CINRAD/SA雷達天線錐擺故障診斷分析

韓亞靜，谷山青，張 騫，魏振東，李 丹

(1.濱州市氣象局，山東濱州 256600；2.山東省氣象臺，濟南 250031；3.濱州市人工影響天氣管理服務中心，山東濱州 256600；4.山東省氣象服務中心，濟南 250031)

隨著全國新一代天氣雷達布網完成并投入業務運行，雷達站技術人員在維護維修方面積累了大量經驗。潘新民等[1]闡述了CINRAD/SA雷達交流數字伺服系統的技術特點和信號流程，總結了CINRAD/SA雷達交流數字伺服系統故障診斷方法。汪章維等[2]對新一代天氣雷達系統原理及分系統進行了闡述，同時總結了經典故障案例，對機務維修具有指導意義。郭澤勇等[3-4]收集了多個天線伺服系統故障案例進行統計分析，歸納總結了天線伺服系統故障的排查方法。蔡勤等[5]通過對雷達伺服信號鏈路進行分析，總結了雷達閃碼故障產生的原因和檢修方法。濱州CINRAD/SA雷達反復出現天線錐擺故障，產品無明顯異常，沒有報警信息，但數字控制單元5A6軸角顯示板上的俯仰角度上下浮動，不能停在固定的仰角上。本文介紹根據天線伺服系統的工作原理、天線位置控制策略和天線各信號流程，對該故障進行診斷分析及處理的方法，為處理此類故障提供經驗。

1 天線伺服系統的組成

CINRAD/SA雷達天線伺服系統由位置環、速度環和加速度環組成，涉及的模塊主要包括RDA計算機、DCU數字控制單元、PAU功率放大單元、天線伺服電機、光纖傳輸系統等[6]。位置環由RDA計算機、DCU模擬板D/A、速度環和軸角編碼器等組成；速度環是位置環的后半部分，主要由加速度環、測速機和速度比較環節等組成；加速度環是速度環的前饋環節，主要由功放、電機和微分電路等組成[7]。

2 天線錐擺過沖故障現象

2016年7月29日15：25—17：30對雷達進行維護，做太陽法標定結果正常，但波形異常，呈階梯狀(圖1)。在檢查天線控制精度時，發現5A6軸角顯示板上俯仰角度上下跳動，而方位角度正常。對雷達基數據進行分析，發現天線在俯仰上存在錐擺現象，不能停在固定的仰角上，并且在切換仰角時過沖嚴重。圖2是體掃21模式下2016-07-29T17：38的天線方位俯仰圖，同時觀察天線罩內視頻監控，能夠目測到天線在本應固定仰角時卻上下擺動。但是，對長時間段的雷達基數據分析，發現天線錐擺現象并不是一直存在，具有偶發性，且比較頻繁。

圖1 2016-07-29濱州CINRAD/SA雷達太陽法標定中異常的俯仰波形

3 故障分析及診斷

雷達天線錐擺會降低天線的控制精度，還會磨損天線伺服系統的機械結構，嚴重時還會導致雷達強制停機[8]。維修時應根據故障現象按照信號流程進行綜合判斷，找出故障點。由故障現象可知，天線故障點位于俯仰支路。天線仰角過沖和天線俯仰運行速度不穩定，實質上都是天線俯仰速度出問題，故障定位關鍵點有：DCU數字控制單元、功放、電機、信號傳輸通道[9]。為快速定位故障點，先后進行了如下操作。

清理匯流環。俯仰的各種電信號需要通過匯流環傳輸，如果積碳嚴重導致電刷接觸不良，會造成俯仰信號的不可靠傳輸。

更換俯仰電機。交流伺服系統采用165 V交流無刷電機，包括驅動電機和測速電機，基本免于維護，但對相序要求較高。

分別更換DCU數字控制單元的模擬板和數字板。先更換模擬板是因為其有完整的速度環，更換了以后發現故障依舊，再更換模擬板速度值的輸入——數字板。

圖2 2016-07-29T17：38濱州CINRAD/SA雷達體掃21模式下異常的天線方位俯仰圖

方位俯仰功放互換。由圖2可知方位支路正常，即方位功放運行正常。將方位和俯仰的功放互換，如果故障也由俯仰支路轉為了方位支路，則判斷俯仰功放故障；如果故障依舊，則說明方位和俯仰的功放都是正常的。

測試光纖鏈路信號傳輸是否正常。天線角碼的控制和反饋信號是用光纖傳輸的，如果雷達電磁環境中干擾較大，可導致傳輸誤碼，故也可能導致天線運轉異常。用電纜替換光纖傳輸，將電纜從天線座順入機房，連接5A6相應接口，天線座兩個接頭分別連接上光端機5V供電接口和二層板的相應接口。又因是長距離差分傳輸，在軸角盒及數字板加了平衡電阻，反復調試模擬板的加速度阻容配比，故障現象沒有改善。

檢查俯仰電機速度反饋信號的傳輸通道。對俯仰電機速度反饋信號的傳輸通道進行通斷測量，發現某一條測速信號偶爾存在斷路現象。

4 故障處理

CINRAD/SA雷達天線伺服系統線纜連接如圖3所示，數字控制單元和功放通過5W1、5W2連接，其中5W1包含方位和俯仰信息，5W2給功放風機供電。天線座和功放通過W94、W95、W96、W97四根電纜連接，其中W94是方位電機反饋電纜，W95是俯仰電機反饋電纜,W96是方位電機驅動電纜，W97是俯仰電機驅動電纜。W95經過三次轉接：由5A7機箱經由機柜頂部、天線座轉接板(二層板)轉接，進入天線座內部，再經過匯流環進入俯仰箱內，并進入交流伺服電機的測速機。綜上所述，俯仰測速信號經過的線纜是5W1和W95。

圖3 CINRAD/SA雷達天線伺服系統線纜連接圖

電機速度反饋是三相交流信號，包括T、R、S三相和中線MP，將其中兩個信號線短接，在另一端用萬用表測量這兩個信號線的通斷情況。如果線路有斷路，則測不到阻值，如果線路通暢，一般阻值在7 Ω左右。通過反復測試，發現測速T信號線路時通時不通，問題根源找到，即俯仰測速機信號缺失一相導致實際速度反饋錯誤，從而導致天線錐擺。分段測量俯仰速度反饋信號線路(5W1和W95)通斷，最終定位到伺服機柜頂端的電纜航空頭上，懷疑插拔接頭時有縮針現象，導致接觸不良。將相應電纜更換后，故障解決。

5 結語

天線錐擺幅度較小時不會造成雷達停機，較難發現，日常維護應細心觀察，可借助軟件及時發現故障；要熟悉交流伺服系統的信號流程，全面分析，逐級排查，才能快速定位故障點；由于接觸不良導致的天線錐擺現象時有時無，維修后的短期拷機正常并不能確定故障是否真正排除，這需要維修人員對天線運轉情況做長期觀察，并對出現的故障及時處理。