氣象雷達原理及故障維護

摘要：氣象雷達是氣象監測的重要手段，主要用于飛機上探測氣象狀況以及變化趨勢，同時還能測量距離及方位等，為安全飛行提供保障。本文主要介紹了氣象雷達的作用、組成及工作原理，并通過一些常見的故障討論了排故的方法以及維護措施。

關鍵詞：氣象雷達 作用 維護

中圖分類號：TN959.5文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）7 （c）-0000-00

機載氣象雷達主要用來探測飛機前方航路上的氣象目標和其他一些目標的存在以及分布狀況，并將所探測目標的輪廓、雷雨區的強度、方位和距離等信息顯示在顯示器上。氣象雷達作為一項重要的機載設備，它對飛行安全起著不可忽視的作用，身為機務人，我們有責任深入的了解其構造及原理，以便在其出現故障時能快速準確的找出問題所在。

氣象雷達作用

氣象雷達主要用于探測氣象狀況以及變化趨勢。它是人們為防范氣象風險，保障飛行安全而研制的航空電子產品。它是利用電磁波經過天線輻射后遇到障礙物被反射回來的原理，目標的導電系數越高，反射面越大，則回波越強。它能夠在飛行中連續地向飛行員提供航路前方及其兩側的氣象狀況，此外還提供飛機前方地表特征的地圖型顯示，飛行員可據此選擇安全的航線，避繞危險的氣象區域或其它障礙物，識別地標以及判斷飛機的位置。

氣象雷達的組成

控制面板、顯示器、天線和收發機構成了氣象雷達主要部件。機載氣象雷達還需由垂直陀螺提供傾斜和俯仰穩定信號，傾斜和俯仰信號可以由單獨的垂直陀螺組建提供，也可由慣性基準系統提供。

在控制面板上可以選擇雷達的工作方式，顯示距離范圍，掃描區域，設置增益等各項功能。俯仰角控制開關可調節天線在±15°內的俯仰變化，以便天線在適當的角度進行掃描。增益控制開關可以調節接收器的靈敏度，接收器的自動（CAL位）靈敏度因雷達系統的不同而不同。穩定控制開關用于控制天線的穩定性，當飛機有俯仰、傾斜動作時，通過R/T提供的補償信號控制天線，使其保持在選定的俯仰位置。識別控制開關是為了消除地面的雜波，使得對目標的探測更為準確。

現在飛機的氣象雷達信息一般都顯示在EFIS而不再用單獨的雷達顯示器。除可顯示目標的強度及位置信息外，還可以顯示各種文字信息、輔助信息及系統狀態等。用不同的顏色直觀的表示出氣象信息的強弱，以極坐標的方式表示出探測的目標的距離及方位，通過距離標志圈可讀出其數值。

天線主要作用是輻射和接收回波，同時還要進行方位掃略與俯仰、傾斜穩定，氣象雷達天線組安裝于飛機前端的雷達罩內，天線的方向性越強，雷達的作用距離越遠，測向精度和分辨率也越高。雷達發射機所產生的脈沖射頻信號，由雷達天線匯聚成束后向空中某一方向輻射出去。雷達天線指向空間某一方向，而此時只有在這一方向的目標才會被雷達波束照射到，從而產生相應的回波信號而被雷達所探測，其他方位的目標，由于不可能被雷達信號照射到，所以在這一瞬間是不會產生回波。為了探測飛機航路前方及其左右兩側的氣象情況，氣象雷達天線在一定范圍內進行往復方位掃掠。通過天線的周期性方位掃掠，雷達就可以探測這一方位范圍內被波束所依次照射到的目標。

收發機是該系統的核心部件，發射機產生具有足夠功率的周期性的矩形脈沖射頻信號，而接收機則是提取所需的回波信號并將其轉換為數據傳輸給顯示器。雷達收發組總是安裝在靠近天線的位置，比如前設備艙或雷達罩內，以盡可能減少連接波導的長度。接收機和發射機是共用一部天線工作的，信號的發射與回波信號的接收交替進行。雷達發射機在極短時間中產生的功率強大的脈沖信號，通過天線輻射出去。在這短短的幾微秒內，雷達接收機的輸入端是關閉的，沒有與天線連通。當發射過程結束后，雷達便工作于接收狀態，此時天線與接收機輸入端相連接，不同距離處目標所產生的回波信號由天線接收而加至接收機進行復雜的處理。

工作原理

氣象雷達是通過目標對雷達波的反射來確定目標的位置和特性的。物體導電性好，對雷達波的反射能力越強，反射面積越大，反射能量越高，物體的幾何尺寸與波長相差很大時反射的能量變得非常微弱，而當反射面的直徑可與波長相比擬時，反射回來的能量會明顯升高。常用的雷達一般工作頻率為200～10000MHz，這主要取決于雷達的用途和性能，而且必須在國際電信聯盟所指定的頻段內，目前航空公司一般選用X波段的機載氣象雷達。

