機載氣象雷達的原理及常見故障分析

齊榮林

【摘 要】雷達的種類繁多，用途各異。機載氣象雷達的基本功用是探測航路上的雷暴雨、冰雹、湍流、風切變等惡劣氣象區域。機載氣象雷達（WXR）的安全性直接影響整機系統和飛行的安全。機載氣象雷達是機載導航系統的重要組成部分，是民航客機上的一種重要導航設備。氣象雷達出現故障極易造成飛機滑回、返航甚至墜毀等事故，因此必須加強對WXR的維護。本論文通過對機載氣象雷達（WXR-700）基本工作原理的系統性總結，來全面地理解機載氣象雷達相關知識，并對常見故障進行了總結、分析。

【關鍵詞】機載氣象雷達；WXR-700；故障分析

【Abstract】There are many kinds of Radar，their uses are not the same.The basic function of airborne weather radar is to detect the route of thunderstorms， hail， wind shear， turbulence and other bad weather area.The safety of Airborne Weather Radar （WXR） directly affects the whole aircraft system and flight safety.Airborne Weather Radar is an important part of the airborne navigation system is an important navigation equipment of civil airplane. If there is something wrong with Weather Radar，it may easily cause aircraft sliding back，return airport even crashes and other accident，so we must enhance the maintenance of WXR. This article summarizes the working principle of WXR（WXR-700） briefly to understand the related knowledge of WXR，and analysis，summarizes the common faults.

【Key words】Airborne Weather Radar； WXR-700； Fault analysis

0 機載氣象雷達概述

機載氣象雷達是人們為防范氣象風險，保證飛行安全而應用現代科學技術成果而研制的航空電子設備。機載氣象雷達對保障飛行安全具有十分重要的作用，人們不遺余力地對設備進行改進、更新，使氣象雷達的性能在近20年來得到了本質的提高。

目前裝備飛機的最新氣象雷達除了能探測雷雨等氣象區域外，已經實現了對風切變、湍流的有效探測，進一步提高了在各種氣象條件下的飛行安全性。正是憑借性能優越的機載氣象雷達等一系列先進的航空電子設備，使飛行員能夠“眼觀千里，耳聽八方”，駕駛飛機繞過各種危險的氣象區域，安全、準確、舒適地把旅客和貨物送往目的地。

不同型號的氣象雷達所包含的組件可能不同，他們在各型飛機上的配置也有單系統、雙系統等多種形式。氣象雷達的基本組件為雷達收發機（Transceiver；縮略：XCVR），控制盒（Controller；縮略：CONT），天線驅動機構（ANTENNA DRIVE），支架，天線（ANTENNA），波導管（WAVE GUIDE）以及顯示器（IND）等組成。

1 機載氣象雷達的基本工作原理

1.1 氣象雷達方程

上式集中地表明了氣象雷達最大作用距離與雷達系統的技術特性及目標性質的關系，對雷達使用和維護人員均具有實際指導意義。

1.2 氣象雷達基本工作原理

機載氣象雷達主要用于探測航路上的惡劣氣象區域。空中的雷雨區、暴雨區、冰雹、湍流、風切變等惡劣氣象區域，就是機載氣象雷達所要探測的目標，圖1為氣象雷達基本工作原理示意圖。

