民航氣象多普勒天氣雷達雙機熱備設計淺析

王國強（民航山東空管分局氣象臺,濟南 250107）

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民航氣象多普勒天氣雷達雙機熱備設計淺析

王國強
（民航山東空管分局氣象臺,濟南 250107）

摘 要：本文通過借鑒航管二次雷達硬件設計上的方案，對傳統意義上的氣象雷達進行雙機熱備設計的探討，通過對發射分系統、接收分系統、信號處理分系統、監控分系統、數據處理分系統以及電源分系統的分析、設計，實現氣象雷達雙機熱備配置，從而大大提高氣象雷達的運行冗余程度，提高雷達系統的可靠性。

關鍵詞：民航氣象；多普勒天氣雷達；雙機熱備設計

1 引言

傳統意義上，民航氣象雷達多為單通道設計，即天饋分系統（含天線罩、天線轉臺和饋線）、發射分系統、接收分系統、信號處理分系統、監控分系統、伺服分系統、數據處理與顯示分系統（也稱終端分系統）以及電源分系統均為單套系統，一旦某個分系統出現故障，就會造成整機故障停機，造成氣象業務的中斷。

隨著天氣因素對航空安全運行的影響越來越大，作為監視危險天氣重要手段的天氣雷達，其不間斷運行的要求也越來越高。目前，民航系統內多套氣象多普勒天氣雷達正在建設過程中。借鑒航管二次雷達硬件設計上的方案，實現氣象雷達雙機熱備配置，可以大大提高氣象雷達的運行冗余程度，提高雷達系統的可靠性。

2 多普勒天氣雷達基本工作原理

多普勒天氣雷達通過發射高功率的高頻脈沖信號，借助于云、雨等氣象目標的后向散射來檢測、分析和確定降水目標。根據回波信息，測量其強度以及運動的徑向速度和速度譜寬。

多普勒天氣雷達系統一般由天饋分系統（含天線罩、天線轉臺和饋線）、發射分系統、接收分系統、信號處理分系統、監控分系統、伺服分系統、數據處理與顯示分系統（也稱終端分系統）以及電源分系統8個部分組成。

激勵源輸出的高頻激勵信號，送入發射機，經固態功率放大器后，進入速調管放大，輸出高頻脈沖信號，經過饋線送至天線向空間定向輻射。定向輻射的電磁波遇到氣象目標時，便會發生后向散射，形成氣象目標的高頻回波信號被天線接收。

接收到的微弱高頻回波信號，經過饋線送往接收分系統，經過兩路高頻放大和變頻（高靈敏度通道和低靈敏度通道），成為60MHz的中頻回波信號，直接進行中頻采樣。經中頻接收機處理后送往信號處理分系統。

信號處理分系統將兩路I、Q正交信號，作平方律平均處理、地物雜波對消處理，和拼接處理后，得到反射率的估測值；并通過脈沖對處理（PPP）或快速傅里葉變換（FFT）處理，從而得到散射粒子群的平均徑向速度V和速度的平均起伏即速度譜寬W。并將處理后的回波數據通過網絡傳輸至終端系統。

伺服分系統接收到控制指令，完成天線的方位和俯仰掃描控制；同時它將天線的實時方位角、仰角數據送往信號處理分系統。

終端分系統對于信號處理分系統送來的雷達探測的氣象目標回波的原始數據、天線角度信號，以及GPS時鐘進行采集、處理，以PPI、RHI、體掃等工作方式，實時顯示回波圖像，并可將數據存儲下來，自動生成航空氣象保障所需的各種天氣預報和天氣監測用的圖像、圖形、曲線等豐富的氣象產品。

3 氣象雷達雙機熱備設計

（1）概述。雙機熱備設計即是采用雙通道體系硬件結構，即除了天線罩、天線、轉臺的系統硬件外，發射、接收、信號處理和監控均進行雙套系統冗余設計，各分系統包括兩套獨立的設備，互為冗余備份，可通過冗余控制電路進行自動重組、無縫切換，并可在線維修，減少故障時間，提高雷達系統的可靠性。

（2）系統設計。多普勒氣象雷達系統雙機熱備功能主要通過波導開關和二選一切換開關實現。雙機熱備包括數據處理服務器的切換和雷達硬件的切換。數據處理服務器具備自動/人工切換功能，可以人工切換服務器主備用狀態；波導切換開關具有手動切換手柄。

數據處理服務器雙機熱備份：服務器的熱備份是通過服務器之間的網絡通信來實現的。主備機通過周期性的發出相互檢測的網絡測試包，來互相確認對方的運行狀態。如果主機出現故障，備機在連續丟失設定數目的測試包后，會認為主機出現故障，備機則根據已設定的規則，啟動備機的相關服務，完成雙機熱備的切換。同時會將此信息通過網絡通知網絡節點上計算機。當主用服務器修復后，作為備用服務器使用。切換服務器工作狀態不影響整個雷達系統正常工作。

雷達硬件切換：當監控單元檢測到雷達的發射機、接收機、信號處理器出現故障時，監控單元發送關高壓、并通過交換機、串口服務器控制切換波導開關和控制信號選擇組件，將硬件系統切換到備份系統，切換到位后發送反饋指令到監控單元，監控單元開高壓，雷達正常工作。

雷達工作周期內，兩套雷達的監控單元之間通過交換機周期性的發送握手信號，互相監測運行狀態，其目的是為了監測備用的雷達系統在不工作情況下的運行情況，并在終端軟件中顯示備用系統狀態。

整個切換過程包括雷達報警、關閉高壓發射、波導開關切換、主備服務器切換、開啟雷達高壓和狀態標校，整個過程除了波導切換開關是機械動作，其他都是電訊號動作，所需時間控制在30s以內。

具體各分系統設計如下：

發射分系統：兩套互為冗余的發射系統，通過大功率波導轉換開關選擇其中一套發射機高壓工作，另一套處于開機預熱狀態。每套發射機包含發射配電單元、監控單元、高壓電源單元、固態調制器單元、脈沖變壓器、速調管、鈦泵電源、脈沖旁路器、固態放大器組合、發射組合電源單元和散熱風機；

接收分系統：兩套獨立接收系統（接收通道單元、頻率源單元、激勵源單元），對原有BIT單元、標定單元進行改進，滿足為兩套接收機提供高品質標定信號及監測兩套接收機的工作狀態；兩套互為備份的接收機始終通電工作，回波信號經冗余開關控制進入其中一套接收機，經處理得到中頻信號后送往數字處理系統進行后續處理。

信號處理、監控分系統：采用模塊化設計，將信號處理板、監控板、數字接收機配置在一個單元內，組成信號處理單元，同時增加冗余控制插件，負責整個系統冗余功能控制，實現系統故障時自動切換備份通道功能。

數據處理終端：包括數據處理服務器軟件、控制和維護軟件、顯示終端軟件；軟件設計應包含多終端熱備份工作功能，主終端故障時，可自動切換到備份終端，不影響數據處理，并可對故障終端進行維修。

電源分系統：包括不間斷電源、遙控配電箱、電網濾波分機和分布于各分系統的線性電源和開關電源等；雙備份系統中各獨立分系統均單獨供電，達到故障系統可在線維修，不影響系統正常工作。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.222