1.距離測定

氣象雷達發射的電磁波是以光速c在空中向前傳播，通過測量所接收到的目標回波信號與發射脈沖之間的時間間隔t，可以算出目標相對于飛機的距離L =ct/2。它的距離分辨力決定于脈沖的寬度，要提高區分近距離目標的能力，必須使用較窄的脈沖寬度。

2.方位測定

它是通過測定雷達天線波束軸的瞬時方位來確定目標方位的。雷達天線所形成的輻射波束是寬度很窄的圓錐形波束，當天線指向某一方位時只有該方位的目標回波才能被雷達所接收，把該信號的位置傳輸給顯示器，使回波圖像顯示在顯示器的相應方位，就可以確定目標的實際方位。雷達的方位分辨能力取決于天線水平面內的波束寬度，天線波束在水平面內的寬度越窄，其方位分辨力越好，為保障良好的方位分辨力，采用平板縫隙天線陣。

3.降水探測

雖然雨、冰雹和雪都屬于導電的水物質，氣象雷達可以探測雨滴或濕的冰雹，卻無法探測云、霧、干燥的冰雹、冰晶或雪。含水物質對于雷達發射的射頻脈沖能量有一部分被吸收、損耗和散射，其余都被有效的反射，只要在雷達監測的范圍內，且具有一定的直徑和密度的降雨區域均能產生有效的回波，從而被氣象雷達檢測出來。反射回的信號強弱與目標含水量有關，接收器接收到信號就可分析目標的性質和強弱，并在顯示器是用不同的顏色表示。

4.湍流檢測

湍流是指在一定的空域中急速且多變的運動氣流，它會使進入其中的飛機產生顛簸甚至對飛機結構造成破壞。暴雨區域常伴有湍流，其危害不言而喻。對湍流的檢測是基于多普勒原理實現的，多普勒頻移與相對速度的偏差成正比f=2v/λ。接收機將所接收到的信號的多普勒頻譜寬度與規定的門限值作比較，如果大于規定值，就判斷目標是湍流并給出警告信息。需要特別注意的是干燥的湍流是無法被探測和顯示的。

5.風切變檢測

風切變是指在一個較小的區域內，風向和風速突然發生改變。風切變是導致飛行事故的重要因素，特別是低空風切變對飛機起飛和著陸安全威脅巨大，不僅能使飛機航跡偏離，而且會破壞飛機的穩定性。切變檢測方法和湍流基本相同，雷達根據風切變區域產生的回波的多普勒頻移的頻譜特征來實現前視風切變檢測的。

氣象雷達并不能保證檢測出所有的危險天氣區域，所以決不能把雷達的顯示圖像作為危險氣象和地形的依據，對于探測出的危險應選擇避讓而不是穿越那些區域。在選擇探測范圍時不應過小，那會使飛機進入盲區而無法感知危險，同時距離過近也會造成沒有安全距離來避開已臨近的惡劣氣象，從而發生危險。

工作方式

氣象雷達的工作方式需通過控制面板選擇，有以下幾種：

1.氣象方式（WX）：這是其基本工作方式，用于探測飛機前方的氣象信息及障礙物的平面顯示圖。用不同顏色代表降雨的密度：黑色代表強度最低，隨著密度的逐漸增加分別用綠色，琥珀色，紅色紫色來表示。

2.氣象+湍流方式（WX+T）：這是其典型的工作方式，可同時探測航路中的氣象信息和湍流，并在屏幕中以洋紅色顯示湍流區域。

3.湍流方式（TURB）：屏幕只顯示湍流區域。

4.地圖方式（MAP）：用于觀察飛機前下方的地表特征，可提醒機組注意地面目標引起的危險，比如小山等快速變化的地形。這是利用不同地形對電波反射回波的差異，可顯示出山峰、河流、海岸線或城市等地形輪廓。在此模式下，黑色代表水，綠色代表地面，琥珀色代表城市和山區。天線角度設置過低，會引入過多地面雜波，進行俯仰調節，有專門的抑制雜波開關。

5.輪廓方式（CYC）：工作情況與氣象方式基本相同，屏幕上的紅色圖像將會以每秒一次的間隔閃爍，而這種方式不是所有型號的氣象雷達都配備。

6.OFF模式：此模式下，氣象雷達系統被關閉。

自檢功能

雷達故障自動檢測系統是為了對雷達快速、準確、隔離故障到可更換單元（LRU），以便快速維修，達到降低雷達修復時間的目的。現代氣象雷達都具備完善的性能監控和機內檢測系統，該系統對提高雷達的總體性能、可靠性、可使用性、可維修性具有極其重要作用。