雷達發現目標并測定其位置，基于無線電波傳播所具有的以下基本規律：

（1）無線電波可以定向輻射和接收；

（2）無線電波遇到障礙物發生反射，產生回波；

（3）無線電波以光速在空間直線傳播（實際上，電波在真空中 的傳播速度等于光速，在空氣中的傳播速度略小于光速，但通常視為近似光速）；

（4）發射機產生電磁波信號（如正弦波短脈沖），由天線輻射到空中；

（5）發射的信號一部分被目標攔截并向許多方向再輻射；

（6）向后輻射再回到雷達的信號被雷達天線采集，并送到接收機；

（7）在接收機中，該信號被處理以檢測目標的存在并且確定其位置；

（8）通過測量雷達信號到目標并從目標返回雷達的時間，得到目標的距離；

（9）目標的角度位置可以根據收到的回波信號幅度為最大時，窄波束雷達天線所指的方向而獲得；

（10）如果目標是運動的，由于多普勒效應回波信號的頻率會發生偏移。該頻率偏移與目標相對于雷達的速度（徑向速度）成正比。

1.3 WXR-700型機載氣象雷達原理

機載氣象雷達主要用于探測航路上的惡劣氣象區域。空中的雷雨區、暴雨區、冰雹、湍流、風切變等惡劣氣象區域，就是機載氣象雷達所要探測的目標。

WXR-700型機載氣象雷達是美國羅克韋爾國際公司和柯林斯運輸航空電子部（Rockwell International，Collins Transportation Avionics）研制的典型的現代機載彩色氣象雷達。

三組件的WXR-700X單系統的基本組件為：WRT-701X收發組、WXI-711顯示器和天線組（包括WFA-701X平板天線和用于驅動、安裝平板天線的天線基座WMA-701X）。

機載氣象雷達通過收發組（R/T）產生9.33GHz的射頻脈沖（RF），經天線發射出去，發射的脈沖遇到帶有水分的云或者地面目標時，一部分能量信號被反射回來，形成回波信號，回波信號經天線接收并傳送到R/T，R/T將信號放大處理后形成氣象和地形視頻輸出送到符號發生器處理，在EHSI（波音飛機的水平狀態指示器）或者ND（空客飛機的導航顯示器）上顯示。當氣象雷達探測到風切變時向機組發送警告信息。

2 機載氣象雷達故障統計分析

雷達維護過程中主要有以下注意事項：第一，散熱問題，組件局部溫度的增高會引起元件性能的變化，導致發射頻率漂移、電路工作不穩定或其它性能的下降。第二，防磁，工作中應注意避免影響雷達收發組的磁性，防止其它元件被磁化。第三，電磁輻射及其它維護、使用雷達時要特別注意天線及發射機的電磁輻射，微波波束會傷害人體的健康，還容易引起易燃蒸氣的燃燒。

2.1 機載氣象雷達故障統計

對氣象雷達系統各部件故障的統計。部件包括天線平板/驅動器、收發機、波導、控制板和顯示器。

說明：

由于機型對雷達系統各部件的工作效能沒有影響，本統計中各個部件的故障數目是3種機型飛機雷達系統各個部件的故障總和。

由圖2可以分析出：

收發機的故障最多，達到77次，占故障總數的42%。這是由于收發機是雷達系統的核心部件，負責處理并控制雷達系統的所有功能，因此它發生故障的概率最大。

不確定故障達到62次，占故障總數的35%，其原因主要是航線維護時間短，維護人員沒有充足時間對各個部件進行測試以判定故障原因，或者由于飛行員操作不當，誤報為故障，維修測試后雷達工作實際是正常的。另外氣象雷達系統還與大氣數據慣性基準組件、無線電高度表等系統交聯，其他系統也極易引起氣象雷達系統故障，這些均造成雷達系統故障的原因不明。

天線故障達到19次，占故障總數的10%，維修中發現這些故障全部發生在驅動組件上，未發生1起天線平板故障。

其他部件如控制板和顯示器所發故障并不多，而波導的故障最少，15個月僅發生了2起，顯然它們不是造成雷達系統故障的主要因素。

機載氣象雷達的維護非常重要，對防止重大故障的發生可起到未雨綢繆的作用。對于氣象雷達各部件的備件應準備充足，防止因缺少備件而影響及時維修，從而導致雷達系統不斷出現故障而延誤航班。

