況下，后期能持續(xù)長時(shí)間正常工作。

在此次故障中，僅在查看UPS 電池組的事件記錄中發(fā)現(xiàn)，在雷達(dá)重啟運(yùn)行的同一時(shí)間段出現(xiàn)“負(fù)載過載”的記錄，這是否與產(chǎn)生波導(dǎo)開關(guān)故障直接關(guān)聯(lián)，目前尚無法求證，需要進(jìn)一步排查發(fā)射機(jī)內(nèi)部供電線路的安全隱患，關(guān)注發(fā)射機(jī)內(nèi)部供電線路安全。