只有在氣象雷達系統完整，連接正常的情況下才能進行自檢測試。在通電前要保證與其相關的跳開關都處于接通狀態。雷達天線的穩定性是以慣性基準組件提供的飛機姿態為基準的，而飛機上的慣性基準組件在啟動后還需經過一段時間的校準才能開始正常工作，所以要等這些系統準備好后才能開始性能檢測。

為實現對雷達系統的全面監控，收發機內的BITE不僅要接收收發組內部電路的狀態信息，還要接收與雷達系統有交聯的系統的信息和指令：

1.收發組內部相關電路的檢測信息。

2.溫度傳感信號，當溫度超出給定的范圍時會發出相應的信號。

3.由ARINC429總線輸入的來自雷達控制組件的指令信號。

4.天線的掃掠和俯仰檢測信號，用于檢測掃掠位置和俯仰姿態。

5.來自中央維護計算機和慣性基準組件輸入的控制指令和姿態基準信息。

6.飛行管理計算機的控制信息。

7.故障存儲器中的故障信息。

收發組中BITE可以完成的功能如下：

1接收雷達系統內部的狀態檢測信息以及相關系統的狀態信息和控制指令。

2.選擇TEST方式進行雷達自檢，在顯示器上顯示自檢圖形和狀態通告信息。

3.將系統的故障信息記錄到故障存儲器中，包括本次及以往飛行中所發生的故障信息（不超過63條）。

4.控制顯示組件發出查閱指令時，可從故障存儲器中讀出記錄的故障信息。

5.將目前的狀態數據通過兩條數據總線輸往顯示組件，以實現實時的狀態及故障信息通告。

6.將狀態和故障信息經ARINC429總線發送器轉換為32位數據碼，輸送至維護計算機。

若在進行自測時，發現系統存在故障或一些狀態不符合正常工作要求，則會在顯示器上顯示出FAIL以及故障件信息。

常見故障及維護

氣象雷達因利用率較高，使用頻繁，且與之交聯的系統也較多，發生故障在所難免，下面通過幾個簡單常見的故障實例來分析一下排故方法。

1.雷達不掃描。這種情況多為天線組故障。天線組分為掃描和俯仰兩個通道，其中掃描通道用于波束掃描，完成目標的探測。當掃描通道不掃描時，天線組則無法進行正常的工作，雷達顯示器上也就沒法顯示正常的掃描信號。天線主要由電機和機械傳動裝置組成，故障多為電機損壞和卡阻。

2.雷達圖像顯示不正確。造成此現象可能有一下幾種原因：第一，顯示器故障。第二，收發機內部電路工作不正常。第三，平板天線或波導管內有灰塵或水氣等雜物。首先可以檢查顯示器工作是否正常。然后詳細目視檢查各插頭、插座、波導管連接處以及天線安裝等是否異常，有無松動。最后視情清潔收發機、通風管、波導管及平板天線等。

3.雷達不工作。可能的原因有：第一，供電系統故障。第二，收發機內部電路工作不正常。第三，天線底座上的馬達及驅動機構工作不正常。先檢查系統相關跳開關是否閉合。再對控制盒進行檢查確認，并對雷達進行操作測試，確信天線底座上的馬達及驅動機構工作正常。以上步驟完成后，若故障依舊，則需更換收發機再進行操作測試。

每年夏季及雷雨天氣是雷達系統故障的高發時期，我們要預防環境對雷達系統正常工作造成影響。雨水進入波導管可能會導致波導管燒毀，溫度過高通風不好活長時間超負荷工作時，可能會導致計算機超溫，顯示器無法散熱，當超過一定的溫度后就會自動切斷氣象雷達的顯示。當電子艙通風的抽風扇和鼓風扇電門置于超控位時，會影響到CRT的散熱，導致顯示故障。工作中還應注意避不要與磁性物品相接觸，防止其它元件被磁化。雷達天線發出的微波波束會傷害人體的健康，因而在地面維護測試雷達時要特別注意。

結語

氣象雷達是氣象監測的重要手段，在突發性、災害性的監測、預報和警報中具有極為重要的作用，要想充分利用氣象雷達，必須掌握正確的使用方法和理解顯示目標特點，同時，對雷達知識的了解程度和經驗，會影響我們的判斷，而保障其正常工作是機務人員的基本要求。此外還需根據具體問題能進行具體的分析，熟練地運用手冊、工具、設備等。機務維修中的實踐使自己得到豐富的經驗，經驗的積累對維修行業來說顯得特別寶貴。有了豐富的經驗， 便可以輕而易舉地使問題得到正確、迅速、有效的處理，以達到事半功倍的效果。

參考文獻

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