2.2 機載氣象雷達故障分析

（1）顯示信息“WXR FAIL”的故障

首先在氣象雷達控制面板上做自檢，如果出現故障代碼，則依據故障代碼進一步排故；如果沒有故障代碼，則視為瞬時故障，此時為了判斷故障類型需對串或更換雷達收發機。

（2）氣象雷達的瞬時故障

在檢查收發機的同時須仔細檢查雷達收發機支架上的冷卻風扇，工作中經常出現由于冷卻風扇出風小引起收發機過熱，此時需更換支架。另外，氣象雷達頁面上經常出現“WXR DSPY”信息一般并非由收發機過熱引起，而是由于顯示組件過熱。

（3）顯示信息“PWS FAIL”的故障

存在故障可能的組件有：天線驅動組件、氣象雷達收發機左右ADIRU、左右RA、自動油門微動電門組件包。工作中應首先檢查收發機冷卻風扇，若冷卻風扇完好，再按照故障隔離的步驟，依次檢查以上所列部件，直至故障排除。

（4）氣象雷達回波弱的故障

存在原因有以下三種：收發機故障，即射頻脈沖的發射源出現問題，收發機性能衰減，導致發射的射頻信號不夠強，自然在遇到障礙物時所產生的回波也十分微弱；雷達罩性能衰減，通透率下降，造成射頻波在經過雷達罩后強度大打折扣；波導管故障，即收發機到天線之間傳輸脈沖的線路故障，收發機產生的射頻脈沖有相當一部分在傳輸線路上損耗了。

（5）氣象雷達圖像顯示不正確

可能的原因有：收發機內部電路工作不正常；顯示器工作不正常；平板天線或波導管內有灰塵或水氣等雜物。排故方法是：確信顯示器工作正常；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；視情清潔收發機，通風管、波導管及平板天線等。

2.3 機載氣象雷達的微波輻射和應注意的防護事項

氣象雷達工作時，對處于雷達天線后部飛機設備的人員沒有危險，但對于暴露在雷達波束中的人員如受到過量的輻射，特別是高強度的微波輻射，對健康有損害，在某些條件下，雷達波束能引起電火花。破碎的雷達收發轉換器、收發兩用機和顯示器的管子會放出少量的放射物質，雷達使用高電壓，也是一個潛在的威脅。機務人員要特別重視對有害電波的防護。

各型飛機氣象雷達的使用注意事項，在有關維護手冊、使用手冊中均有明確規定。使用人員、維護人員應當仔細閱讀有關內容，嚴格按規定執行。某型號機載氣象雷達注意事項示意圖如圖3所示。

操作某型號機載氣象雷達注意事項：

（1）飛機前方左右兩側5米±90°弧形危險區域內，不能有金屬障礙物，例如機庫或飛機。

（2）確保距離天線1.5米，飛機兩側±135°弧形范圍內沒有任何人。

（3）周圍100米范圍內，當有飛機加油或者進行加油操作時，不能打開雷達系統。

【參考文獻】

[1]李柏，鄭國光.氣象雷達原理[M].氣象出版社，2011.

[2]Mark E.Weber.Advances in Operational Weather Radar Technology.LINCOLN LABORATORY JOURNAL， 2006[Z].

[3]陳伯孝，等.現代雷達系統分析與設計[M].西安電子科技大學出版社，2012.

[4]何曉薇.航空電子設備[M].西南交通大學出版社，2002.

[5]嚴利華，姬憲法，梅金國.機載雷達原理與系統[M].航空工業出版社，2005.

[6]胡焱，徐亞軍，沈家慶.ALNEAS機載導航設備與系統[M].中國民航飛行學院.

[7]焦中生，沈超玲，張云.氣象雷達原理[M].氣象出版社，2005.

[8]蔡秀梅.氣象雷達技術論文集[M].氣象出版社，2011.

[9]雷達原理與氣象雷達系統講義[Z].中國民航飛行學院.

[10]A319/A320/A321 TECHNICAL TRAINING MANUAL.The Airbus Company[Z].

[11]北京飛機維修有限公司[Z].Fault Analysis and Maintenance on Civil Airborne Weather Radar， 2009.

[責任編輯：楊玉潔]